- Ei，ESCI收录期刊
- 中国科学引文数据库(CSCD)核心期刊
- 中文核心期刊
- 文摘与引文数据库(Scopus)
- 剑桥科学文摘(CSA)
随着航空、航天、航海等领域的发展，高端装备的服役条件愈加苛刻，对制造业的发展提出了更高的要求。增材制造技术，又称为3D打印技术，相较于传统制造技术在复杂形状结构制造方面优势显著，有望实现三维空间内特定位置的打印和独特性能的结构打印。激光熔丝定向能量沉积（wire-based laser directed energy deposition， W-LDED）技术作为增材制造技术的重要分支，具有高效率、高精度和高材料利用率等显著优势，在高端装备制造领域具有广阔的应用前景。尽管W-LDED技术具有诸多优点，但其工艺参数选择、多次热循环以及制造过程精确控制和可重复性等方面仍存在诸多挑战，沉积质量和制造稳定性受多种因素影响，如何解决这些现状难题是当前国内外的研究重点。基于此，本文从工艺参数优化、沉积质量分析和组织成分调控三个方面对W-LDED技术的研究现状进行了详细介绍，分析了不同参数对成形质量和制造稳定性的影响，提出了优化策略，进一步总结了W-LDED技术当前的应用场景，并对该项技术的未来发展趋势提出了设想，包括材料创新设计与发展多功能复合材料、成形机理研究、建立工艺-缺陷-组织性能预测模型、增/减材一体化制造新方法和大尺寸、高精度、多功能装备开发。
针对成型件高精度控形与低损伤控性的实现需求，以及在增加熔敷量的同时达到热源热、质、力深度解耦的目标，多电极电弧焊接/增材技术已逐渐成为学术界与工业界共同关注的热点。本文对多电极电弧工艺的发展历程进行了系统综述，全面梳理了多电极电弧焊接与增材领域的前沿研究成果，并对多电极电弧中不同类型的耦合电弧进行了分类总结，多电极电弧系统通过引入多个电极，实现了对耦合电弧热质力传输过程的更精细调控，有助于优化沉积层的成形质量，降低缺陷，提高制造精度。强调了不同类型多电极电弧工艺在热源和电极排布方式，热质力解耦传输特性的区别，总结了焊接过程参数对耦合电弧稳定性的影响机制，最后，本文提出了适用于电弧熔丝增材制造领域的多电极电弧特性，探索复合材料构件的高性能制造，搭建新型多电极电弧技术的工艺数据库，为耦合电弧和多电极电弧增材制造技术的应用推广提供有价值的参考。
电弧增材制造（wire arc additive manufacturing，WAAM）以电弧为载能束逐层熔化金属丝材，适合中大尺寸复杂金属构件的快速制造，因其成形效率高、制造成本低、材料利用率高等优势，在航空航天、国防领域具有广阔的应用前景。残余应力与变形调控是推进金属构件WAAM高效、高质量发展与应用必须解决的关键科学与技术难题。本文探讨了WAAM残余应力与变形的产生机制及影响因素，分析对比了残余应力与变形的实验测量与数值模拟方法，并对WAAM沉积前、中、后不同阶段控制残余应力与变形的方法进行了系统总结。最后指出数值模拟、机器学习、现场诊断及控制是未来WAAM残余应力与变形调控的重点研究方向。
多丝电弧增材制造技术具有成本低、效率高等优势，尤其在成分设计与调控方面具有高度的灵活性，成为制备大型金属结构件的主流技术之一。多个丝材（同种或异种）同时进给，在熔池中实现原位合金化，该方法为复杂成分的先进金属材料的制备过程提供了可行性路径。本文综述了国内外多丝电弧增材制造制备高性能钛合金、铝合金、不锈钢等传统材料以及功能梯度材料、高熵合金、金属间化合物等先进金属材料的研究进展。针对多丝电弧增材制造成形构件微观组织不均匀、力学性能存在各向异性以及成形精度不足等问题进行讨论。提出了建立多丝电弧增材制造工艺窗口、多种工艺耦合以及建立成形过程监测和控制系统等发展方向，为多丝电弧增材制造工艺改进与发展提供理论依据。
