Al-Li-Er合金的激光焊接工艺与组织性能研究

采用激光填丝焊对Al-Li-Er铝合金进行焊接处理,研究激光功率、焊接速度和送丝速度对焊接接头显微组织与力学性能的影响。结果表明,当送丝速度为3 m/min和4 m/min时,Al-Li-Er合金焊接接头的焊缝面积都会随着激光功率和焊接速度的增大而逐渐减小;在相同激光功率和焊接速度时,送丝速度的增加会增大焊缝面积,且随着送丝速度的增加,激光焊接接头的上余高系数和下余高系数都呈现逐渐增加的趋势。Al-Li-Er合金适宜的激光焊接工艺参数为激光功率3 kW、焊接速度3 m/min、送丝速度2~3 m/min,此时焊接接头的室温拉伸性能与母材较为接近。

基于热处理工艺的拖拉机发动机铝合金组织性能研究

采用不同时长的热处理工艺,对拖拉机发动机铝合金组织性能进行了对比分析。结果表明:热处理后,铝合金性能得到了较大程度的提高,若优先考虑材料性能,则应该采用180℃×4 h的单级热处理时效;若优先考虑工艺效率和成本,则可以采用150℃×1 h+170℃×1 h的双级热处理时效。

可降解锌基合金在骨缺损修复重建中的应用及研究热点和不足

背景:锌基合金医用植入材料有优异的力学性能、完全可降解性、良好的生物相容性,主要用于骨科植入物、心血管支架、胆管支架、气管支架、神经导管等。目的:综述可降解锌基合金应用于骨缺损修复的研究进展,展望锌基材料可期研究方向与成果。方法:检索PubMed、Web of Science、万方及中国知网数据库,选择各数据库建库至2023年6月收录的各类可降解锌基合金用于骨植入材料研究的相关文献,对生物可降解锌基合金的基本特性进行概述,对锌基合金促进骨组织修复作用进行梳理和归纳总结,讨论当前的研究热点与不足。结果与结论:①锌基合金具备良好的生物相容性,以锌基合金为基体材料,借助支架结构构建技术和涂层优化工艺将有效提高锌基合金的骨传导性,并且使其降解产物具备高效骨诱导性,以调控成骨、破骨细胞的基因表达,促进骨缺损后的修复重建;②然而在锌基合金优化的研究中,涂层工艺相对不足,增材负载技术尚缺乏;③锌基合金拥有良好的机械、生物特性,通过特殊工艺可增加材料的骨传导性、骨诱导性以有效提高其促进骨修复重建能力,并有望进一步实现个性化移植材料的研发。优化涂层与增材负载等技术融合于锌基合金的研究有待进一步探讨。

Ta-W/Hf合金的结构稳定性及力学性质的第一性原理计算

Ta-W/Hf合金具有高熔点、高密度、高延展性等性质,在核电、武器装备等关键零部件中发挥着重要作用,本研究基于密度泛函理论的第一性原理方法,构建不同掺杂含量下的Ta-W/Hf合金模型,计算Ta-W/Hf的晶格常数、结合能、弹性常数、弹性模量、泊松比、维氏硬度、电子态密度等性质参数,分析W、Hf掺杂元素对Ta合金稳定性及力学性能的影响.结果表明:Ta-W合金的晶格常数、弹性常数、体模量、杨氏模量、剪切模量均随着W含量的增加而增加;然而Ta-Hf合金的相关性质参数变化趋势则相反.同时,结合能及电子态密度结果表明Ta-W合金的稳定性与W含量呈正相关;Ta-Hf合金的稳定性随着Hf含量的增加而降低,但Hf的添加对Ta合金的各向异性趋势变化影响显著,且Hf可以明显提高Ta合金的韧性.

