AZ91D镁合金表面激光等离子复合喷涂Al-Si/Al＋Al_2O_3涂层的研究

利用一种全新的激光等离子同时复合喷涂加工技术,成功在AZ91D镁合金表面制备了Al-Si/Al+Al2O3涂层,并研究了激光功率对涂层结构和性能的影响。利用SEM、光学显微镜法、XRD、显微硬度计等分析测试手段研究了在不同激光功率下的涂层形貌、孔隙率、相组成、显微硬度。结果表明:Al-Si过渡层明显改善了涂层与基体的结合,当激光功率为1800W时,涂层中未熔颗粒最少,涂层最致密;涂层仅存在Al和稳定态α-Al2O3两种相,没有残留的亚稳态γ-Al2O3相;涂层的孔隙率随着激光功率的增加而降低,由4.5%降低到2.6%,但激光功率超过1800W时,涂层孔隙率不降反而增加;喷涂后,硬度由HV0.0555增加到HV0.05275,涂层表面的显微硬度最大,并随激光功率的增加而增加,但当激光功率增加到2000W时,涂层硬度不再增加反而略有降低。

TiAl＋Nb系中一个新的三元有序金属间化合物的结构

应用ＳＥＭ和ＴＥＭ研究了ＴｉＡｌ＋Ｎｂ金属间化合物的组织及相结构．当Ｎｂ含量为２０ａｔ．－％时发现一个新的三元有序金属间化合物γ_１相，选区电子衍射分析为四方结构，点阵常数为ａ＝０．５５８－０．５８４ｎｍ，ｃ＝０．８１５－０．８４５ｎｍ．同时利用能谱确定了γ_１相的成分，在含１１ａｔ．－％Ｎｂ的合金衍射图中出现了γ－ＴｉＡｌ相的超结构斑点．随着Ｎｂ含量的增加，从γ－ＴｉＡｌ到γ_１相的转变是一个连续有序化过程．

腐蚀促进位错发射、运动及SCC形核的TEM原位观察（Ti_3Al＋Nb──甲醇体系）

在ＴＥＭ中研究了Ｔｉ_３Ａｌ＋Ｎｂ在甲醇中的应力腐蚀开裂（ＳＣＣ）过程，结果表明，腐蚀过程能促进位错发射、增殖和运动；当其发展到临界条件时，纳米级应力腐蚀裂纹就在无位错区或裂尖形核。

机械合金化制备γ－TiAl＋Ti_2AlN纳米复合材料

研究了Ｔｉ_（５０）Ａｌ_（５０）混合粉末在氮气氛的机械合金化过程。球磨３０ｈ后Ｔｉ_（５０）Ａｌ_（５０）混合粉末已形成非晶合金；经适当的热处理，可原位形成纳米复合材料γ－ＴｉＡｌ＋Ｔｉ_２ＡｌＮ。

Al＋MgF_2镀层反射镜

用真空蒸发和电子束蒸发的方法，在Ａｌ膜外表面镀一层２０～３０ｎｍ的ＭｇＦ２保护膜。制成紫外反射镜。其反射率为８８％，且有抗腐蚀、耐磨损的良好性能，有广阔的应用前景。

含Cr铸造Ti_3Al＋TiAl合金的室温拉伸断裂行为

研究了Ｔｉ－４４．９Ａｌ（ａｔ－％）合金和Ｔｉ－４４．３Ａｌ－３Ｃｒ（ａｔ－％）合金的室温拉伸断裂过程。结果表明，Ｃｒ提高了合金的塑性。塑性的提高与含Ｃｒ合金含有更多的γ－ＴｉＡｌ相和形成由细晶γ和α＿２＋γ细晶组成的双重组织有关。Ｃｒ促使块状α＿２和β２相的形成，对阻碍γ相上的长程滑移有明显的作用。进一步细化铸态晶粒或制备具有片状α＿２＋γ组织的单晶合金是发展铸造α＿２＋γ合金的目标。