采用电弧增材工艺制备18Ni350马氏体时效钢（M350）直壁构件，通过直接时效热处理调控其微观组织与力学性能，研究不同时效条件（时效温度，时效时间）对电弧增材制造M350组织和性能的影响。结果表明：电弧增材制造M350钢凝固组织由柱状树枝晶和胞状树枝晶组成，在枝晶间区域发现Ni，Mo和Ti三种元素偏析。直接时效过程中，在Ni，Mo和Ti三种元素偏析的枝晶间区域发生马氏体相向奥氏体相逆转变，且随时效温度升高和时效时间延长，逆转变奥氏体尺寸与数量增加。显微硬度、屈服强度和极限抗拉强度呈现先增大后减小趋势，在530 ℃时效3 h时达到峰值，分别为534HV，1600，1658 MPa，同时断后伸长率保持在13.0%以上。此外，电弧增材制造M350力学性能在水平方向和垂直方向存在各向异性，在峰值时效条件下各向异性差值达到最大，屈服强度差值为360 MPa，极限抗拉强度差值为287 MPa。
针对镍钛合金增材制造过程中微观结构和成分难以调控的问题，本研究采用双丝电弧增材制造技术，通过控制Ni丝和Ti丝的送丝速度，精确调节镍钛合金的原子比和相组成，从而获得性能优异的NiTi合金。结果表明，在纵向熔覆道中心区域，当Ni/Ti原子比为8∶10时，沉积的NiTi合金主要由Ti2Ni相组成，并伴有少量富Ti颗粒，显微硬度和抗压强度分别达到560HV和1600 MPa；当Ni/Ti原子比为11∶10时，NiTi相中夹杂有Ti2Ni相，在循环压缩过程中出现1.6%的不可恢复应变；当Ni/Ti原子比为15∶10时，NiTi相中形成团簇状Ni3Ti相，纵向断裂应变接近40%，且循环压缩后仅出现1.2%的不可恢复应变，表现出良好的超弹性。此外，与纵向熔覆道中心区域相比，不同Ni/Ti原子比试样的横向搭接区域微观组织呈现明显的晶粒粗化和成分偏析现象，其抗压强度和塑性变形能力均显著降低。
针对铝合金构件在生产或服役过程中出现的大尺寸裂纹或磨损缺肉等问题，提出了连续送丝搅拌摩擦增材再制造方法，设计了由专用送丝装置、静止轴套与螺杆结构搅拌头组成的搅拌摩擦增材再制造工具，实现了高强铝合金板材表面预置宽度10 mm且深度2 mm的凹槽缺陷的有效填充与修复。结果表明：修复件表面成形良好，组织均匀，力学性能良好；通过动态回复和再结晶过程对晶粒进行细化，晶粒尺寸为1.59 μm；修复件平均抗拉强度和伸长率分别为（410±8） MPa和（11.9±0.9）%，相较于带缺陷试样分别提高了26% 和159%；断口表面具有大量的韧窝，呈典型的韧性断裂特征。
在丝-弧增材制造过程中对焊枪施加不同频率和摆幅的侧向摆动，制备Al5356直壁构件。通过表面波纹度计算、微观组织分析和拉伸性能测试，研究了摆弧参数对Al5356直壁构件成形质量、孔隙分布、显微组织和力学性能的影响规律。研究发现，在丝-弧增材制造中应用摆弧工艺能够显著改善直壁样品的成形精度，减少孔隙缺陷，均匀化组织及提升样品的力学性能。在实验参数范围内，与无摆弧工艺相比，施加摆弧工艺可将Al5356直壁样品的表面波纹度减小60%，孔隙率和最大孔隙直径从超过0.65%和33 µm分别降至0.20%和10 µm以下，X方向（沉积方向）和Z方向（构建方向）的平均抗拉强度分别提升了约13%和15%，而平均伸长率分别提高了约27%和25%。电弧摆动频率比摆幅对提高沉积构件表面质量、分散孔隙、减小孔隙尺寸具有更显著的效果，这是由于高频率的电弧振荡对熔池具有强烈搅拌作用，使沉积焊道横向的温度更均匀。沉积构件力学性能的提升主要归因于孔隙缺陷的减少和微观组织的均匀化。在丝-弧增材制造中正确应用摆弧工艺对提升构件的成形质量和力学性能有积极意义。
