高韧性炭/炭复合材料的制备及研究

C/C复合材料是一种高性能新型复合材料,但是脆性大、韧性差的缺点限制了其广泛应用。因此,本研究利用化学气相渗透(CVI)法,设计并制备了三种C/C复合材料,基体炭分别为粗糙层、光滑层以及粗糙层/各向同性层带状结构热解炭,研究了C/C复合材料的微观结构、沉积机理、断裂行为和增韧机制。结果表明,三种C/C复合材料的抗弯强度分别为189.1、191.5、233.5 MPa。粗糙层和带状结构炭基体的C/C复合材料为假塑性断裂,而光滑层炭基体的C/C复合材料则是明显的脆性断裂。与粗糙层炭基体的C/C复合材料相比,带状结构炭基体的C/C复合材料通过不同结构热解炭之间的界面滑动,使得应变量增加了约70%,韧性得到了提升。因此,通过控制CVI工艺参数,实现带状结构热解炭制备,可以有效优化C/C复合材料的韧性。

激光粉末沉积轻质Ti/Al密度梯度材料的裂纹形成机理及自愈合行为

利用激光粉末沉积技术制备轻质Ti/Al密度梯度材料,采用扫描电子显微镜、电子探针显微分析仪、能谱仪、显微硬度测试仪等,分析了梯度材料的组织结构特征,研究了激光粉末沉积轻质Ti/Al密度梯度材料的裂纹形成机理及其自愈合行为。结果表明:轻质Ti/Al密度梯度材料的微观组织呈现渐变特征,相结构转变呈现Ti→Ti3Al→TiAl+Ti_(5)Si_(3)→TiAl_(3)+TiAl+Ti_(5)Si_(3)+Al→Ti Al_(3)+Al的规律变化;各梯度层(Ⅰ~Ⅴ)的平均硬度分别为370.9 HV_(0.1)、619.4 HV_(0.1)、567.7 HV_(0.1)、459.5 HV_(0.1)和213.8 HV_(0.1)。梯度层中观察到裂缝存在,该裂纹在界面或缺陷(孔洞等)处萌生,在激光粉末沉积轻质Ti/Al密度梯度材料过程中,后续形成的熔池内金属溶液对裂纹具有填充作用,从结构上完成自修复,使裂缝得以愈合,可有效阻止裂纹进一步扩展。

粉末冶金共烧结制备90W-7Ni-3Fe/30CrMnSiNi2A结构复合材料的组织与力学性能

以90W-7Ni-3Fe预混粉末和30CrMnSiNi2A钢雾化粉末为原料,采用热等静压技术在1350℃、150 MPa、3 h烧结工艺下进行共烧结。利用SEM、XRD、TEM和万能力学试验机等研究了90W-7Ni-3Fe/30CrMnSiNi2A共烧结体的微观组织和力学性能特征。结果表明:采用共烧结方法成功制备了90W-7Ni-3Fe/30CrMnSiNi2A结构复合材料,共烧结体组织均匀、致密度高、界面无孔洞和裂纹,结合良好;钨合金和钢基体的相对密度均大于99%,抗拉强度分别为920 MPa和1309 MPa。在钨合金和钢的界面区域发生强烈的元素扩散,形成了厚度为40~50μm的Fe_(6)W_(6)C相,并分析了Fe_(6)W_(6)C相的形成;硬脆Fe_(6)W_(6)C相的存在恶化钨合金/钢界面的力学性能,界面的抗拉强度为85 MPa。断裂模式为Fe_(6)W_(6)C相和W相的混合断裂。

致密化温度及界面类型对SiC_(f)/SiC Mini复合材料结构与力学性能的影响

利用化学气相渗透(chemical vapour infiltration,CVI)在SiC纤维束中引入PyC(pyrolytic carbon,热解碳)界面和(PyC/SiC)_(3)多层界面,并分别在1050℃和1250℃下对含PyC界面SiC纤维束、1050℃下对含(PyC/SiC)_(3)3多层界面纤维束进行Si C基体增密,制备出不同界面类型和基体结构的SiC_(f)/SiC(continuous SiC fiber reinforced SiC matrix)Mini复合材料。研究界面类型和基体致密化温度对SiC_(f)/SiCMini复合材料微观结构和拉伸断裂行为的影响。结果表明,SiC_(f)/SiC Mini复合材料内部纤维和基体间的界面清晰,界面厚度约300 nm。1050℃致密化的PyC界面SiC_(f)/SiCMini复合材料的抗拉强度为174MPa,脱黏主要发生在基体与界面之间。而(PyC/SiC)_(3)3多层界面SiC_(f)/SiC Mini复合材料抗拉强度达到540 MPa,脱黏主要发生在亚层与亚层之间。PyC界面SiC_(f)/SiC Mini复合材料随基体致密化温度升高,S C基体从细小多孔的针状转变为粗大致密的层片状,晶粒尺寸和结晶度显著提高。1250℃致密化的复合材料的抗拉强度为309 MPa,呈典型的脆性断裂特征。

