冷喷涂金属基复合涂层及材料研究进展

冷喷涂是近年来一种发展十分迅速的材料固态沉积技术,其具有喷涂温度低和颗粒沉积速度高的特点,在金属基复合涂层及材料制备方面展现出了良好的应用前景。在大量文献整理和分析的基础上,对冷喷涂金属基复合涂层及材料的最新研究进展进行了系统的介绍。首先归纳了机械混合法、球磨法、包覆法以及造粒法等复合粉末的制备方法及其优缺点,为复合粉末的制备和选择提供了参考;其次,分类介绍了采用冷喷涂制备的铝基、镍基、铜基、钴基以及其他金属基复合涂层及材料;再次,分析了退火、激光、搅拌摩擦焊和热机械等后续处理方法对冷喷涂金属基复合涂层及材料组织结构和性能的影响,并介绍了不同后续处理方法的优缺点;最后,总结了冷喷涂金属基复合涂层及材料的潜在应用领域和存在问题。

中国微重力科学研究回顾与展望

微重力科学主要研究微重力环境中物质运动的规律,以及不同重力环境中重力对物质运动的影响.中国微重力科学研究起步于20世纪60年代,兴起于80年代中后期,经过多年发展,目前已初具规模,在一些重要方向具有明显特色和一定优势.本文回顾了中国微重力科学研究的早期历程,评述了近年来中国微重力科学研究进展,特别是利用实践十号科学实验卫星、天宫二号空间实验室等空间平台开展的微重力科学与技术应用研究取得的最新成果,并对中国载人空间站时代微重力科学发展的前景予以瞻望,推动微重力科学与应用研究在中国的快速、可持续发展.

冷喷涂技术在材料制备领域的研究进展

随着各行业对零部件的精细化程度要求越来越高,传统的锻造和铸造等成型技术已不能满足生活生产的需求,冷喷涂作为一种新兴的增材制造技术,因其沉积过程中无相变、无氧化且沉积效率高等特点而受到广泛关注。首先阐述了冷喷涂技术的基本原理及在材料制造方面的优势;随后,综述了冷喷涂在金属、金属基复合材料及层状复合板材制备领域的国内外进展;最后总结了目前冷喷涂技术所面临的问题及亟需突破的壁垒,并针对现存问题提出了新的研究目标和发展方向。

基于代表性体积单元的双模铝基复合材料性能拟实研究

目的研究双模铝基复合材料连续区(Continuous Region,CR)和非连续区(Discontinuous Region,DR)力学性能对材料整体力学性能的影响规律,以深入了解双模铝基复合材料的强韧化机理。方法基于Abaqus模拟软件,以双模CNT/Al为研究对象,建立了构型尺度的代表性体积单元(RVE)模型,采用GTN(Gurson-Tvergaard-Needleman)模型来描述双模CNT/Al中CR和DR的变形力学行为,通过定义力学性能参数来简化描述CR和DR复杂的力学性能。针对双模CNT/Al的CR和DR,分别设定力学性能参数HC和HD,并进行一系列的拉伸载荷模拟,研究HC和HD对双模复合材料整体力学性能的影响规律。通过与真实双模CNT/Al的力学性能进行对比,得到双模CNT/Al中CR和DR力学性能与均匀材料力学性能的差异,最后对双模CNT/Al在变形过程中的应力分布情况和断裂后的形貌进行分析。结果当HC小于4时,双模CNT/Al的抗拉强度随HD的增大而下降;当HC大于5时,双模CNT/Al的抗拉强度随HD的增大而增大;双模CNT/Al的屈服强度随着HD和HC的增大而增大,延伸率随着HD和HC的增大而降低。当HD或HC一定时,在HC=HD时,模型材料的延伸率最大。典型双模CNT/Al由“粗晶铝合金+CNT/超细晶Al复合材料”构成,与均匀结构的粗晶铝合金相比,其构型中粗晶铝合金的强度显著提升、塑韧性显著下降;与均匀结构的CNT/超细晶Al相比,其构型中的CNT/超细晶Al复合材料的强度小幅降低、塑韧性小幅提升。当HD大于HC时,裂纹优先在DR产生;当HD小于HC时,裂纹优先在CR区产生;当HD和HC接近时,裂纹产生的区域更加分散。结论建立了一种双模铝基复合材料的有限元模型,从数值上说明了双模CNT/Al复合材料微区与均匀材料的力学性能存在显著差异,为双模铝基复合材料的设计提供了参考。