NiTi形状记忆合金（shape memory alloys，SMAs）因其独特的超弹性和形状记忆效应得到了广泛应用。然而，传统制造方法难以制备复杂形状和精确调控微观组织的NiTi合金。电弧增材制造（WAAM）技术因其逐层沉积的特点，为NiTi合金的制备提供了新的解决方案。本文综述了电弧增材制造 NiTi形状记忆合金的研究进展，着重探讨了工艺参数对其微观组织、相变行为及力学性能的影响。分析了不同电弧工艺（如熔化极气体保护焊、钨极气体保护焊和冷金属过渡）在制备NiTi合金时的优缺点，并总结了电弧增材制造技术在成型质量、相变温度调控和力学性能方面的最新成果。重点探讨了电弧增材制造逐层沉积过程中，由高热输入、低冷却速率和重复热循环导致的显著微观结构不均匀性和氧化问题，这对力学性能及超弹性表现产生了不利影响。针对该问题，提出了通过工艺优化、主动冷却、引入第三元素及热处理等手段来改善材料均匀性的策略。此外，本文还讨论了NiTi合金与其他金属的异质结构设计，指出电弧增材制造制备多材料复合结构在高性能器件中的潜力。尽管电弧增材制造在制备复杂形状和多材料结构方面具有优势，但仍面临氧化、元素蒸发及层间结合性差等问题。未来研究需聚焦于热处理优化与微观组织调控，开发新型多金属复合材料，探索提高界面结合性和抗氧化能力的创新手段，以进一步提高NiTi合金的性能并扩大其应用领域。
瞬间液相（transient liquid phase， TLP）连接是目前用于连接镍基高温合金的一种优化技术，而连接后热处理（post-bond heat treatment，PBHT）是对连接后的接头进行的热处理工艺，本文对TLP连接中热循环对镍基高温合金母材组织性能的不利影响和TLP连接后接头存在的有害问题进行归纳汇总，对PBHT工艺的机理、种类及研究现状等进行详细分析，对其适用体系和效果进行系统评述。针对未来的PBHT工艺研究，建议继续向多级多道精准热处理的方向发展，并探索TLPB-PBHT一体化工艺。
纳米Al2O3/Al复合材料作为轻质高性能结构材料，可实现轻量化节能减排，在航空航天、汽车工业、船舶制造、国防及5G电子通讯等领域具有广阔的应用前景。本文主要介绍高能球磨粉末冶金法、超声辅助铸造法、搅拌摩擦法、增材制造法、原位反应法等国内外纳米Al2O3/Al复合材料制备技术。总结分析纳米Al2O3增强体、增强体与铝基体的界面微结构、增强体的尺寸和含量、铝基体的晶粒尺寸、增强体的分散性和微观构型设计对纳米Al2O3/Al复合材料力学性能的影响。概述了纳米Al2O3/Al复合材料中主要的强化机制。最后，展望了纳米Al2O3/Al复合材料未来在高增强体体积分数的大尺寸制备技术、非均质构型优化以及高强耐热结构功能一体化等方面的发展方向。
采用TiO2、CaCO3、Mg（OH）2为原料，通过高温固相法合成了钛酸钙镁（0.95MgTiO3-0.05CaTiO3）粉体，并基于相图设计制备了Li2B4O7-Al2O3低熔点烧结助剂，在此基础上实现钛酸钙镁微波介质陶瓷的低温烧结制备。研究了合成温度（900~1100 ℃）对钛酸钙镁粉体物相组成的影响，以及烧结温度（1175~1250 ℃）、烧结助剂添加量（1%~5%，质量分数，下同）对钛酸钙镁陶瓷密度、微观结构、介电常数、品质因数和频率温度系数等的影响规律。结果表明，当反应温度为1100 ℃时，可制备高纯度的0.95MgTiO3-0.05CaTiO3陶瓷粉体；烧结助剂的引入有效降低陶瓷的烧结温度，但过高（5%）的添加量反而导致密度和介电性能下降；当助剂添加比例为3%且烧结温度为1225 ℃时，可获得相对密度为98.70%，介电常数为20.38，品质因数为37240 GHz和频率温度系数为-9.6×10-6 ℃-1的钛酸钙镁陶瓷材料。
采用熔融渗硅工艺制备SiCf/SiC复合材料，研究试样在水氧腐蚀环境中的氧化行为。结果表明：经800 ℃和1200 ℃水氧腐蚀400 h后，不含环境障涂层（environmental barrier coatings，EBC）的试样弯曲强度保留率分别为78.8%和74.9%，含EBC的试样弯曲强度保留率分别为95.9%和93.0%。EBC的存在能够有效地阻碍材料与水氧腐蚀介质大面积直接接触，避免复合材料力学性能明显降低。800 ℃时BN界面层氧化是导致SiCf/SiC复合材料力学性能下降的主要原因。1200 ℃不含EBC试样经水氧腐蚀400 h后界面层部分消失，纤维与基体之间出现空洞，失去保护纤维的作用，同时部分界面层将纤维与基体粘连起来。BN界面层氧化、SiC纤维与基体氧化的共同作用是造成复合材料力学性能下降的主要原因。
