热力耦合作用下钛合金动态相变行为研究进展

变形和相变是钛合金材料研究的两大主题。钛合金通常需要进行一系列复杂的热机械处理,以获得与服役性能相对应的微观组织,其热变形行为是典型的热力耦合作用过程,变形和相变可能同时发生,并相互影响,是目前的研究热点之一。然而,由于热变形过程中不可避免地存在动态回复/再结晶、组织破碎/球化、大量变形缺陷、变形织构以及应力诱发相变等演化行为,加上热力耦合作用下相变动力学特征和变体选择晶体学机制的改变,直接导致钛合金热变形过程中的动态相变行为变得极为复杂,深入揭示其演变规律也变得相当困难。本文针对钛合金热变形过程中的动态相变行为,总结了钛合金变形及相变的主要特征和规律,重点从析出相形貌特征、变体选择机制和相变动力学特征三个方面介绍了钛合金热力耦合作用下动态相变规律的研究进展,并对其研究发展趋势进行了总结和展望。

AlCoCrFeNi系高熵合金的强化方法研究

高熵合金又称多主元合金,相比以一种或两种元素为主的传统合金,高熵合金多主元合金设计理念使其具有独特的成分和结构特征,并展示了一系列优异的力学性能。尤其是近几年,拥有高强度、高延性的高熵合金纷纷涌现,这对高熵合金的工程化应用具有重要意义。合金的力学性能与其强化方法息息相关,如细晶强化、共格第二相强化、非共格第二相强化、异质结构强化等强化机制都在不同程度上促进了高熵合金力学性能的提升,因此了解高熵合金的强化方法和机制对于提高高熵合金的力学性能、探索新的高强高韧高熵合金意义重大。AlCoCrFeNi系高熵合金是目前研究最多的高熵合金体系之一,而且该体系高熵合金还可以通过成分调节和热机械处理工艺产生不同的组织结构,进而引入不同的强化机制,合金的力学性能可以在大范围内进行调控,是研究高熵合金强化方法的理想材料。基于此,本文以AlCoCrFeNi合金体系为对象,回顾了近几年高熵合金的强化方法,包括细晶强化、共格第二相强化、非共格第二相强化和异质结构强化,进一步阐述了成分和组织调控对高熵合金强化方法和力学性能的影响。不仅如此,本文还通过总结复合强化机制,发现必须借助多种强化机制才能使合金达到更高的强度,最后对高熵合金的强化方法研究进行了简单的总结和展望。

数据驱动的航空发动机材料设计研究进展

数据驱动的材料设计模式已经广泛应用于材料科学研究中,以加速新材料从研发到应用的进程。机器学习技术能够挖掘数据中存在的潜在模式或规律,是数据驱动材料设计模式的研究关键和热点。其中,基于主动学习的策略已经成功指导了多种新材料的开发。首先,介绍了主动学习的研究思路、构成要素及每个环节常用的方法;其次,以航空发动机材料如高温合金、钛基合金、复合材料、热障涂层等为例,介绍了机器学习在其中的具体应用和取得的效果;最后,针对航空发动机材料的恶劣服役环境,展望了机器学习应用于航空发动机材料面临的挑战,并提出了可能的解决方案。

基于数字孪生技术的金属材料力学标准试样高通量制备与原位铸造性能测试系统

高通量计算、高通量实验和数据库技术为材料基因工程的3大关键技术,旨在高效地加速新材料的设计与开发。在我国新一代智能制造的驱动下,数字孪生技术已成为数据驱动的集成计算材料工程关键技术。面向精密铸造技术领域,建立了集成金属材料铸造性能测试与标准试样高通量制备的方法和系统,包括浇铸系统优化设计、铸造性能测试系统和标准试样高通量制备阵列组合系统。通过集成3D打印技术,实现了系统设计和制备的数字孪生。结果表明,采用试样高通量制备阵列组合系统制备的蜡模精度高,功能模块单元组合灵活、方便,可节省传统压模工具,降低成本、减少力学性能试样的加工量和原材料消耗、缩短制备时间。该集成系统还可用于砂型、金属型和精密铸造等试样的制备过程。