固-液复合铸造铝/铜双金属复合材料组织及性能研究

利用固-液复合铸造法实现了Al-Mg-Si合金与Cu-Cr-Zr合金的复合制备,对所制备Al-Mg-Si/Cu-Cr-Zr双金属复合材料的组织及性能进行表征分析。结果表明:复合材料中铝合金侧主要由α-Al基体和(Mg,Si)相组成;铜合金侧主要由铜基体和富Cr相组成;复合材料界面过渡层厚度约5~10μm,主要由铜和铝元素组成,过渡层中未见明显的析出相。随着复合材料中铜合金侧厚度的增加,材料的抗拉强度提高;随着环境温度的降低,铝/铜复合材料的抗拉强度先逐渐提高然后降低;当环境温度为零下30℃,复合材料的抗拉强度约390 MPa。

激光增材制造金属构件的缺陷控制研究进展

介绍了激光增材制造原理、技术特点及其适用的金属材料体系,归纳了常见冶金缺陷的形成机制、影响因素,并从工艺参数优化和后处理两方面阐述了增材制造冶金缺陷处理的相关研究进展,明确了工艺参数优化与后处理优化的方向。最后对激光增材制造未来的发展趋势和研究方向作出了展望。

镍基单晶高温合金近服役环境性能研究进展

航空发动机与燃气轮机作为国之重器,对保障国防安全和能源安全具有重要意义。随着发动机效率的不断提升,涡轮进气口温度不断提高。先进叶片往往采用高代次单晶高温合金材料制备,具有薄壁、多孔复杂冷却结构,且表面涂覆先进涂层,因而先进单晶叶片结构越来越精细复杂,服役过程中叶片不同部位温度场、应力场分布变化更大,其损伤机制无法通过传统棒状试样的变形损伤机制完全体现。基于先进单晶叶片的结构特点及服役环境特点,综述了叶片结构(薄壁、气膜孔)、二次枝晶取向(二次取向)及先进涂层等单一因素及多因素耦合作用对单晶合金拉伸、蠕变及疲劳等典型性能的影响规律及损伤机理研究,并对镍基单晶高温合金近服役环境性能研究的发展方向进行展望。

激光定向能量沉积DD405单晶高温合金的裂纹形成机制研究

采用激光定向能量沉积技术制备了第二代单晶高温合金DD405薄壁结构,通过试验和理论相结合的手段对单晶高温合金在激光定向能量沉积过程中的热裂纹形成机制进行分析和探究。结果表明,热裂纹的形成是由应力集中、液膜稳定性和碳化物析出相3个因素所决定的。由于激光定向能量沉积过程的逐层叠加,残余应力随着沉积高度递增,因此沉积区存在高水平的残余拉应力。沉积区的晶界处会出现显著的应力集中,液膜在两侧拉应力作用下发生撕裂导致裂纹萌生。液膜稳定性与相邻晶粒间的晶界角度密切相关,当大角晶界大于40°时,会在拉应力的驱动下形成热裂纹。MC型碳化物析出相通过“钉扎作用”抑制液相补缩及弱化与基体之间结合强度等作用进一步促进了热裂纹形成。

TA2纯钛薄板微流道液压成形工艺研究

双极板是氢燃料电池的重要部件之一,钛作为金属双极板基材有诸多优势,但钛的成形性能差、回弹较为严重,本文以0.1 mm TA2纯钛薄板微流道液压成形为研究对象,通过试验和有限元模拟相结合的方法研究纯钛微结构变形行为,分析工艺参数对微流道成形质量的影响规律,为液压成形钛双极板提供参考。建立了TA2纯钛薄板微流道液压成形的有限元模型,通过与试验件的轮廓及厚度分布验证有限元模型的准确性;研究了液体压力、加载速率和脉动加载对微流道成形的影响。结果表明,微流道液压成形过程中材料应变路径为平面应变,且上圆角位置最容易破裂;加载速率对微流道成形影响不大,随着加载速率的提高,成形深度略有下降,但是变化不大,仅有3%;脉动加载路径能够提高材料的流动变形能力,在均为临界破裂情况下,相比较线性加载路径成形深度有较高的提高,可达232.2μm,提高幅度为23%。