通过原位生长-高温脱锌法成功制备了一种由CN壳包裹的缺陷氮化碳（g-C3N x ）的光催化剂g-C3N x @CN。采用多种分析手段对材料的结构、形貌和组成进行了分析表征。通过三聚氰胺高温缩聚及Mg粉高温脱氮制备出具有氮缺陷的g-C3N x，随后负载ZnO纳米颗粒原位生长ZIF-8，最后将g-C3N x @ZIF-8在高温下脱Zn，制得ZIF-8的CN壳包裹的具有双重缺陷（N，Zn）的可见光催化剂g-C3N x @CN材料。研究表明，g-C3N x @CN催化剂具有良好的可见光催化活性，可以实现在240 min内对亚甲基蓝和2，4-二氯苯酚的有效降解，其中g-C3N x @CN-5∶4复合材料性能最佳。在反应体系中，单线态氧（1O2）起主导作用。在循环测试中表现出优异的循环利用性和光稳定性。本研究拓展了缺陷的氮化碳材料在可见光吸收的研究，为金属催化剂向无机非金属催化剂衍生提供了一种可行的方法。
利用材料试验机和具有高温同步加载能力的分离式霍普金森压杆装置，研究了三维编织碳/碳复合材料在室温（25 ℃）准静态和25~900 ℃时的动态压缩力学性能。实验结果表明，复合材料强度受纤维取向、应变率和温度三个因素的影响。在相同的应变率和温度下，复合材料Z向强度均大于XY向强度。随着应变率增加，复合材料XY向和Z向强度均增加，表现出正的应变率效应。随着温度从室温增加到900 ℃，复合材料XY向和Z向强度均先增加，在600 ℃时达到最大值，随后强度开始下降。静动态加载下，XY向复合材料均发生剪切失效，但动态剪切断裂角小于准静态情况。随着应变率增加，Z向复合材料断裂模式从剪切失效转变为基体压碎和部分纤维折断。
硝酸盐污染物在水中富集会给生态环境带来极大危害，同时严重威胁着人类的生命健康。研究可持续发展的高效率电催化硝酸盐还原制氨的电催化剂材料对保护生态环境、形成可持续氮循环意义重大。本研究选择泡沫铜（copper foam，CF）作为基底，采用氢气泡动态模板（DHBT）电沉积方法，在 CF骨架上原位得到了枝晶铜/CF（D-Cu/CF）自支撑电极。用于电还原硝酸盐合成氨时，其三维枝晶结构的取向尖端大幅提升活性位点数量和本征活性。通过探究沉积时间以及不同电位对电化学性能造成的影响，在最优化条件下，D-Cu/CF 表现出了高达0.379 mmol·h-1·cm-2的产氨速率和92.8%的法拉第效率，且在6次电还原硝酸盐循环测试中保持产氨速率稳定、法拉第效率均在90%以上，并且3 h内硝酸盐的降解率高达92%。在实际水样测试中，D-Cu/CF 电催化剂表现出良好电还原综合性能，展现出较大的潜在实际应用价值。
Al2O3基共晶陶瓷具有卓越的高温力学性能，在极端环境领域具有较大的应用前景，探索能耗低且工艺简单的制备方法对其工业化应用具有重要意义。采用闪烧技术成功制备Al2O3-GdAlO3-ZrO2共晶陶瓷，研究电场强度、限制电流和闪烧时间对闪烧行为、物相和共晶组织形貌的影响。结果表明：随着电场强度的增加，闪烧温度降低。在600，700，800，900 V/cm的电场强度下，Al2O3-Gd2O3-ZrO2混合粉体的闪烧温度分别为994，958，943，911 ℃。在900 V/cm的电场强度、911 ℃闪烧温度下，获得Al2O3-GdAlO3-ZrO2共晶陶瓷。随着限制电流和闪烧时间的增加，不规则的共晶结构向规则共晶结构转变，且组织细化。电场强度对共晶组织形貌没有明显影响。焦耳热效应对共晶组织的形成起着重要作用，但仅靠焦耳热效应难以完全解释闪烧过程中共晶组织的形成。