Cu含量对Al-Cu-Li合金淬火敏感性的影响

采用薄板叠层末端淬火的方法,通过强度测试、连续冷却转变(CCT)和时间-温度-转化率(TTT)曲线计算及X射线衍射、扫描电镜、透射电镜等微观组织表征方法,研究了Cu含量(3.15%、3.63%和3.88%)对Al-Cu-Li合金淬火敏感性的影响,结合理论分析,从析出驱动力和形核位点的角度分析了Cu含量影响淬火敏感性的机理。结果表明:随着Cu含量的增加,晶格畸变能增加,Li的溶解度降低,淬火态合金中位错和残留第二相增多,含Li相的析出驱动力和非均匀形核位点增加,淬火沉淀相增多;随着临界冷却速率的增大,鼻尖温度孕育期缩短,强度残存率减小,Al-Cu-Li合金淬火敏感性提高。T8态合金强度受Cu含量和淬火速率共同作用,淬火速率较高时,主要受Cu含量的影响;淬火速率较低时,Cu含量的影响减小。

2196铝锂合金的淬火敏感性及析出动力学

采用分级淬火法测定了2196合金挤压型材的时间−温度−转化率(TTT)和时间−温度−性能(TTP)曲线,结合电子探针显微分析(EPMA)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和Johnson-Mehl-Avrami(JMA)方程研究了2196合金在等温处理过程中的组织转变和析出动力学。结果表明:2196合金型材的鼻尖温度为375℃,孕育期为0.9 s,淬火敏感区间为300~425℃;在等温处理过程中,过饱和固溶体分解析出粗大的T_(1)相,且在375℃附近的析出速率最大;随着保温时间的延长,T_(1)相聚集并长大,时效后纳米析出相减少,无沉淀析出区变宽,导致合金力学性能显著下降;根据析出动力学方程拟合出的“S”形曲线,解释了合金在375℃附近淬火敏感性最大的原因,分析了在淬火敏感区间第二相的析出规律。

快速热压烧结制备高性能B_(4)C-LaB_(6)复合陶瓷

为了解决碳化硼(B_(4)C)难以烧结致密化和韧性差的问题,以B_(4)C和氧化镧(La_(2)O_(3))为原料,在2000℃和30 MPa下快速热压烧结制备B_(4)C-LaB_(6)复合陶瓷,研究La_(2)O_(3)含量对B_(4)C-LaB_(6)复合陶瓷微观结构和力学性能的影响,分析LaB_(6)的增韧机制。结果表明:w(La_(2)O_(3))=3%的B_(4)C-LaB_(6)复合陶瓷综合力学性能较好,其相对密度、维氏硬度、抗弯强度和断裂韧性分别为99.51%、36.56 GPa、547.43 MPa和4.18 MPa·m^(1/2)。LaB_(6)可细化B_(4)C-LaB_(6)复合陶瓷晶粒,同时提高其相对密度和断裂韧性。LaB_(6)的增韧机制与裂纹偏转和晶粒裂解有关。

预拉伸对2A14铝合金显微组织、力学性能和腐蚀性能的影响

研究预拉伸变形量对峰值时效态2A14铝合金显微组织、力学性能和腐蚀行为的影响。结果表明:由于预拉伸导致细小弥散的θ′相在基体中大量析出,合金的硬度和强度都明显提升;在峰值时效前引入预拉伸可以明显提高峰值时效硬度并加快到达峰值时效时间;当预拉伸变形量为7.5%时,θ′相的分布明显变得更不均匀,这导致极限抗拉强度的下降;随着预拉伸变形量增加,合金塑性、冲击韧性和剥落腐蚀抗力均逐渐下降,但晶间腐蚀抗力先提高后下降。

二元铝锂合金析出相错配度的第一性原理计算

通过第一性原理计算结合准谐德拜模型系统研究了热膨胀系数、固溶度和空位浓度对Al/Al_(3)Li和Al/AlLi晶格错配度的影响规律,发现Al/Al_(3)Li晶格错配主要源于有序■无序相转变和热膨胀系数差异,而Al/AlLi的错配,除了晶体结构外,主要受两相中锂固溶成分的影响。通过与实验析出相的尺寸比较得出Al/Al_(3)Li之间为共格相界,而Al/AlLi为非共格相界。对热膨胀系数、固溶度和空位浓度的分析不仅确定了晶格错配的起源,而且也为相关实验现象提供了理论解释。

