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。

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)。

Al/Fe_(2)O_(3)铝热剂粉尘着火敏感性

为明确铝热剂反应的着火特性,利用最低着火温度(minimum ignition temperature,MIT)和最小点火能(minimum ignition energy,MIE)测试装置,结合TG-DSC方法对4种Al粉与Fe_(2)O_(3)质量比为1∶4,1∶3,1∶2,1∶1的层状和云状Al/Fe_(2)O_(3)铝热剂进行了着火敏感性研究.结果表明,4种配比试样的粉尘层、粉尘云MIT均超出相关标准常规测试范围,在空气中质量比为1∶3铝热剂的反应触发温度为888℃,活化能为248.49 kJ/mol,说明铝热反应不容易触发;相同质量比的Al/Fe_(2)O_(3)粉尘云的MIE远高于粉尘层,层状MIE最低值为0.7 J,着火敏感性较强,这是因为Fe_(2)O_(3)在粉尘云状态的反应中充当惰化剂,而在粉尘层状态反应中为反应提供了活性氧自由基.

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。

电弧喷涂Zn-Al伪合金涂层耐腐蚀性能研究进展

通过在钢基体表面制备涂层可以很好地延长钢铁材料的服役时间,减少因腐蚀造成的重大事故和人员伤亡。相较于传统的纯Zn涂层、纯Al涂层以及Zn-Al合金涂层,Zn-Al伪合金涂层能够为基体材料提供长久有效的腐蚀防护,在钢铁材料的腐蚀防护中具有巨大的应用潜力。简述了Zn-Al伪合金涂层电弧喷涂制备工艺的特点;介绍了Zn、Al、Zn-Al合金及Zn-Al伪合金涂层在模拟海洋环境下的腐蚀防护原理;在此基础上从组分、喷涂工艺参数(喷涂距离、喷涂电流和喷涂电压)、元素掺杂(Mg、Si及Re)及后处理工艺(封孔、激光重熔)等角度,论述了其对Zn-Al伪合金涂层耐蚀性的影响;讨论了Zn-Al伪合金涂层防腐体系在桥梁、海洋钢结构件、地下运输管道中的应用现状;最后总结了目前研究工作中存在的挑战,提出了电弧喷涂Zn-Al伪合金涂层尚需深入研究的重点问题,为提高钢铁材料使用寿命提供了参考。

Sc和Si相互作用对铸造Al-Si-Sc合金组织和性能的影响

通常在铸造Al-Si合金加入Sc来改善合金的性能,但是Si和Sc的相互作用对合金组织和性能影响仍需要进一步深入研究。本文研究了不同含量的Si和Sc对合金组织和性能的影响,结果表明,Sc通过原位形成初生Al_(3)Sc作为α-Al异质形核质点从而细化α-Al晶粒;在凝固过程中,共晶反应生成了网格状AlSi_(2)Sc_(2)相,包晶反应形成了块状AlSi_(2)Sc_(2)相;两种AlSi_(2)Sc_(2)相都会消耗合金中Sc原子,从而降低了Al_(3)Sc的细化效果;Sc还变质共晶Si为更有序的纤维/片状结构,适当的Si与Sc的比可以避免AlSi_(2)Sc_(2)的形成;Al-6Si中Sc含量从0.3%增加至1%时,抗拉强度和屈服强度均上升,但由于AlSi_(2)Sc_(2)相的存在,其伸长率下降;当Sc含量为1%、Si含量从6%降至3%时,抗拉强度、屈服强度和伸长率分别上升2%、12%和21%,主要是凝固过程中析出了Al_(3)Sc而非AlSi_(2)Sc_(2)相。最后,还讨论了Si-Sc交互作用对组织演变的机制。

不同形貌Al-Fe金属的块体压制成形模拟研究

文章以含40%Al的Al-Fe复合金属为研究对象,对颗粒状和屑状40Al-Fe复合金属分别进行压制预变形,并对屑状40Al-Fe复合金属预制坯进行了二次热压缩变形,重点研究压制预变形及二次热压缩对Al-Fe复合金属成形性和界面影响。结果表明:压力为16 MPa时,颗粒状40Al-Fe复合金属预制坯(密度为4.54 g/cm^(3))成形性良好且形成致密界面;压力为16 MPa时,屑状40Al-Fe复合金属预制坯(密度为3.50 g/cm3)可以成形但界面存在孔洞,Al屑主要为“片层状”“狗牙状”“圆圈状”“波浪状”,其经二次热压缩变形,“圆圈状”Al屑连成一个整体,“狗牙状”与“波浪状”Al屑均演变为“片层状”,而Fe屑仍为“片层状”“块状”,未发生明显变形。变形温度300℃、变形速率0.5 s^(-1)、变形程度0.1是目前生产工艺最佳参数,此时屑状40Al-Fe复合金属成形性最佳且界面结合良好(密度为4.66 g/cm^(3))。