形状记忆合金在辅助器具和康复设备中的应用

背景:随着科技的不断进步,新技术和新方法的引入将为形状记忆合金在辅助和康复领域的应用带来更多的可能性和新的突破。目的:通过综述形状记忆合金在辅助器具和康复设备中的应用现状,讨论它们的主要方法、技术和结果,归纳总结并提出建议,希望形状记忆合金能够不断优化,为辅助和康复设备的发展带来更多新的变革。方法:通过计算机检索万方、Pub Med和Web of Science数据库,以“形状记忆合金,应用进展,正畸,矫形,假肢,康复,特性,植入,力学性能,镍钛记忆合金,驱动”为中文检索词,以“Shape memory alloys,Application,Orthodontics,Orthopedic,Prosthetics,Rehabilitation,Properties,Implant,Drive,Progress,Prostheses”为英文检索词,最终纳入91篇文献进行综述。结果与结论:(1)形状记忆合金具有耐腐蚀性、耐磨性、生物相容性、抗疲劳性和抗扭结性等特性,相比其他传统材料(不锈钢、钛合金、钴铬合金等)具有更低的弹性模量且无生物毒性,适合作为假体长期植入体内。由于其具有形状记忆效应和优异的力学性能,遂主要作为驱动元件或作为连接设备和人体的桥梁应用于假肢、矫形器和康复设备中。(2)使用形状记忆合金驱动元件能够减轻设备质量、消除噪声、容易操作、便于携带和更好地辅助关节运动等,比起使用气动、液压和电气驱动方法的设备优势明显。(3)另外形状记忆合金在变形时能够产生恒久、稳定的应力,相比不锈钢、钛合金和铝合金矫形器具有更高的材料回收率且不用频繁更换调整,所以在矫治畸形方面更具实用价值。(4)目前形状记忆合金在矫形器中应用最多,在镫骨假体中的临床应用效果最好。而由于技术及成本等的限制,形状记忆合金在假肢和康复设备中的应用较少,且缺乏对应用效果的大样本研究。(5)虽然形状记忆合金在辅助和康复领域得到了一定的发展,但仍存在许多问题:对形状记忆合金进行精准控制很难;形状记忆合金的冷却速度慢;无法对其变形速度进行控制;缺乏对不同性状形状记忆合金的对比研究和专家共识;形状记忆合金成本高,价格贵。(6)未来应注意开发新型形状记忆合金,增加对比性研究,采用新技术、新方法(如4D打印等)解决目前存在的问题,从而研发出高性能的辅助器具和康复设备。

Cu-Fe合金凝固过程中结构变化研究

采用分子动力学模拟方法研究了Cu_(100-X)Fe_(X)(X=1%、3%、5%)合金在冷却速率为2×10^(10)K/s条件下合金凝固过程.研究表明,Fe含量为1%时,随着合金温度的降低Fe原子始终保持均匀分布的状态,未出现Fe原子聚集现象,晶体结构是以FCC为主的Cu基体,Fe原子以固溶形式存在于基体中.Fe含量为3%时,随着合金温度的降低Fe原子有聚集趋势,但BCC晶体结构占比较小,晶体结构仍是以FCC为主的Cu基体.Fe含量为5%,随着合金温度的降低Fe原子发生明显聚集,最终形成以FCC、HCP晶体类型为主镶嵌Fe原子的Cu基体.研究了Fe团簇的形成过程,结果表明,Fe团簇的形成、长大是一个连续的过程,该过程受形核生长机制控制,不同阶段形成Fe团簇的大小和数量受Fe-Fe原子相互作用力、Fe原子的扩散能力以及Fe团簇与Cu基体间的界面能三个因素共同影响.