航空发动机材料摩擦学研究进展

机械产品中的摩擦磨损问题不可避免,且严重影响装备性能与寿命可靠性。航空发动机是飞机的心脏,针对该类复杂机械产品的摩擦磨损问题更应得到高度重视.通过材料摩擦学行为调控,可有效减轻或排除航空发动机中的摩擦磨损问题,大幅抑制发动机功能精度衰减,提高其寿命稳定性.为系统有序地开展航空发动机材料摩擦学研究,在本文中以典型三代涡扇发动机为例,按冷端至热端结构顺序,阐述进气道、风扇、中介机匣、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷口等关键部位涉及摩擦磨损部件及材料的摩擦学服役工况、主要磨损类型和磨损机制.结合发动机整机故障分析结果,有针对性的选择4种具有代表性的航发材料作为摩擦学重点研究对象,即叶片尖端与封严涂层的高速刮擦、主轴轴承滚动接触疲劳与滑擦损伤、钛合金叶片的微动损伤、动密封装置中石墨的摩擦磨损及其寿命评价台架试验.从材料摩擦学损伤演变规律、磨损机制、耐磨功能设计和表面改性等角度综述国内外研究进展,提出航发材料摩擦学研究技术路线,即从材料级摩擦磨损实验复现航发零件磨损失效特征出发,实现基于摩擦学行为调控原理获得材料耐磨减摩功能化改进,最终采用模拟工况摩擦学实验台架验证新材料摩擦磨损性能.此外,针对新一代航空发动机对材料耐磨减摩性能的更高要求,从宽温域润滑、腐蚀-磨损交互作用和新材料摩擦学数据库等方面展望航发材料摩擦学研究发展方向.

面向难变形材料精密成形的板式楔横轧机研究

为满足楔横轧工艺研究的需要,推动板式楔横轧机在我国的应用与发展,中国科学院金属研究所与白俄罗斯科学院物理技术研究所共同开展了高精度板式楔横轧机(IM500)的研制工作。IM500轧机采用卧式水平结构和液压驱动的单板可动设计方案,由主体机械结构、液压站、电控柜三部分组成。在主体机械结构方案设计过程中,采用有限元模拟方法进行同步校核优化。在IM500轧机上,分别采用45钢、GH4169、TC11三种材料进行楔横轧实验。结果表明该轧机具有轧件尺寸精度高、维护和更换零部件方便、自动化程度高等突出优点。

红外隐身涂层材料及技术研究进展

随着红外探测技术的不断进步,以红外辐射为信号源的武器装备(红外夜视仪、红外制导导弹等)的识别、探测和追踪能力越来越强,使战斗机、车辆和坦克等武器装备极易受到攻击甚至摧毁。为了应对这些红外威胁,提高武器装备在战场上的生存能力,多种技术手段被研发和应用,其中红外隐身涂层发挥着越来越重要的作用。本文将简单介绍红外隐身涂层的工作原理,从涂层材料和制备技术两个方面综述目前红外隐身涂层的研究进展,并对其未来研究发展方向提出展望。

随机源对颗粒增强金属基复合材料力学性能影响的多尺度分析及实验验证

20%(体积分数)SiC_(p)/2009Al复合材料的准静态拉伸实验结果表明,其失效应变等力学参数具有明显的分散性。采用多尺度有限元的方法研究了两类随机源对20%SiC_(p)/2009Al宏观力学性能的影响。通过对一系列含随机源的细观多颗粒代表体积单元模型进行准静态拉伸模拟,得到了材料失效应变和断裂能各自的随机分布特征及两者之间的相关性特征,然后结合宏观试样模型,实现了实际材料内不同区域材料性能随机性的表征。研究表明,宏观有限元结果与实验数据的吻合性较好,且由于考虑了随机源的影响,宏观有限元结果还能够很好地模拟失效应变等的分散性特征。

载钯氧化铝复合材料的制备及性能研究

钯常被用作氢同位素分离的首选材料,但纯钯经历多次吸放氢循环后易发生粉化,影响分离系统的效率和工作稳定性,因此实际应用中多采用将钯负载在多孔、疏松载体上的方法抑制钯的粉化。为寻找合适的氢同位素分离材料,本文以多孔氧化铝为载体,采用PdCl_(2)溶液以浸渍还原法制备了钯含量为40.1%(质量分数)的载钯氧化铝复合材料(Pd/Al_(2)O_(3)),并采用X射线衍射(XRD)、BET比表面积、透射电子显微镜(TEM)对其进行了分析,进而对其吸放氢压力组成等温线(PCT)、动力学、热力学及热致吸放氢循环性能进行了测试。结果表明,直径在8~50 nm范围内的钯颗粒存在于氧化铝载体的孔洞内,与纯钯相比,Pd/Al 2O 3复合材料的饱和吸氢量略有降低,吸放氢平台压均升高,平台表现出正斜率,吸氢速率较纯钯提高了5倍,吸放氢焓变和熵变值均降低。经2000次热致吸放氢循环后,Pd/Al 2O 3复合材料的饱和吸氢量和平台压均保持不变,吸氢速率略有提高,未出现钯颗粒的粉化或氧化铝球的破裂,具有良好的抗粉化性能。

