增材制造Ti-6Al-4V合金晶粒形貌调控研究进展

增材制造(3D打印)为复杂零件快速制造、构件高性能修复和产品个性化定制提供了新的技术途径。针对应用较为广泛的Ti-6Al-4V(TC4)合金,3D打印技术的快速发展为TC4合金构件的设计、优化与制造提供了新的动力。然而,大部分3D打印TC4合金中初生β-Ti晶粒通过外延生长形成了贯穿多个沉积层的粗大柱状晶,导致显著的力学性能各向异性。为此,大量的研究工作致力于3D打印TC4合金微观组织与力学性能调控,以改善力学性能各向异性、优化强度与塑性匹配。本文综述了近几年3D打印TC4合金初生β-Ti晶粒形貌调控及其对力学性能影响的研究成果,重点介绍了提高初生β-Ti晶粒形核率和再结晶机制作用下的柱状晶向等轴晶转变的方法,相应的微观组织与力学性能演变规律,以及柱状晶和等轴晶混合组织的科研价值与应用潜力。本文还指出了现有技术的优势与不足,并展望了基于调控初生β-Ti晶粒形貌优化TC4合金强度与塑性匹配的3D打印技术研究的发展方向。

Si_3N_4原料对形成长颗粒Ca-α-Sialon晶粒形貌的影响

针对固定组份的Ｃａ－α－Ｓｉａｌｏｎ系统Ｃａ１.８Ｓｉ６.６Ａl５．４Ｏ１．８Ｎ1４．２），选用不同α／β比值的Ｓｉ３Ｎ４原料考察了无压烧结所得材料的致密化、反应过程及显微结构的异同．结果表明，由两种不同α／β比值的Ｓｉ３Ｎ４原料制备的材料,其α－Ｓｉａｌｏｎ晶粒均具有长颗粒的形貌．但高β相含量的Ｓｉ３Ｎ４原料会阻碍Ｃａ－α－Ｓｉａｌｏｎ材料的致密化，β－Ｓｉ３Ｎ４相完全消失的温度也比α－Ｓｉ３Ｎ４提高了１００℃．原料中β相含量废越高，提供给α－Ｓｉａｌｏｎ生长的核心数越少，α－Ｓｉａｌｏｎ晶粒越粗大，而且高β相Ｓｉ３Ｎ４原料中宽的粒径分布导致所得α－Ｓｉａｌｏｎ晶粒尺寸的不均匀．

CaTiO_3的水热制备及其晶粒形貌研究

以无水CaCl2、TiCl4和NaOH为原料,用一步水热法合成了CaTiO3晶体粉末。研究了反应温度、反应时间和NaOH初始浓度等水热条件对CaTiO3产物结构和形貌的影响。结果表明:100℃下即可水热合成纯相CaTiO3。最佳制备条件为200℃,6h,NaOH初始浓度2.0mol/L。在该条件下获得的CaTiO3粉体结晶性好,晶粒近似立方体形状,尺寸分布均匀,平均粒径约1μm。乙二醇或丙三醇等多元醇分散剂的加入可改变晶粒的形貌,得到"十字架"形的CaTiO3晶体。

在金属Ni基带上用非真空涂覆工艺制备的YBCO厚膜的晶粒形貌

在金属Ni基带上,用旋转匀胶(spin)和刷涂(printing)工艺制备了具有c轴择优取向的YBCO厚膜。厚膜表面晶粒呈菊花和多边形状,菊花尺寸在0.2mm～0.5mm左右,最大尺寸达到1mm以上,多边形状晶粒常处在菊花的中心位置。MPMP(改进的粉末熔化工艺粉)试样中主要出现菊花状晶粒,多边形状晶粒基本不出现。PMP(粉末熔化工艺粉)试样中2种形貌晶粒一般同时存在。添加中间层(Ag)之后,菊花状晶粒消失或变得很不明显。X射线衍射分析表明,试样主要由Y123相组成并具有一定的c轴择优取向。

不同晶粒形貌ZSM-5分子筛的表征及催化甲苯歧化反应

制备不同晶粒形貌的ZSM-5分子筛,采用XRD、SEM和NH_3-TPD对合成的分子筛催化剂进行表征,并用于甲苯歧化反应考察其催化性能。结果表明,制备的ZSM-5分子筛具有六角板状、棒状和球状3种晶粒形貌,棒状分子筛暴露较多的(101)晶面,六角板状分子筛暴露较多的(020)晶面,棒状分子筛具有较高的强酸量。在甲苯歧化反应中,ZSM-5分子筛催化剂暴露(101)晶面越多,产物扩散可能性越大,导致甲苯转化率提高,强酸量增加使副反应发生可能性增大,降低二甲苯选择性。

一种面向对象的三维晶粒形貌建模与仿真算法

该文提出了一种面向对象的三维晶粒形貌建模与仿真算法。首先根据微观组织模拟的连续形核模型和晶粒的细胞生长法 ,对多晶体凝固过程中晶粒组织进行了三维建模 ,同时利用面向对象的方法 ,构造多晶体的数据模型和数据结构 ,然后采用CSG/B -rep混合表示方法建立多晶体仿真模型。该算法在PC机上实验表明 ,所建模型较好地仿真了三维多晶体组织 ,因此该算法为多晶体晶粒三维形貌的研究提供了一种行之有效的方法。