铜银纳米合金团簇结构转变的原子模拟

采用基于嵌入原子方法势的分子动力学方法对熔融Cu_(n)Ag_(53-n)(n=0~53)和Cu_(n)Ag_(54-n)(n=0~54)合金团簇的降温凝结过程进行模拟.通过结构相图、自由能、原子化能、形状因子、对分布函数、熵和直观可视化的原子堆积结构等多种计算分析手段,在原子尺度上探究温度、组分和初始构型等对小尺寸Cu-Ag合金团簇在降温凝结中的结构转变以及热力学量的影响.模拟结果表明,在室温下含有少量Cu原子的二元合金团簇可以形成的核壳式二十面体几何结构,同时Cu原子取代Ag原子也有助于合金团簇的稳定.组分的改变和温度的降低使堆积结构由无序变为有序,同时伴随着原子势能、形状因子、熵的振荡下降,低温阶段熵值下降明显.

基于DFR法的Al-Li-S4铝锂合金铆接结构疲劳可靠性分析

Al-Li-S4是新一代铝锂合金,常被用作机身材料,而铆接结构在飞机各个重要受力结构中也具有广泛的应用。为了研究Al-Li-S4铝锂合金铆接结构的疲劳性能,通过试验统计得到两种铆接结构的细节疲劳额定值(DFR),并借助扫描电镜观察其疲劳裂纹的萌生和扩展行为。结果表明:Al-Li-S4铝锂合金铆接搭接结构的DFR值为102.24 MPa,铆钉填充锪窝孔连接结构的DFR值为169.41 MPa;Al-Li-S4铝锂合金疲劳断口的分析表征其具有良好的抗疲劳损伤性能。研究结果可为新型民用飞机选材、疲劳设计和寿命评估提供参考。

铜锶二元掺杂硅酸钙涂层改性钛合金的促成骨和抗菌效应

背景:钛合金作为骨科植入物时缺乏生物活性,可导致种植体松动和假体周围感染,因此,研究一种兼顾促成骨和抗感染复合功能的钛合金表面改性方法具有重要意义。目的:研究铜、锶二元掺杂硅酸钙复合涂层改性钛合金的理化性质,评估其促成骨和抗菌方面的潜能。方法:采用球磨、造粒方法制备含有氧化铜、氧化锶及硅酸钙的复合粉末,采用大气等离子喷涂技术在钛合金(Ti6Al4V)表面制备铜锶二元掺杂硅酸钙复合涂层,对复合涂层进行表征。将钛合金浸提液、硅酸钙涂层改性钛合金浸提液、铜掺杂硅酸钙复合涂层改性钛合金浸提液、铜锶二元掺杂硅酸钙复合涂层改性钛合金浸提液分别与MC3T3-E1细胞共培养,检测材料的生物安全性与促成骨性能。将金黄色葡萄球菌(或大肠埃希菌)分别与钛合金、硅酸钙涂层改性钛合金、铜掺杂硅酸钙复合涂层改性钛合金、铜锶二元掺杂硅酸钙复合涂层改性钛合金共培养,扫描电镜、平板计数法检测材料的体外抗菌性能。结果与结论:(1)扫描电子显微镜下可见铜锶二元掺杂硅酸钙复合涂层粗糙表面存在大量的纳米结构,该复合涂层成功喷涂在钛合金表面,在体外可缓释Sr^(2+)和Cu^(2+),并且Sr^(2+)的释放浓度大于Cu^(2+);(2)CCK-8和细胞活死染色结果显示,铜掺杂硅酸钙复合涂层改性钛合金具有一定的细胞毒性,硅酸钙涂层与铜锶二元掺杂硅酸钙复合涂层改性钛合金具有良好的生物相容性;碱性磷酸酶与茜素红染色结果显示,相较于钛合金、硅酸钙涂层改性钛合金,铜锶二元掺杂硅酸钙复合涂层改性钛合金表现出更优的促成骨性能;(3)扫描电镜观察、细菌涂布和细菌计数法结果表明,相较于钛合金、硅酸钙涂层改性钛合金,铜掺杂硅酸钙复合涂层与铜锶二元掺杂硅酸钙复合涂层改性钛合金能有效抑制金黄色葡萄球菌和大肠埃希菌的生长,表现出抗菌潜能;(4)结果表明,铜锶二元掺杂硅酸钙复合涂层改性钛片具备良好的生物相容性、促成骨性能与抗菌性能。