Cu含量以及Cu/Mg比对Al-Si-Cu-Mg合金组织和力学性能的影响

研究了Cu含量和Cu/Mg比对Al-Si-Cu-Mg合金组织和力学性能的影响。结果表明Al-Si-Cu-Mg合金凝固组织是否形成Mg_(2)Si、Q-Al_(5)Cu_(2)Mg_(8)Si_(6)以及θ-Al_(2)Cu取决于Cu含量以及Cu/Mg比。当Cu/Mg比相对低时形成Mg_(2)Si中间相,而Cu/Mg比高时则倾向于生成Q-Al_(5)Cu_(2)Mg_(8)Si_(6)和θ-Al_(2)Cu相。当Cu/Mg比相同时,高Cu含量和高Mg含量都会促进Q相θ相的形成。通过观察T6热处理后的组织发现Cu含量以及Cu/Mg比控制了初生相的溶解以及析出相的形成,从而影响合金的强度与韧性。通过控制Cu含量及Cu/Mg比使Al-9Si-2Cu-0.5Mg合金中析出较少数量的初生相,再通过热处理析出大量的Q′强化相,使合金具有较高的强度和相对适中的伸长率。

T6态热挤压Al-5Cu-0.8Mg-0.15Zr-0.2Sc-0.5Ag合金的低周疲劳行为

为了揭示经过T6处理的热挤压Al-5Cu-0.8Mg-0.15Zr-0.2Sc-0.5Ag合金在不同温度下的低周疲劳变形与断裂行为,对T6态热挤压合金进行了室温和200℃条件下的低周疲劳实验。结果表明:在室温和200℃下合金塑性应变幅与载荷反向周次之间服从Coffin-Manson公式,而弹性应变幅与载荷反向周次之间服从Basquin公式;合金在室温和200℃下低周疲劳变形时,在较低外加总应变幅下疲劳变形机制主要为平面滑移,而在较高外加总应变幅下疲劳变形机制主要为波状滑移;室温和200℃下合金的疲劳裂纹均萌生于疲劳试样表面并以穿晶方式扩展。

流变压铸Al-15Cu合金的组织与力学性能

Al-Cu合金因其高的强度、硬度及高温力学性能,在交通领域具有重要应用。为探明高Cu含量铝合金力学性能特点,本文采用流变压铸成形Al-15Cu合金,研究浇注温度等参数对该合金流变压铸件力学性能的影响。结果表明,随着浇注温度的增加,初生α-Al晶粒平均等效直径由55μm降低到30μm,而平均形状系数随浇注温度变化不明显;施加电磁搅拌对初生α-Al晶粒有一定的细化作用。Al-15Cu合金流变压铸件的强度和塑性随浇注温度先增加后降低。浇注温度为610℃和施加电磁搅拌条件下的拉伸试样密度、抗拉强度和伸长率最高,分别为2.961 g/cm~3、260 MPa和2%。在300℃拉伸条件下,流变铸件性能随浇注温度变化的规律与常温时一致,抗拉强度和伸长率分别可达118 MPa和8%。

Y/Al-5Ti-1B复合变质对Al-7Si合金微观组织和力学性能的影响

在传统铸造Al-Si合金中存在的粗大树枝晶α-Al相以及针状共晶Si严重割裂基体,显著降低合金的力学性能。为细化Al-Si合金的组织,提升其力学性能,本文使用扫描电镜(SEM)、电子探针(EPMA)、X射线衍射仪(XRD)以及万能材料试验机,研究了不同添加量Y/Al-5Ti-1B变质剂(Al-5Ti-1B均为2%,稀土Y分别为0.05%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%,质量分数)对Al-7Si合金微观组织和力学性能的影响,并探究了其对Al-7Si合金的变质机理。实验结果表明,当Al-5Ti-1B含量为2%、稀土Y含量为0.4%时,变质效果最佳,共晶Si由粗大针状变为细小颗粒状,长和宽分别减小至2.7和0.8μm,相较于未经变质处理的Al-7Si合金,减小了90.6%和4.7%。合金抗拉强度由原来的168.1 MPa提升至209.1 MPa,增加了24.4%。同时伸长率从6.23%提升至9.62%,增长了54.4%。此外,合金的断裂方式也从脆性断裂转变为韧-脆混合断裂。

Mn微合金化Al-Si-Cu-Mg合金显微组织及耐蚀性能研究

Al-Si-Cu-Mg系列合金具有优异的强韧性,但其中的含Cu强化相极大地影响了该系合金的耐蚀性能。因此,本文通过对不同Mn含量的Al-7Si-2Cu-0.6Mg合金进行显微组织观察和电化学分析,探究Mn元素的添加对T6热处理状态下合金微观结构和耐蚀性的影响。结果表明,Mn添加量的提高对合金显微硬度几乎没有影响,但在合金基体中可以观察到弥散相。随着Mn含量升高,合金的耐蚀性呈现先升高后降低的趋势。添加0.360%Mn(质量分数)合金具有最佳耐蚀性,腐蚀电流密度比基础合金减少了54%。腐蚀形貌观察结果表明,Mn的添加可以显著减弱合金的点蚀趋势。