Al-Mg系合金中合金化元素作用及其对力学性能的影响

铝镁合金是轻量化材料应用领域中一种重要的金属材料,属于中高强度铝合金,具有较高的塑性、良好的耐蚀性以及优良的焊接性等优势,目前在航空航天、交通运输和军工制造等领域具有广阔的应用前景。笔者综述了铝镁合金力学性能特点以及用途,介绍了Al-Mg系合金中的强化机制,重点阐述了Al-Mg系合金中主合金化元素Mg及其含量对合金微观组织和力学性能的影响规律及机理,详细论述了Mn、Zr、Ti、Sc、Er、Y等微合金化元素的作用以及对Al-Mg系合金微观组织和力学性能的影响规律。最后,结合Al-Mg系合金当前研究现状,提出了今后值得研究的方向。

Sr含量对Al-Si合金显微组织和热导率的影响

以纯铝、Al-20Si和Al-10Sr中间合金为原料,Sr为变质剂(含量为0.01%、0.02%、0.04%和0.06%,质量分数),制备了Al-7Si-xSr、Al-12Si-xSr和Al-20Si-xSr合金,研究了Sr含量对Al-Si合金相变储热材料显微组织及热导率的影响。利用Hot Disk热常数分析仪测量合金的热导率,通过扫描电镜观察及分析合金的显微组织。结果表明:在Al-Si合金中添加变质元素Sr会影响合金的热导率,Al-7Si-0.04Sr合金热导率较Al-7Si合金增加了73.47 W·m^(-1)·K^(-1),Al-20Si-0.04Sr合金的热导率较Al-20Si合金增加了24.09 W·m^(-1)·K^(-1),Al-12Si-0.04Sr合金的热导率较Al-12Si合金增加了17.79 W·m^(-1)·K^(-1)。铝硅合金热导率的增长主要与α(Al)、共晶硅和初晶硅的形貌有关。经过Sr变质之后,Al-7Si合金中共晶Si立体形貌均由片层状转变为珊瑚状,Al-12Si和Al-20Si合金中共晶Si立体形貌由片层状转变为枝条状;其中,Al-7Si合金中α(Al)尺寸明显减少、排列紧密,二次枝晶臂间距逐渐减小;Al-20Si合金中的初晶Si尺寸明显减小,其形貌由多角的大块状变为小块状;α(Al)形态的转变不仅能够为自由电子的传输提供快速通道,而且还会使得共晶Si的排列更加规则,减少自由电子发生散射的几率,对合金的热导率影响较大。共晶Si由片层状转变为珊瑚状或枝条状,增加电子的平均自由程,有利于电子的传输。Al-20Si合金的热导率与初晶Si的形态有着重要联系,大尺寸且形状完整的初晶Si会发生晶格振动,会提高合金的热导率。

镀铝对CoCrNiAlY-YSZ-LaMgAl_(11)O_(19)双陶瓷热障涂层高温抗氧化行为的影响

采用电弧离子镀(AIP)技术在CoCrNiAlY-YSZ-LaMA双陶瓷涂层表面沉积一层Al镀层,利用XRD、SEM和EDS等微尺度分析表征方法,全面解析涂层在大气暴露过程中的高温氧化行为。研究结果表明,未镀铝LaMA层在氧化过程中发生严重体积收缩,导致纵向微裂纹萌生和扩展。这些微裂纹成为氧气向内部扩散的通道,导致涂层呈现持续氧化增重趋势、TGO快速生长和严重的元素扩散,并最终加剧涂层断裂失效。但镀铝涂层样品表现出更好的高温抗氧化性能与结构稳定性,高温氧化过程中,表面Al镀层与氧气发生原位反应生成致密Al2O3屏障层,有效阻止或延迟氧气内部渗透,使TGO缓慢生长,其氧化增重从20h时的8.59mg/cm^(2)略微上升到80h时的9.46mg/cm^(2)。本研究结果为双陶瓷热障涂层的延寿设计与界面热生长应力调控开辟出全新技术途径和理论视野。

超声振动辅助车削SiCp/Al切屑形成机理及表面粗糙度研究

目的研究切屑形成机理对加工过程的影响。方法超声振动辅助车削技术通过刀具振动的拟间歇切削特征控制切屑尺寸和切屑形态,从而提高了加工表面质量。针对SiCp/Al复合材料的切屑形成机理,探究常规车削和超声振动辅助车削的切屑形成过程。研究了颗粒分布对第一变形区变形阶段的影响,以及不同加工方式下切削参数对切屑形态的影响。最后,描述了切屑自由表面和刀-屑接触界面的颗粒损伤形式,以直观地描述常规车削与超声振动辅助车削SiCp/Al复合材料加工中切屑的形成过程。结果通过测试加工后工件表面形貌发现超声振动辅助车削的切屑更加连续、切屑尺寸较小的加工表面粗糙度更小,常规车削的表面粗糙度为0.805μm,超声振动辅助车削的表面粗糙度为0.404μm,超声振动辅助车削比常规车削的表面粗糙度降低了49.8%。结论与常规车削相比,超声振动辅助车削有利于减小切屑厚度。超声振动辅助车削得到的切屑更加连续,避免了切屑碎裂,促进了切屑的顺利排出。通过对切屑形态进行研究,选择最优切削参数可以有效提高工件表面质量。