基于数字孪生技术的钛合金管件智能制造与质量管控的数字线程

数字时代驱动下的智能制造技术是国家工业水平的重要体现。在国内外材料基因工程、集成计算材料工程、数字孪生等众多国家战略的促进下数字化技术获得了蓬勃发展,有助于满足材料、工艺、产品、装备等关键部件的全寿命周期质量管控的迫切需求,并将加速传统制造业向数字化、网络化和智能化的转型升级。本文基于数字孪生全流程和全寿命周期大数据的数字线程,介绍了钛合金管件智能制造与质量管控的典型铸造和挤压工艺及其材料组织性能控制的关键技术,旨在开发有效提升材料及其产品智能开发设计和智能制造的关键技术。其中,铸造过程样品和样件的智造技术主要包括凝壳炉设备的数据感知和可视化运行监测,以及铸造样品的铸造性能和标准试样高通量制备。通过对钛合金管件进行模板化、标准化、流程化的智能设计,工艺模拟仿真技术以及制造过程中工艺数据的自动化采集,提出了样件加工生产中热处理工艺组织调控的算法模型。这些关键技术的应用将有利于原材料性能的快速测试,提高钛合金管件制造过程和质量管控的效能,节省时间和成本,以期为智能制造技术的发展提供重要技术支撑。

单晶高温合金热腐蚀行为及其改善方法研究现状

单晶高温合金是制造航空发动机及燃气轮机热端涡轮叶片的重要材料,然而单晶叶片工作环境中腐蚀性燃气的存在严重影响了其服役寿命。本文围绕单晶高温合金的热腐蚀行为回顾了近年来镍基单晶高温合金的发展历程,针对单晶高温合金的典型应用和真实服役条件,介绍了高温熔盐热腐蚀机理模型、应力腐蚀与热腐蚀疲劳,以及热腐蚀行为的取向各向异性。从成分调控、稀土元素添加、防腐涂层和表面改性技术等4个方面介绍了单晶高温合金抗热腐蚀性能的改善方法。最后,根据对现有研究成果的分析,总结了单晶高温合金热腐蚀研究面临的挑战,提出了未来单晶高温合金热腐蚀行为领域可能的研究方向。

大力开展基于智能技术的数字化战例库建设

战例研究是进行军事问题研究的重要基础,也是汲取战争经验、深化军事斗争准备的现实需要。开展战例研究的前提是建立起知识体系完备、检索运用便捷的战例库。随着智能技术的发展,战例数据的标准化描述、规范化存储、智能化分析成为可能,极大地支撑了便捷、高效的数字化战例库系统开发工作。本文首先从战例研究的重要性入手,分析了当前战例运用和研究的基本现状,梳理了存在的典型问题;其次,从数字化技术对战例描述和战例库建设的影响角度剖析了数字化战例库构建的基本需求;最后,通过对智能技术的把握,分析了智能技术对数字化战例库构建的支撑作用,并对如何开展基于智能技术的数字化战例库建设提出了初步设想。

基于机器视觉的钛合金焊接过程非平衡凝固组织性能智能控制

信息技术的发展使制造业逐步向“智造”转变。人工智能技术已成为精密铸造、焊接和增材制造等制造工艺由控形走向控性的共性关键技术。在这些工艺中非平衡凝固组织性能调控机理是限制其发展的基础科学问题。基于先进的人工智能技术发展控形控性一体化技术、构建完善的工艺质量体系对推动铸造、焊接、增材制造等制造工艺迈上新的台阶至关重要。与传统的物理冶金和铸造相比,增材制造、焊接、激光熔覆修复、单晶生长等过程的核心理念是“控制微区冶金过程”,即通过控制温度梯度、凝固速率、熔池尺度等关键工艺参量的作用机制,从微观上揭示非平衡条件下固液两相区组织结构和形貌演化规律,特别是合金元素的偏聚行为,界面的传热和传质特性、形核与长大、柱状晶-等轴晶转变、枝晶的竞争生长等。集成计算和实验方法的结合将为智能制造、增材智造和太空智造中先进金属材料的成分-工艺-组织-性能调控提供共性技术和理论支撑。本文以典型的焊接中非平衡凝固组织性能调控为研究方向,对近年来基于视觉传感的焊接调控技术取得的研究成果和进展进行了梳理。归纳了面向复杂工业环境的智能焊接关键技术、先进应用和技术挑战等,展示了基于数字孪生车间的钛合金焊接视觉学习结果。