碳化硅添加对氮化硅转化为碳化硅晶粒形貌的影响

以氮化硅(Si_3N_4)、石墨为原料,碳化硅(SiC)为添加剂,利用Si_3N_4转化法制备出形貌变化的等轴状和长柱状SiC晶粒,采用X射线衍射仪、扫描电子显微镜及能量色散X射线谱对产物的结构与微观形貌进行了表征,重点研究了SiC添加量对SiC形貌的影响及其影响机理。结果表明,SiC的添加有助于Si_3N_4转化为α-SiC,并影响其形貌和尺寸。随着SiC添加量的增加,制得的SiC晶粒由长柱状转变为等轴状,晶粒的尺寸也急剧减小。高温条件下,Si_3N_4首先分解为硅蒸气和氮气,硅蒸气又与石墨发生气-固反应生成小晶粒的SiC,继而发生重结晶。碳化硅的添加导致晶粒缺陷也增多,由于气态硅蒸气可在晶粒缺陷处重结晶,使SiC晶粒的取向生长得到抑制,促进了等轴状SiC晶粒的生成。

GH4169合金及其锻件晶粒形貌的特点

热加工过程中变形参数的变化会使GH4169合金和锻件形成不同的晶粒形貌,而且在随后低于静态再结晶温度固溶热处理时其晶粒形貌不会改变.因此,评定晶粒度级别时需要采用与以往不同的方法.

筒体温度对微熔铸半固态熔体A356晶粒形貌的影响?

研究了筒体温度对微熔铸半固态熔体铝合金A356晶粒形貌的影响。结果表明,在适当的温度范围内,配合一定的搅拌速度,能形成组织均匀、晶粒细小的A356半固态熔体。当筒体温度为620℃,搅拌速度为800r·min-1时,可制备出优质的A356半固态熔体,α-Al晶粒的平均尺寸为54μm,形状因子为0.66,熔体样品的显微硬度为HV 82.97。

合金凝固过程中晶粒尺寸和形貌演变的预测

利用合金凝固热力学原理,考虑形核和长大因素,建立了预测晶粒尺寸的理论模型,利用该模型对近液相线半连续铸造6061铝合金的晶粒大小进行了计算,所得结果与实验吻合.在所计算的几个条件中,最大误差小于7μm.通过对凝固过程中液固界面法向生长的扰动分析,得出球形晶粒周边主导波长及对应于一定波数的临界晶粒直径表达式.利用此关系可以很好地解释球晶生长及其向一定形貌的枝晶转变的条件及机理;对于分析凝固组织中不同形貌晶粒的形成及演化具有参考价值;对于半固态合金组织性能预测及其制备工艺优化具有实际意义.

基于VRML的多晶体晶粒三维形貌仿真及可视化研究

根据模拟微观组织的Rappaz连续形核模型和晶粒的细胞生长法,对多晶体凝固过程中晶粒组织进行了三维建模。采用面向对象的计算机仿真技术,完成了晶粒的三维形貌仿真;并将由VC++6.0中生成的仿真结果自动转换为VRML2.0的场景文件;在浏览器中实现了三维仿真结果可视化。在PC机上实验表明,所构建的仿真模型较好地模拟了多晶体的三维形貌;从而为多晶体材料微观组织的研究提供一种三维数字化模型。

热处理工艺对16Mn钢晶粒形貌的影响

探讨再结晶退火和正火对16Mn钢晶粒形貌的影响。结果表明,560℃再结晶退火,保温15 min和860℃正火,保温12 min时,16Mn钢晶粒的等轴化效果较好。在本研究中,正火引起16Mn钢晶粒等轴化的效果较再结晶退火明显。

显示合金晶粒形貌的新方法的探索

合金的晶粒尺寸、形态、分布以及晶界间的位向差等几何形貌信息对合金的力学性能和物理性能有重要影响。因此，准确表征出这些参数对进一步挖掘金属材料的潜能、合金的制作以及观察了解合金在各种工艺（冷热加工）过程中组织的演变规律、对材料的影响等方面有着重要的工程意义。

500℃过热蒸汽中Zr-4基体晶粒形貌和取向对应力状态的影响

为了研究Zr-4合金在500℃条件下晶粒取向与晶粒形貌对合金基体应力分布状态的影响,采用有限元方法构建3种不同晶粒形貌的模型,以(1120)取向晶粒占比为变量,施加氧化膜生成时作用于基体的应力,对Zr-4合金基体晶粒变形进行模拟。计算结果表明:晶粒形貌与不同取向晶粒占比对基体晶粒内部应力分布的影响有明显规律。随着(1120)取向晶粒占比(14.6%~85.4%)的增加,Zr-4合金基体中的应力集中现象更加明显,应力集中将促使Zr-4合金在腐蚀中加速失效;晶粒形貌越接近等轴晶,模型中应力分布越均匀,应力值趋于减小,有利于提高合金的耐腐蚀性能。