超声振动辅助切削SiCp/Al复合材料的加工机理及试验

切削加工过程中材料损伤形式对加工表面质量会产生较大影响,现有仿真分析难以模拟真实颗粒失效行为,通过建立二维微观多相有限元模型能够深入了解材料损伤与表面质量的关系。基于常规切削(Conventional cutting,CC)与超声振动辅助切削(Ultrasonic vibration-assisted cutting,UVAC)两种加工方式,通过有限元仿真软件Abaqus对20%SiCp/Al复合材料的切削过程进行仿真模拟,阐释加工过程中刀具与工件的相互作用机理,并在同一参数下验证有限元仿真的准确性。通过设计单因素试验,对比两种加工方式及不同加工参数对切削力和表面粗糙度的影响规律,得出最佳加工参数组合,并对最佳加工参数下表面形貌进行分析。模拟和试验结果表明,SiC颗粒断裂、颗粒耕犁、颗粒拔出以及Al基体撕裂是影响SiCp/Al复合材料加工质量的主要原因,刀具与颗粒不同的相对作用位置会产生不同的损伤形式。与常规切削相比,施加超声振动后可以有效抑制颗粒失效和基体损伤,使加工中的平均切削力(主切削力)降低33%,工件已加工表面粗糙度值最大减小量为531 nm,显著提高了表面质量。所建立的二维微观多相有限元模型,能够有效模拟铝基复合材料的加工缺陷和裂纹损伤问题,对提高难加工材料的高质量表面制备有重要借鉴意义。

不锈钢表面Al/Cu涂层制备与第一性原理计算

为了研究Al/Cu涂层中金属间化合物的生成顺序和形成机理,在304不锈钢基体表面制备了Al/Cu涂层。对试样进行热处理使得Al/Cu涂层原位反应生成金属间化合物,随后测试了涂层的高温抗氧化性能。采用第一性原理计算Al-Cu金属间化合物的焓、熵、吉布斯自由能和热容等数据。将热力学和扩散动力学相结合,提出有效生成自由能模型来预测化合物在Al/Cu界面的生成顺序。结果表明:Al/Cu涂层中首先形成Al_(2)Cu相,在Al/Cu界面处出现了AlCu相,加热时间增加至20 h后出现了富Cu的Al_(4)Cu_(9)相。由第一性原理计算得出,Al-Cu金属间化合物的形成顺序为Al_(2)Cu→AlCu→Al_(4)Cu_(9),与实验结果一致。此外,氧化实验结果表明,涂层具有良好高温抗氧化性能。

粉末套管法Ti/Al/Ti复合板的界面结合性能

采用粉末套管法,通过“热轧+中间退火+进一步冷轧”工艺制备Ti/Al/Ti复合板。利用扫描电镜、电子探针、能谱仪、XRD分析以及万能实验机,研究不同制备参数下Ti/Al/Ti复合带材的界面形貌、元素分布、物相种类和界面结合强度。结果表明,单一脆性金属间化合物TiAl_(3)的产生会阻碍Ti/Al元素的扩散,扩散层厚度发生减薄。500℃退火,扩散层主要是由扩散形成的冶金结合层,局部区域有少量的金属间化合物TiAl_(3)生成,界面结合强度受冶金结合强度与机械结合强度的动态变化影响,随着压下率升高,结合强度先降低后升高再降低;550℃退火,界面反应增强,TiAl_(3)相逐渐增多,扩散层强度增加,冶金结合强度提高,由14.3 N/mm(500℃)增加至35.1 N/mm(550℃),随着压下率的增大,化合物层破碎程度增加,界面结合强度逐渐降低。