胶原/HA复合涂层多孔钛的细胞响应行为

为提高医用多孔钛的表面活性及生物相容性,以纤维烧结多孔钛为载体,采用碱热处理+模拟体液等化学方法进行羟基磷灰石(HA)沉积,随后进行水溶性胶原涂覆,制备具有三维贯通孔结构的胶原/HA复合涂层多孔钛。研究了胶原/HA复合涂层的表面形貌及化学成分,探讨复合涂层的形成机理;进行体外细胞毒性实验并分析了多孔钛表面细胞响应行为。结果表明,胶原/HA复合涂层在钛纤维表面均匀附着,胶原的填充连接可修复HA涂层表面的微裂纹,有利于小鼠前成骨细胞的黏附、增殖及分化,促进细胞的孔内跨纤维生长。胶原/HA复合涂层可以得到更好的细胞响应,对于促进早期骨与植入体的固定有很大的潜力。

强磁场下退火提高增材制造Ti-6Al-4V合金力学性能的研究（英文）

基于提出的一种崭新的磁场驱动方法有效地提高了激光选区熔化Ti-6Al-4V合金的力学性能。通过X射线衍射、光学显微镜、扫描电子显微镜和原子力显微镜,系统地表征了初始态和在7 T强磁场下退火30 min的样品的微观结构。其中,退火温度分别选取在低于β转变温度的400和800℃,以及高于β转变温度的1200℃。键合电荷密度不仅可以表征由Al和V原子引起的晶格畸变,还可以从电子和原子本质上揭示固溶强化机制和马氏体相变机制。由于退火时间较短,经7T强磁场400和1200℃退火的试样的极限抗拉强度和伸长率均比初始态的试样有所提高。上述结果表明,通过热和磁场的耦合效应,可以预期改变激光选区熔化Ti-6Al-4V合金的相变热力学,进而有效地优化其微观结构。这一设想的验证将有助于开发一种有效提高增材制造材料的力学性能的新型磁场驱动方法。

双态/近γ组织TiAl合金的变形机制图谱：构建及应用（英文）

当金属材料承受应力时,某些独立或非独立的变形机制可同时被激活。对于变形动力学极其复杂的γ-Ti Al基合金,定量描述每个变形机制的一般性本构行为、预测指定加载条件下的主要变形机制具有非常重要的科学和实际意义。为此,本研究针对具有双态/近γ组织的Ti Al合金,构建了同时考虑6种机制的变形机制图谱,并详细分析了其形貌特征,探讨了晶粒度的影响。研究表明,本研究所提出的变形机制图谱是理解Ti Al合金变形机制、预测变形动力学的有力工具。特别是该变形机制图谱可为Ti Al合金设计及变形工艺制定提供重要借鉴。

Influence of 1.0 wt% Li on Precipitates in Al-Zn-Mg-Cu Alloy

Microstructure control always plays a key role in enhancing properties of high-strength Al alloys. Attempts to improve the microstructure of 7000 series alloys by addition of 1.0 wt% Li have been made for a long time, but unsystematically. This article compares the microstructural features of 1.0 wt% Li-containing A1-Zn-Mg-Cu alloy with those of Li-free Al-Zn-Mg-Cu alloy by using differential scanning calorimetric （DSC） techniques, Vickers microhardness and transmission electron microscopy （TEM）. The results show the dominance of Guinier Preston （GP） zones, η＇ or η phases in 1.0 wt% Li-containing Al-Zn-Mg-Cu alloy, and confirm the capability of Li to retard the rate of precipitates growth and coarsening.