轴向撞击作用下内充泡沫铝薄壁铝合金腔体最优尺厚比选择

内充泡沫铝薄壁铝合金腔体在防撞吸能领域已经具备广泛的使用价值,但在最优截面尺寸选择方面的研究与应用较少。为进一步研究铝合金内充泡沫铝腔体最优截面尺寸,通过有限元软件ABAQUS建立了常见的方形铝合金腔体在撞击作用下的有限元模型。结果表明:建立的有限元模型在模拟内充泡沫铝铝合金腔体抗撞击性能方面具有良好的拟合度,同时,针对现有市场中方形铝合金腔体多尺寸截面,提出尺厚比作为其截面选择参数,通过运用数值建模和非线性拟合工具,得出常见尺寸下组合截面吸能最大化的截面尺寸。研究得出的低、中、高3种撞击能量下的截面最优尺厚比可为结构防撞击装置的设计提供参考。

热处理对Al-Li-Cu合金TIG焊接头组织及力学性能的影响

Al Li Cu合金TIG焊后接头软化较为严重,强度仅为母材的55%,为了解决这一问题,研究了焊后固溶+时效热处理对接头组织及力学性能的影响。结果表明,焊后热处理可提高接头的强度,焊态接头经520℃固溶1h+150℃时效10h后强度系数高于0.64。但在接头强化的同时,母材却受到了一定程度的弱化,试件经520℃固溶1h+176℃时效10h后,母材处的强度弱化到初始强度的31%,随着时效温度的提高和时效时间的延长,试件母材部位的弱化程度随之增大。

锆对Al-Li-Cu铸造合金组织及性能的影响

研究了锆对铸造铝锂合金组织及性能的影响。结果表明,微量锆能强烈地细化铝锂合金的铸态晶粒及枝晶组织,且对微观偏析有减轻作用;合金的拉伸性能随含锆量增加而大幅度改善:观察Al—Li—Cu铸造合金的时效组织发现,亚晶界PFZ是不连续的,对合金的断裂过程难以产生重大影响,参与断裂过程的主要是晶粒的晶界。同时还发现,锆在一定含量范围内增加时,能显著加快δ′相的时效过程,增加δ′相的体积份数。

微量元素铈对Al-Li-Cu-Mg-Ag-Zr合金强化和断裂机制的影响

采用断裂性能测试、扫描电镜(SEM)断口分析、透射电镜(TEM)观察等手段研究了微量元素Ce对Al-Li-Cu-Mg-Ag-Zr合金强化和断裂机制的影响。实验结果表明:添加微量元素Ce并不改变合金主要强化析出相(T1、θ')的种类,但是能够促进T1相细小均匀弥散分布,提高合金强度以及断裂韧性。随着Ce含量的增加,T1相析出密度越大,分布越均匀,强化效果越好。添加0.3%Ce的合金强度明显高于添加0.15%Ce的合金,添加Ce的合金断裂韧性明显高于不加Ce的合金,并且Ce能够使合金组织分层薄化,在一定程度上改变合金的断裂行为方式,减少了沿晶断裂的趋势。断裂韧性断口扫描分析表明,合金的断裂方式随Ce含量的增加逐渐由沿晶脆性断裂转变为穿晶-沿晶分层断裂方式。

Zn对Al-Li-Cu-Mg-Zr合金时效过程的影响

Zn的存在加快了Al-Li-Cu-Mg-Zr合金的时效硬化速度,明显促进S’相的析出,降低δ’颗粒的长大速度.经过长时间时效后,含Zn合金中将析出含Zn的条状相;根据正电子湮没参数的变化研究了时效过程中Zn对合金的缺陷浓度及基体电子结构的影响.