Sc对铸造Al-Li合金组织及力学性能的影响

铸造Al-Li合金可用于成型复杂薄壁构件,在航空航天、国防军工等领域具有广阔的应用前景。细化铸造Al-Li合金组织,提高合金强塑性对其实际应用具有重要意义。本文通过金属型铸造制备不同Sc含量的Al-2Li-2Cu-0.5Mg-xSc合金,分析了Sc含量对合金组织及力学性能的影响规律。结果表明,随着Sc含量逐渐增加,合金晶粒由树枝晶向近等轴晶转变,晶粒尺寸逐渐减小。δ'(Al_(3)Li)相倾向于以Al_(3)Sc相为形核核心,形成Al_(3)(Li, Sc)复合粒子,这些粒子在变形过程中不易被位错切过,减少了Al_(3)Li粒子引起的共面滑移。当添加0.3%Sc(质量分数)时,合金具有较好的综合力学性能,经过175℃/32 h的峰值时效处理后,屈服强度、抗拉强度和伸长率分别可以达到381.3 MPa、449.5 MPa和5.8%。

PF-LBM耦合模型下Al-Cu合金的枝晶生长和气泡形成

基于Shan-Chen多相流的格子玻尔兹曼方法模拟复杂多相流系统,探索气泡在液相中的生长和运动.研究了Al-4.0wt.%Cu合金在凝固过程中枝晶与气泡的相互作用,各向异性对凝固组织的影响以及枝晶与气泡共存时溶液密度的变化情况.结果表明:在定向凝固枝晶生长模型中,气泡先在枝晶底部析出,压差导致气泡上升,流动的过程中会与枝晶产生相互作用且会出现气泡合并与消失的情况,在枝晶间密集通道处大气泡会变成蠕虫形状.模拟区域的高长比会影响枝晶和气泡的生长情况,当高长比较小时更容易产生短而小的气泡,高长比较大时更容易产生蠕虫状气泡.在等轴枝晶生长模型中,气泡在枝晶间析出,随着枝晶的生长,气泡同样会发生合并与消失的情况,并且在受到挤压时发生形变.

激光选区熔化Al-Mg-Sc-Zr合金各向组织与损伤容限性能

研究激光选区熔化(selective laser melting,SLM)技术成形Al-Mg-Sc-Zr合金材料不同取向的显微组织特征、拉伸和损伤容限性能。结果表明:YZ截面为细小的等轴晶和粗大的柱状晶组成的双峰组织,XY截面由细小的等轴晶组成;0°和90°方向屈服强度、抗拉强度均超过500 MPa,各向异性较小,但堆积层间存在的未熔合缺陷使得90°方向断裂伸长率明显低于0°方向;0°和90°CT试样K_(IC)分别为21.41 MPa·m^(1/2)和20.89 MPa·m^(1/2),在柱状晶区域裂纹扩展阻抗低,导致90°CT试样K_(IC)稍小;显微组织和缺陷是影响裂纹扩展性能各向异性的主要因素,在近门槛区未熔合缺陷起主导作用,当裂纹面平行于水平方向时裂纹扩展速率更快;在稳态扩展区显微组织的影响起主导作用,当裂纹面平行于水平方向时为穿晶断裂,裂纹扩展阻抗较高,裂纹扩展速率较低。

国产Zn-5%Al-混合稀土合金镀层高钒封闭索丝耐久性研究

以国家速滑馆首次应用的国产Zn-5%Al-混合稀土合金镀层高钒封闭索丝为研究对象,对其使用性能、基本特性及耐久性等进行研究。采用了国家速滑馆内部高空索体实际服役环境处的大气暴露试验方式,综合考虑索在加工安装过程中易产生的损伤,对索丝试件进行了划痕、刮擦、焊点的预制缺陷设计,研究了含预制缺陷的国产Zn-5%Al-稀土合金镀层高钒封闭索丝在真实使用环境中的大气腐蚀行为规律,并采用力学性能测试研究了索丝在服役环境大气腐蚀作用下的力学性能变化规律及不同缺陷对力学性能的影响。结果表明,加工安装过程中在索丝表面合金镀层产生的划痕、刮擦、焊点等损伤,会破坏合金镀层的完整性。大气暴露试验和力学性能试验中,三类缺陷对索丝金属镀层防大气腐蚀性能和单丝抗拉强度均有负面影响,其中焊点缺陷影响最大,单丝抗拉强度下降约40%。

Al-Sn复合材料的制备及其水反应产氢效率

为提高Al和水的反应活性,采用高能球磨法制备了Al-Sn复合材料,通过SEM、激光粒径分析、XRD等方法表征了Al-Sn复合物的微观结构,研究了Al-Sn复合材料的水反应活性,考察了颗粒粒径、水介质、起始温度、球磨参数变化对Al-Sn复合物水反应活性的影响。实验结果表明,高能球磨法及金属Sn的加入能够大幅提高Al与水反应的活性,制备的Al-Sn复合材料与水反应的氢气产率达83.92%,快速期最大产氢速率为359mL/(min·g)。