增材制造：实现宏微结构一体化制造

增材制造技术是基于分层制造原理发展而来的先进制造技术,是信息技术、新材料技术与制造技术多学科融合发展的产物,是当今世界各制造强国竞相发展的热点技术。基于增材制造材料逐点累积的成形过程,提出宏微结构一体化制造的学术观点。该方法在金属、陶瓷与复合材料的成形制造中有着其他制造方法难以替代的优势,可以实现制造短流程化,并推动大批量制造模式向个性化制造模式发展。列举近年在金属零件定向晶组织制造、光子晶体制造、生物组织器官支架制造方面的研究成果,论述宏微结构一体化增材制造技术的实现方法与工程应用,解决了传统制造技术难以解决的宏微结构一体化制造难题,给制造技术展示出全新的发展前景,为相关学科和产业发展提供有力的制造技术支撑。

矿物成分和细观结构与岩石材料力学性质的关系

岩石材料的宏观力学性质取决于其矿物成分和细观结构。使用材料试验机,测定了岩浆岩、化学沉积岩以及碎屑沉积岩9种岩样的力学性质参数。采用X射线衍射方法,测定了相应岩样的矿物成分。使用扫描电镜,观测了相应岩样的细观结构。分析了矿物成分和细观结构分别与力学性质参数的定性关系。对各组岩样的研究分析表明:存在于颗粒边界的裂隙会显著降低岩样的抗拉强度,长石矿物是岩样脆性的主要来源,颗粒大小和面理结构会对岩石的内摩擦角造成显著的影响,细晶花岗岩中较高的方解石含量使其抗压强度和弹性模量较小,细晶花岗岩中石英含量较高,其粘聚力较大;石盐晶体的细小与紧密堆积,造成了相应岩样的膨胀或蠕变特性,有机质的存在会对岩盐的力学性能产生显著的弱化;岩样中颗粒间的弱带,会弱化岩石材料的力学性能。深灰色泥岩中石英胶结物的次生加大现象,使得深灰色泥岩的力学性能得到提高。

铸态Mg-Sn二元合金的显微组织与力学性能

通过光学显微金相定量分析、SEM扫描电镜及EDX分析、XRD分析以及抗拉强度、显微硬度测试等实验手段,研究添加量0～10%（wt）Sn的铸态Mg-Sn二元合金的显微组织与力学性能.实验结果表明,显微硬度随Sn的增加而增加,Mg2Sn的第二相强化是主要原因.Sn≤5%（wt）时,合金的抗拉强度和伸长率随Sn的增加而增加,Sn的细晶强化起到了主要作用.Mg-10%Sn的抗拉强度、特别是伸长率降低,细晶强化作用消失和脆性的Mg2Sn颗粒数量增多是主要原因.

铒和钕对铸态ZK60镁合金显微组织和力学性能的影响

研究了铒和钕对铸态ZK60镁合金显微组织和力学性能的影响。结果表明:ZK60镁合金中添加Er或Nd能够细化晶粒,改变合金的显微组织。当ZK60镁合金中加入1.0%(质量分数)的Er或Nd具有最佳的细化效果,与原ZK60镁合金晶粒尺寸相比较,晶粒的平均直径由原来的33.0μm分别减少至23.6和25.2μm。添加Er或Nd的ZK60镁合金形成含有Er或Nd的稀土共晶相,其熔点为518℃。稀土共晶相对晶粒具有钉扎作用,提高合金在150℃时的抗拉强度。稀土共晶相的形态和分布对室温力学性能有显著影响。含有Er的共晶相析出数量较少,沿晶界不连续分布,提高合金室温强度的同时塑性略有改善,而含有Nd的共晶相形态粗大,析出数量较多,沿晶界网状连续分布,合金固溶强化效果明显减弱,室温强度和塑性均降低。

石墨烯增强铝基复合材料的研究进展

综述了石墨烯增强铝基复合材料在制备、性能和应用方面的研究进展。目前制备石墨烯增强铝基复合材料的方法相对有限,且材料性能在很多情况下不能满足应用需求。石墨烯增强铝基复合材料的研究仍然面临许多挑战。

水泥基材料界面过渡区结构及其性能的分析方法综述

界面过渡区(ITZ)是决定水泥基材料传输性能和耐久性的主要因素。针对界面过渡区结构与性能特点,综合国内外研究结果分析了各种不同的试样方法及其适用性。界面过渡区的传输性能对水泥基材料的耐久性具有重要意义,针对界面的传输性能的测试方法及其优缺点做了相关探讨。