熔盐法制备各向异性形貌晶粒的研究进展

各向异性形貌的单晶颗粒由于有特定的形貌和结晶学方向,从而区别于同组分的等轴粉末颗粒,而且由于其具有某些特定的性能,在功能陶瓷领域的应用越来越广泛。熔盐法是制备非等轴状晶粒的重要方法之一,本文概述了熔盐法制备非等轴状低维度单晶颗粒的基本原理及熔盐选择的基本原则,阐述了不同工艺条件(反应温度及时间、熔盐种类及其含量等)对产物尺寸及形貌的影响,并探讨了各向异性形貌单晶颗粒的形成机理。

WC-Co合金中晶粒形貌的演变机制及其对合金性能的影响

本文研究WC-Co合金中晶粒形貌的演变机制,以及C含量、晶粒抑制剂VC对WC晶粒形貌的影响,探讨了WC晶粒形貌对硬质合金硬度和断裂韧性的影响。结果表明:高C合金中更容易出现三棱柱形晶粒形貌,而低C合金中更容易出现截断三棱柱形晶粒形貌;添加VC的合金WC晶粒会产生尖锐的三角棱柱晶粒,未添加VC的合金WC晶粒形貌为截断三棱柱形;板状晶粒合金的宏观硬度更高,且更容易发生穿过WC晶粒的断裂,三棱柱晶粒以WC晶粒边界断裂为主,其次是沿WC/Co边界断裂。

奥氏体晶粒尺寸和形貌对低合金TRIP钢机械性能的影响

研究了奥氏体晶粒尺寸和形貌对塑性诱导转变（TRIP）钢的特殊硬化的影响，用扫描电镜（SEM）中的电子背散射衍射（EBSD）对弯曲试验中的奥氏体的形变和转变进行了观察，有限元模型（FEM）用于弯曲试验和拉伸试验中由硬化特性获得的EBSD结果中，结果表明一个简单原理可用于应力分配和短纤维增强复合模型中，发现马氏体转变速率和奥氏体及马氏体中流变应力差二者明显影响硬化速率，在开始阶段主要是大晶粒形变，但是，因为在开始就转变成马氏体，因此与较小晶粒不能达到相同的应变水平。复合模型用于研究晶粒形貌对载荷分配的影响，复合模型结果表明较高的应力促进了晶粒较大的延伸，由EBSD观察证实了这些晶粒趋向于较早形变。

人造金刚石的晶粒性质及其相互关系的研究

金刚石颗粒的性质包括粒度、形貌、包裹体、冲击强度、抗压强度、热稳定性等 ,这些性质决定了金刚石工具最终的使用性能。本研究用 9种GE公司的金刚石为样品 ,对金刚石的上述性质进行了系统的测量 ,考察了诸性质之间的相互关系。我们的测量结果表明 :金刚石的机械性质与晶粒的形貌以及晶体内部的杂质含量等性质之间存在着重要的相互关系 ;在同种晶粒粒度条件下 ,随着品级的升高 ,机械性质冲击强度、热稳定性逐渐升高 ;在晶体形貌方面如等轴度、粗糙度、椭圆度、晶粒度、浑圆度也随品质的升高逐渐改善 ;磁化物含量越低 ,金刚石的抗压强度。

γ-α相变中不同晶界特征下铁素体生长形貌的相场模拟

利用多相场模型模拟了奥氏体(γ)-铁素体(α)相变过程中不同晶界特征下铁素体晶粒的形貌与生长动力学.模型中通过能量梯度系数和耦合项系数的协同变化定量表达晶界能与晶界迁移率的各向异性,同时固定相场界面宽度来保证计算精度.模拟结果显示:随着原奥氏体晶界能与铁素体-奥氏体晶界能比值σ_(γ,γ)/σ_(α,γ)的增加,三叉相界面处的平衡角β减小,铁素体晶粒沿原奥氏体晶界与垂直于奥氏体晶界方向的生长速率差变大.铁素体与奥氏体晶粒间的晶粒取向越接近,铁素体生长越缓慢.模拟结果可描述铁素体晶粒生长形貌的多样性,与实验结果符合.

强磁场下Fe-C合金中碳的质量分数对先共析铁素体形貌的影响

选用高纯Fe-0.12C,Fe-0.36C,Fe-0.52C及Fe-0.76C合金为实验材料,研究了强磁场退火条件下碳质量分数对Fe-C合金先共析铁素体晶粒形状和尺寸的影响规律.结果表明:随着碳的质量分数增加,先共析铁素体晶粒不但逐渐减小,而且沿强磁场方向伸长并呈链式排列的趋势不断减弱.产生上述现象不仅与Fe-C合金的碳质量分数相关,而且与先共析铁素体晶粒的形成过程和演变机理密不可分.并由此提出一种碳质量分数较低的Fe-C合金在先共析铁素体转变初期或碳含量接近共析成分的Fe-C合金中先共析铁素体晶核距离较远的情况下适用的磁偶极子模型.