SiCf/TC17/GH4169复合材料界面结构和元素扩散研究

采用多组元两步构筑成型方法并结合热等静压技术制备了SiCf/TC17/GH4169复合材料,研究了复合材料界面微观结构组成和元素扩散规律。结果表明,在SiCf/TC17/GH4169复合材料中,SiC纤维保持完整、圆度均匀,纤维和TC17合金形成了连续致密的TiC反应层,TC17钛合金和GH4169发生元素扩散,形成了多个反应层。GH4169中Ni、Fe、Cr扩散进入TC17,形成了TiNi_(3)、Fe Cr、TiNi、Ti_(2)Ni等反应产物,TiNi_(3)和FeCr呈交错分布,TiNi和Ti_(2)Ni各自均呈连续条状分布。TC17和GH4169形成的多个反应层总厚度为25μm,加入TC17过渡组元后,能够改善SiC纤维和GH4169界面相容性,避免纤维被高温合金侵蚀。

TiB+TiC含量对锻态钛基复合材料微观组织及力学性能的影响

通过3次真空自耗电弧熔炼、自由锻+旋锻的方式制备了不同TiB+TiC含量的颗粒增强钛基复合材料,研究了TiB+TiC含量对锻态钛基复合材料组织与力学性能的影响。结果表明,添加的B4C在基体中完全反应,TiC为唯一碳化物,TiB为唯一硼化物。经锻造后,钛基复合材料横向组织由球状、片状α相和包围在四周的β相组成,短棒状和块状增强相离散分布,而纵向组织由沿着流变方向被拉长的α相和β相组成,增强相沿着流变方向排列分布。当TiB+TiC含量为5vol%时,钛基复合材料表现出优异的综合性能,抗拉强度达到1291 MPa,延伸率为8.5%,磨损体积较相同工艺制备的TC4钛合金减少25%。当TiB+TiC含量增加到10vol%时,粗大的TiB增强相和微孔缺陷数量大幅增加,钛基复合材料的塑性和耐磨性被削弱。

含低熔点金属的镁合金与水反应试验研究

为了制备可与纯水反应的可溶镁合金,采用铸造方法制备了含低熔点金属(Ga、In、Sn)的8种不同成分镁合金,用XRD和SEM研究了试验合金微观结构,用排水法测试了试验合金与水反应的速率等。结果表明:Mg-6Ga、Mg-6Sn、Mg-6In、Mg-3Cu-2In 合金在纯水中不腐蚀;Mg-4.3Ga-1.7In、Mg-3.5Ga-2.5In、Mg-3Ga-3In 合金在纯水中持续腐蚀,且水温影响合金的溶解速率和腐蚀率;分析了试验合金在纯水中持续腐蚀的根本原因。

基于机器学习的增材制造用高温合金设计:研究现状与未来趋势

机器学习辅助材料设计是一种高效的合金设计方法,该方法结合高通量计算/实验技术能够极大推动材料领域的发展。然而,目前材料研究者尚未充分利用该方法。针对上述问题,详细介绍了基于机器学习的高温合金设计的基本方法,包括数据收集与预处理、模型建立与训练、合金性能预测等步骤,阐述了增材制造用高温合金的设计现存困难和亟待解决“权衡裂纹敏感性与高温性能”的关键问题,深入分析了机器学习在增材制造用高温合金设计中的必要性。从高温合金数据获取、性能预测、合金设计等方面梳理了机器学习辅助增材制造用高温合金设计的应用现状,指出了该领域目前存在的数据来源、建模范式、模型的应用与推广等核心问题,并对该领域后续的发展提供了建议。

微量元素Si对K452镍基铸造高温合金组织和力学性能影响的研究

研究了Si元素含量对K452镍基铸造高温合金标准热处理态微观组织形貌、拉伸和持久性能的影响。通过OM、SEM和EDS等表征及力学性能测试,发现在K452镍基铸造高温合金中,Si的添加量对碳化物形貌和分布有很大影响。由于Si元素含量的提高,分布于晶界上的碳化物数量随之增多。Si对拉伸强度的影响和Si的添加多少有关,低于0.5wt%的Si对合金抗拉强度影响不明显,可是Si添加量大于1.0wt%时,合金的抗拉强度明显减小。合金在900℃/200 MPa条件下持久寿命随着Si含量的增加而显著降低。

GH2132高温合金本构模型及大断面收缩率楔横轧成形研究

采用Gleeble-3800热模拟试验机对GH2132高温合金进行等温恒应变速率压缩实验,获取该合金在变形温度900~1100℃、应变速率0.01~10 s^(-1)范围内的真应力-应变曲线。对所得流动应力曲线进行摩擦与绝热修正,以消除试样热变形过程的绝热温升效应以及和砧子与试样间接触摩擦作用对实验结果的影响后,建立了考虑应变补偿的Arrhenius型本构模型。误差分析结果表明,其相对平均绝对误差不超过7%,可用于该合金高温变形行为研究。分析了具有大断面收缩率特征的GH2132合金楔横轧轧件的成形过程模拟,进一步验证了所建本构模型的准确性,为GH2132高温合金楔横轧工艺开发奠定了基础。