Nb_2O_5对铁基合金激光熔覆层裂纹敏感性的影响

在45#钢基底上进行了铁基合金和铁基合金加Nb2O5的激光熔覆对比实验。通过工艺参数和Nb2O5含量的优选,获得了成形良好、无裂纹、组织致密均匀的高质量铁基激光熔覆层。采用渗透法观察熔覆层表面裂纹,利用金相显微镜和扫描电镜观察熔覆层横断面的显微组织,使用X射线衍射仪对熔覆层进行物相分析,并测试了熔覆层的硬度。分析结果表明,G312+0.6%Nb2O5(质量分数)熔覆层组织为细小的先共晶析出的碳化物等强化相均匀分布在由γ(Fe,N i)固溶体和多种金属间化合物组成的共晶体中,且生长方向不同。Nb2O5改善铁基熔覆层抗开裂能力的原因一方面是Nb占据晶界增强了晶界结合,另一方面,部分Nb2O5受C的还原作用生成NbC,先共晶析出,成为异质核,提高了凝固结晶过程中的形核率,使得熔覆层组织得以细化,且降低了熔体中的C浓度,减少了Cr(Fe)碳化物脆性相的体积分数,熔覆层韧性增强,裂纹敏感性降低。

ZL114A基座铸件铸造工艺设计与力学性能研究

应用于某战术导弹构件的ZL114A基座铸件选用开放式浇注系统与米字型横浇道结构设计,在低压充型下通过增设冷铁实现了自下而上的平稳充型与自上而下的顺序凝固,选择14 h的落砂开箱时间,基座铸件最大尺寸正偏差仅为0.7 mm,最大尺寸负偏差仅为-0.8 mm。经二次固溶T6热处理与低温稳定化后,合金材料的抗拉强度、屈服强度、伸长率与布氏硬度分别为340.7 MPa、265.7 MPa、7.8%与HBS94,晶界处的Mg_2Si强化相与球状Si相平均尺寸更加细小,分布更为均匀弥散,断裂机制为韧窝断裂与沿晶断裂。

酶法制备多孔玉米淀粉及其显微结构的研究

采用α-淀粉酶和糖化酶双酶协同制备多孔玉米淀粉,研究了加酶量、反应温度、pH值、时间等因素对多孔淀粉水解率和吸油率的影响,得出制备多孔玉米淀粉的最佳条件为:加酶量1%(以淀粉干基计),酶配比(α-淀粉酶:糖化酶)1:2,反应温度55℃,pH5.0,反应时间16h,所得多孔淀粉的水解率为53.45%,吸油率为98.48%,并借助于偏光显微镜、扫描电子显微镜(SEM)对产品的显微结构进行研究。

减缩剂对水泥基材料早期性能影响

混凝土减缩剂是一种能降低混凝土孔隙溶液表面张力的表面活性剂,能有效降低混凝土的收缩,但同时会对混凝土等水泥基材料的早期性能产生影响;综述了国内外对减缩剂水泥基材料早期水化反应、与水泥基材料中化学外加剂的交互作用、早期微结构、早期收缩性能、早期开裂性能与强度的影响的研究进展;结合研究结果探讨了水泥基材料在减缩剂掺入后各项早期性能的下一步研究方向。

激光成形修复定向凝固DZ125镍基高温合金的组织研究

对铸造定向DZ125镍基高温合金进行单道多层的激光成形修复实验。通过光镜、扫描电镜及透射电镜对修复区进行微观组织观察,使用电子探针测定不同相及修复区枝晶干的成分。结果表明:通过激光成形修复的方法可以获得自原基材外延生长的细小定向γ柱状晶修复组织,仅在修复区顶部存在部分取向杂乱的等轴晶组织;相比铸造定向基材,沉积态修复区呈现快速外延定向凝固特征,导致修复区的成分偏析减轻,枝晶间MC型碳化物相比基材显著细化,呈块状或正八面体状,枝晶间同时分布有γ+γ′共晶组织;另外,在γ枝晶干分布着近100 nm的球形γ′相,且部分γ′相颗粒有相互连接的现象。总体上,修复区一次枝晶间距、碳化物及γ′相尺度比修复基材显著细化。

微小型结构件的微细切削技术

高深宽比微小型结构件是微小型系统的重要组成部分。微细切削技术是面向金属与合金等非硅材料微小型结构件精密加工需求的关键技术。本文结合微小型结构件的特点和加工需求,分析了微细切削的主要形式、适用范围和技术体系。在此基础上讨论了微细切削在加工材料、三维加工能力等方面的技术优势,以及在加工精度和批量生产能力等方面的局限性。认为微机电引信和微惯性器件将是微细切削的主要应用方向。

喷射成形技术在高合金工模具钢中的应用

采用喷射成形技术制备了几种高合金工模具钢,并与其它工艺生产的同成分钢种作了比较。喷射成形工模具钢具有均匀细化的等轴晶组织,经过热加工和球化退火处理,可以获得与粉末冶金工模具钢相似的球化组织和硬度值,从而为顺利地进行后续淬、回火热处理创造条件。利用喷射成形技术制备高合金工模具钢具有明显优势,它既能有效解决成分偏析、组织不均匀性、网状碳化物等问题,又能明显简化生产工艺,降低生产成本和能源消耗等,具有明显的潜在市场竞争力。