导热阻燃复合材料有利于电子设备的高效散热并降低火灾风险，在电子产品中具有良好的应用前景。首先采用γ-氨丙基三乙氧基硅烷对SnO2纳米粒子进行表面修饰，将制得的改性SnO2（m-SnO2）与碱处理和超声剥离后的氮化硼纳米片（BNNS）通过静电自组装进行结合，制备了BNNS@m-SnO2杂化填料；随后以环氧树脂为聚合物基体利用刮膜法制备了具有一定取向结构的导热阻燃复合材料。研究表明，SnO2纳米粒子改性后，Zeta电位从-19.1 mV变为28.7 mV，能够与Zeta电位为-27.8 mV的BNNS通过静电相互作用结合在一起；BNNS@m-SnO2杂化填料的添加能够有效地改善环氧复合材料的导热性能和阻燃性能，其中，EP/BNNS@m-SnO2-10%（质量分数）复合材料的导热率可达3.79 W·m-1·K-1，并且表现出更高的峰值燃烧温度（410.9 ℃）和更低的峰值热释放速率（302.2 W·g-1）。
本研究设计制备一种中碳合金钢40Cr3Mn3Ni3Si2Mo，通过对实验钢热轧态直接回火、冷处理后回火及淬火态冷处理后回火试样进行组织表征和性能测试，探索组织演变规律，建立工艺-组织-性能的关系并分析强韧化机理，为高强塑性淬火-配分（Q&P）型超高强度钢的成分设计与工艺优化提供了依据。结果表明：实验钢热轧态回火可以获得回火马氏体+富碳奥氏体的复相组织，但由于残余奥氏体含量较高，钢的强度未达到超高强度钢的要求。将热轧态实验钢冷处理后低温回火，改善了组成相的比例和分布状态，使强塑性明显提高。实验钢进行紧密衔接的油淬、深冷及回火处理可以降低奥氏体稳定化的不利影响，获得更加优异的综合性能，此时钢的屈服强度为1506 MPa，抗拉强度为1895 MPa，伸长率为16.7%。同时提出一种提高1800~1900 MPa级超高强度钢强塑性的有效途径：通过成分和工艺优化控制马氏体相变动力学，在马氏体组织中保留20%左右的残余奥氏体，利用回火辅助配分处理提高其稳定性，此时钢的屈服强度小幅下降，降至1400~1600 MPa，但伸长率可以达到15%~18%。
采用恒温氧化法对S30815耐热不锈钢基材和焊接接头在不同服役温度下的高温氧化行为进行氧化动力学及微观组织分析，通过增重法得到高温氧化动力学曲线，利用扫描电镜（SEM）、能谱仪（EDS）以及X射线衍射仪（XRD）对氧化膜的形貌、成分和微观组织进行研究。结果表明：780 ℃恒温氧化条件下，S30815耐热不锈钢氧化增重少，氧化速率较低，氧化产物主要为Cr2O3，Fe2O3和Fe3Mn3O8，形态表现为片状、长条状以及多面体状；880 ℃时氧化增重明显，氧化速率较高，氧化产物为Cr2O3，Fe3O4，MnFe2O4和Ni（Cr2O4）组成的混合氧化物，主要表现为细长条状和片状。S30815耐热不锈钢的氧化动力学曲线遵循抛物线规律，随着氧化时间的延长氧化速率逐渐减小，最终趋于稳定，表现出良好的抗高温氧化能力。焊接接头表面生成更多Cr2O3氧化膜，平均氧化速率更小，抗氧化性能优于基材。
通过激光冲击强化（laser shock peening，LSP）技术调控Inconel 625合金表面微观组织，优化表面形貌。采用激光扫描共聚焦显微镜、电子背散射衍射（EBSD）显微镜以及透射电子显微镜（TEM）等方法表征其微观组织，并利用维氏显微硬度计分析其硬度变化。结果表明：在适当的LSP技术下能够消除冲击凹坑，提升表面质量。在LSP作用下，微观组织呈梯度变化，表层微观结构转变为超细层、超细晶等结构，且主要以亚结构与变形晶粒为主，而过渡层为变形晶粒及再结晶组织。随着深度的加深，变形晶粒减少，而再结晶晶粒增多。对5次LSP的合金几何必须位错ρ GND进行定量分析发现：表层ρ GND为2.91×1014 m-2，原始层为0.61×1014 m-2，LSP后表层位错密度提升。位错密度的变化导致显微硬度发生转变，显微硬度随LSP次数增加而增加，随深度的加深而减小。LSP过程改变了大小角度晶界占比，对Inconel 625合金晶界强化贡献符合Hall-Petch关系。