Al-Li-Zr合金的界面原子成键与力学性能

应用固体经验电子理论计算Al-Li-Zr合金中若干析出相与基体的界面原子成键强度和异相界面的界面能。结果表明,δ′相与基体之间的界面电子密度在较低的应力下保持连续,使得δ′相与基体界面的结合较好,起到界面增强的效果;δ相与基体间界面电子密度在一级近似下不连续,使得与基体间界面结合强度较弱,引起界面结合弱化。对于核壳结构的复合相δ′/β′,界面电子密度差较小,且界面能最低,使得δ′相容易在β′相上异质形核长大形成复合δ′/β′相。由此从界面原子成键角度揭示析出相对合金起强弱化作用的原因,及其对合金力学性能的影响。

Al-Li-Cu-Zr合金中T_1相结构、形核和长大机制研究

T_1(Al_2CuLi)相是Al-Li-Cu-Zr合金中的重要强化相。通过TEM在对T1相结构和形貌分析的基础上,构造了T1相的结构。T1相晶核以ABCBA的堆垛顺序,共由36个原子组成,其晶格常数a=0.495nm,c=0.933nm。与基体的位相关系为:狖0001狚T1∥狖111狚α,<1010>T1∥<110>α。合金中铜原子的偏聚降低了基体的层错能,从而为T1相依赖扩散层错形核提供了有利条件。T1相长大依赖于原子扩散和台阶滑移,是一种长程扩散控制的台阶机制。

Sc对Al-Li-Cu-Mg-Ag-Zr合金组织和性能的影响

采用拉伸试验、金相、透射电镜、扫描电镜等测试手段,研究了Sc对Al-Li-Cu-Mg-Ag-Zr合金的显微组织对拉伸性能的影响。结果表明,Sc细化了合金晶粒,促进了T1相的析出和均匀弥散分布,在一定程度上改变了合金的断裂行为,能使合金获得更好的综合机械性能。

Al-Li-Cu-Mg-Zr合金显微组织的研究

本文采用透射电镜系列倾转,选区电子衍射及会聚束电子衍射技术,系统研究了一种Al-Li-Cu-Mg-Zr合金中的显微组织。结果表明,该合金中的主要强化相为δ′相,其生长符合粗化动力学。β′相可作为δ′相的核心,并加快其析出速率;合金中的另一主要强化相为s′相。s′相单体为板条状,许多平行生长的s′相单体拼合在一起形成片状的s′相板条群。s′相单体的惯习面为{210}_α,沿<100>_α方向长大,但s′相的片状板条群却躺在{110}_α面上;T_1′相在时效组织中占的体积分数很小,在该合金中不是主要强化相;长时间时效后在晶界上主要形成T_2相。

压力对铸造Al-Li-Cu合金组织和力学性能的影响

采用直接挤压铸造工艺制备一种密度为2.525 g/cm3的A1-2.47Li-1.49Cu合金铸锭,通过宏观腐蚀、OM、DSC、SEM、XRD及拉伸性能测试等手段对其组织和力学性能进行研究。结果表明:压力作用下凝固可以显著改善铸锭的表面质量,获得致密无缩松缺陷的铸锭,50 MPa下,铸锭中的柱状晶平均长度较重力铸造下的减小20%;合金铸态微观组织主要由初生α(Al)、T2相以及少量AlLiSi和Al6(CuFe)组成,施加压力不改变相的组成,但可使第二相尺寸更小,分布更均匀;合金硬度、抗拉强度以及伸长率均随压力增大而增大,但50 MPa以后压力对性能的影响不明显。50 MPa下T5热处理的合金抗拉强度为329 MPa,伸长率为6%,硬度为135HBS,较重力铸造合金分别提高了7.2%、107%和3%。

Al-Li-Cu-Mg-Cr合金的疲劳性能研究

研究了Al Li Cu Mg Zr系8090合金在不同时效状态下的疲劳行为。结果表明,时效对合金的显微组织和疲劳性能有显著的影响。合金在峰值时效状态下疲劳性能最佳且静强度最高,而在欠时效状态下塑性最好,过时效对合金的塑性和疲劳性能不利。