铸态QT600-10合成球墨铸铁凸轮轴组织及力学性能

利用废钢和回炉料而不用生铁,采用壳型铸造技术生产QT600-10合成球铁凸轮轴。其抗拉强度≥600 MPa,断后伸长率≥10%;基体组织是细小铁素体和细片状珠光体的混合基体,基本无自由渗碳体和磷共晶存在。强韧性QT600-10合成球铁凸轮轴的研制成功,可进一步提高汽车、内燃机凸轮轴的使用性能和使用寿命,是凸轮轴在材质方面的一个重大创新。

真空去应力退火对TC21钛合金残余应力的影响

采用盲孔法测定了TC21钛合金在不同真空去应力退火理制度下的残余应力,真空去应力退火温度分别为500、550、600和650℃,退火时间分别为2 h和4 h。结果表明:随退火温度升高、时间延长,残余应力呈明显下降趋势。600℃保温2 h后空冷的残余应力降幅达到80%,约为34 MPa,与显微组织分析相吻合。因此,TC21合金最佳热处理制度为加热至600℃保温2 h后空冷。

SP700钛合金的多重固溶时效处理

采用扫描电镜和金相显微镜观察不同固溶时效热处理SP700合金的显微组织,并研究了其室温力学性能。结果表明,随着循环热处理次数的增多,初生α片层的数量减少,并出现较多的次生α'相,强度和硬度逐渐升高,塑韧性先升高后降低。采用适当的多重固溶时效处理可以有效地调节材料的显微组织参数,形成弥散分布的α+β相和高密度的位错。

CLAM钢在600℃长期时效过程中的组织演化

采用金相显微镜、透射电镜对中国低活化马氏体钢(CLAM)在600℃长期时效过程中的显微组织演变规律进行研究。结果表明,随时效时间的延长晶粒发生了一定粗化,晶粒尺寸由时效前约8μm增加到10μm(1000 h时效),金相显微组织没有发生明显变化;马氏体板条随保温时间的延长而增大,宽度由时效前的约400 nm增加到约700 nm(1000 h时效)。析出物发生了明显粗化,经过1000 h时效后最大尺寸约为200 nm。

木材/二氧化硅复合材料的微细构造

为弄清木材/二氧化硅复合材料的微细构造,通过固体膨胀率与增重率的关系、吸湿处理中尺寸变化、X射线衍射分析(XRD)、扫描电子显微镜分析(SEM)及能量色散X射线分析(EDAX)等方法,研究了该复合材料的微观构造特性.结果表明:①木材/二氧化硅复合材料的增重率与含水率成正相关.固体膨胀率随着增重率的增加而增加,弦向固体膨胀率大于径向.尺寸变化率随着增重率的增加而减小.②SEM分析表明,二氧化硅凝胶存在于木材细胞空隙中.EDAX分析表明,气干材、水调湿材制备的木材/二氧化硅复合材料,二氧化硅存在于木材细胞壁中,硅的质量百分含量分别为4.11%、9.22%;饱水材制备的木材/二氧化硅复合材料,二氧化硅存在于细胞壁及细胞腔中,硅的质量百分含量为17.07%.③XRD分析表明,二氧化硅存在于木材细胞壁中,生成的二氧化硅凝胶越多,结晶度越小.

电磁搅拌对ZL401组织与性能的影响

在ZL401合金凝固过程中施以电磁搅拌,并改变搅拌温度和励磁电压;对凝固后的合金进行组织观察和性能测试。结果表明:电磁搅拌能明显细化组织。当励磁电压由0升高至90V时,合金的晶粒越来越细,硬度及耐磨性随之提高;当搅拌温度由700℃升至730℃时,合金的凝固组织先细化而后变得粗大,硬度和耐磨性先增大后下降;当搅拌温度为720℃,励磁电压为90V时,制得的合金性能最好。

机械合金化制备Cu-C纳米晶复合粉末

研究了不同碳含量的铜-碳混合粉末在机械合金化(MA)过程中组织形态特征及微观结构的变化规律。结果表明:粉末X射线衍射图谱的宽度和强度均随着球磨时间的延长逐渐加宽和降低,这是晶粒细化和晶格畸变共同作用的结果。随着机械合金化的进行,粉末的晶粒度逐渐减小,而晶格常数和畸变则不断增加。不同碳含量的铜-碳混合粉末经过24 h高能球磨后均可形成纳米级的铜基过饱和固溶体。机械合金化导致复合粉末晶粒的细化、晶界、亚晶界以及位错等晶体缺陷密度的增加是形成过饱和固溶体的主要原因。