通过不同热挤压方式制备具有较优强塑性组合的新型Mg-5Sn-2Al-1Zn合金

制备新型Mg-5Sn-2Al-1Zn(TAZ521)合金。为提高合金的强度与塑性,采用正挤压(DE)和挤压-剪切(ES)两种工艺对该合金进行变形处理。通过XRD、SEM、TEM、EBSD和拉伸试验等方法研究均匀态和挤压态合金的显微组织演变、织构演变及强化机制。结果表明,正挤压态合金的力学性能得到改善;然而,合金表现出由粗晶和细小动态再结晶(DRXed)晶粒组成的双峰组织。经过挤压-剪切变形后的合金组织变得更加均匀,并且实现更好的强韧性结合,变形后合金的屈服强度(YS)、极限抗拉强度(UTS)和伸长率(EL)分别达到212 MPa、303 MPa和21.7%。晶粒细化和Mg2Sn析出物的钉扎效应对强度的提高起到重要作用,此外,延展性的提高归因于基面纤维织构的弱化和非基面滑移系的激活。

基于冷喷涂工艺的Mg-Zn-Al-Sn-Mn合金防腐Al涂层制备

采用冷喷涂技术在Mg-Zn-Al-Sn-Mn合金表面制备Al涂层,以提高其耐腐蚀性能。研究工作气体温度和压力对Al涂层显微组织和腐蚀行为的影响。结果表明,随着气体温度和压力的升高,Al涂层的致密度和厚度均明显增加。高的气体温度能降低颗粒沉积的临界速度,并提高沉积效率。高的气体压力不仅提升机械结合质量,而且对沉积的涂层具有较强的夯实作用。由于孔隙的减少,Al涂层的耐蚀性随着气体温度和压力的升高而提高。Al(OH)_(3)和Al_(2)O_(3)等腐蚀产物可以堵塞涂层中的孔隙,并作为阻碍腐蚀的物理屏障,从而有效保护Mg合金免受腐蚀。

激光熔化沉积Al-Mg-Sc-Zr合金晶粒尺寸预测及成形工艺优化

通过激光熔化沉积试验分析了工艺条件(送粉速度、扫描速度和激光功率)对Al-Mg-Sc-Zr合金晶粒尺寸的影响,构建了晶粒尺寸预测模型,优化了成形工艺参数,给出了工艺参数最佳区间。结果表明,相较于激光功率和扫描速度,送粉速度对晶粒尺寸的影响最为显著;随着成形能量密度的增加,合金晶粒尺寸呈现出先减小后增大的演变趋势;采用回归方程构建的晶粒尺寸-工艺参数关系模型能准确预测不同工艺条件下激光熔化沉积Al-Mg-Sc-Zr合金的平均晶粒尺寸,相对误差小于2%;通过响应面分析得到工艺参数最佳区间为:送粉速度2.8~3 g·min^(-1)、激光功率1000~1050 W、扫描速度4~5 mm·s^(-1)。

碳纳米管增韧Al-Mg合金复合材料的制备与性能研究

选择碳纳米管为增强相,通过搅拌铸造法制备了碳纳米管增韧Al-Mg合金复合材料,研究了碳纳米管的添加量对复合材料力学性能、微观组织以及韧性的影响,并探究了碳纳米管对Al-Mg合金的增韧机理。结果表明,掺入适量的碳纳米管后细化了Al-Mg合金复合材料的晶粒,晶粒尺寸约为80μm,当碳纳米管的添加量为0.8%(质量分数)时,复合材料的断口形貌最均匀。随着碳纳米管添加量的增大,复合材料的抗拉强度、断裂伸长率、硬度均表现出先增大后降低的趋势,当碳纳米管的添加量为0.8%(质量分数)时,抗拉强度、断裂伸长率和硬度均达到了最大值,分别为208.6 MPa、15.8%和53.1 HB。适量碳纳米管的添加显著改善了Al-Mg合金的韧性,使断裂延伸率逐渐增大,屈服阶段延长,韧性得到提高,这是因为适量的碳纳米管添加后能够与合金发生较好的结合,并贯穿于合金的裂纹中,发挥出了桥联作用,阻碍了裂纹的萌生和扩展,从而改善了Al-Mg合金复合材料的韧性,延缓了合金的失效过程,延长了合金的屈服阶段。综上分析可知,碳纳米管的最佳添加量为0.8%(质量分数)。