Li含量对高Cu铝锂合金均匀化处理的影响

通过金相显微分析(OM)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、差示扫描量热法(DSC)、能谱分析(EDS)和电子探针显微分析(EPMA),研究了不同Li含量对高Cu铝锂合金铸态组织和均匀化处理的影响。结果表明:铸态高Cu铝锂合金的晶界和枝晶间有大量非平衡结晶相存在,主要为富Mg和Ag的Al-Cu相、T_(B)(Al_(7)Cu_(4)Li)相和θ(Al_(2)Cu)相;Li含量对铸锭枝晶间距和第二相种类有明显的影响,当合金中Li含量较高时,枝晶间距较小,T_(B)(Al_(7)Cu_(4)Li)相的占比较大;当合金中Li含量较低时,枝晶间距较大,θ(Al_(2)Cu)相的占比较大。θ(Al_(2)Cu)相占比越大,均匀化处理需要的时间越长,低Li合金、中Li合金和高Li合金适宜的均匀化制度分别为(470℃,16 h)+(500℃,40 h)、(470℃,16 h)+(500℃,24 h)和(470℃,16 h)+(500℃,8 h)。

沉积温度对甲基硅烷化学气相沉积SiC涂层显微组织和烧蚀性能的影响

以甲基硅烷(MS)为气源,采用化学气相沉积方法于不同温度下在石墨表面制备SiC涂层,并系统研究温度对SiC涂层的沉积速率、显微组织和抗烧蚀性能的影响规律。实验结果表明:当沉积温度为1000℃时,以MS为气源的SiC涂层的沉积速率为50~120μm/h,远高于以甲基三氯硅烷为气源的沉积速率(5~10μm/h)。当沉积温度较低(900~1000℃)时,以MS为气源所制备的SiC涂层整体光滑、平整,呈球形紧密堆积形貌;沉积温度较高(1100~1200℃)时,SiC涂层呈不规则菜花状颗粒堆积形貌,且微晶尺寸明显增大;当沉积温度为1000℃时,SiC涂层具有合适的致密性、粗糙度以及尺寸均匀的显微组织,同时,该涂层经2300℃等离子烧蚀80 s后,其质量烧蚀率和线性烧蚀率分别为0.0096 mg/s和0.3750μm/s,显示优异的抗烧蚀性能。本研究为以MS为气源的化学气相沉积法制备SiC涂层提供一定的理论基础和技术支撑。

钨对称倾斜晶界的分子动力学计算模拟

本文通过分析对称倾斜晶界的结构特点,建立了一套基于倒易空间阵点的对称倾斜晶界构建方法,并通过基于嵌入原子势分子动力学模拟研究了体心立方钨不同旋转轴和倾斜角的对称倾斜晶界结构、界面能和分离功。结果表明:在倾斜角或其对应的余角较小的情况下(<20°),随着倾斜角的增大,晶界能增加,说明小角度晶界具有较低的晶界能;而倾斜角较大时,晶界能出现了局域极小值,对应着特殊的大角度对称倾斜晶界,通过界面原子结构确定了其重位点阵参数;不同旋转轴下的对称倾斜晶界的晶界能都不相同,如以[110]和[111]为旋转轴时,体心立方Σ3(112)孪晶界具有最低的晶界能。分离功的结果表明,以[100]为旋转轴的特殊大角度对称倾斜晶界易于断裂,而以[110]和[111]旋转轴的孪晶界Σ3(112)及偏离其一定角度的大角度晶界具有高的分离功,在钨及钨合金的界面结合和断裂强度上起主要作用。

富Ce混合稀土加入量对铝合金组织与导电性能的影响

通过金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、室温导电率及高温电阻率测试等方法研究富Ce混合稀土对铸态及均匀化态铝合金组织与导电性能的影响。结果表明:富Ce混合稀土对铝合金组织具有细化、变质和净化的作用,加入量为0.10%时细化效果最好;随着富Ce混合稀土加入量的增加,细化效果逐渐减弱,但对含铁杂质相的变质作用加强,导电率逐渐升高,加入量为0.30%时,导电率达到62.10%IACS;合金在570℃均匀化24 h后导电率整体上升,富Ce混合稀土加入量为0.30%时,导电率达到62.30%IACS;富Ce混合稀土对铝合金的高温导电性能有不利影响,加入量越多,合金在高温下的电阻率越大,通过均匀化处理可以减小合金的高温电阻率,降低合金电阻率对温度的敏感性。

Ti/Ni复合中间层扩散连接钨与钢接头的断裂行为

复合阻隔扩散连接技术是制备高性能钨/钢异种金属结构件的有效方法。本文研究Ti/Ni复合中间层扩散连接钨与钢接头的断裂行为,分析金属间化合物和残余应力对钨/钢接头性能及断裂方式的影响。结果表明:在拉伸载荷作用下,钨/Ti/Ni/钢扩散连接接头呈现出界面断裂、反应层断裂和混合断裂等3种断裂模式;在较低的连接温度和较短的保温时间下,钨/钢接头发生W/Ti界面断裂,接头强度较低;随着连接温度升高,钨/钢接头断裂发生在钨基体和W/Ti界面的混合区域,接头强度在(950℃,1h)时达到最高,受残余应力和界面强度共同控制;随着连接温度进一步升高,Ti/Ni界面硬脆金属间化合物Ti_(2)Ni、TiNi和TiNi_(3)不断长大,厚度过大造成钨/钢接头在Ti–Ni金属间化合物层断裂。最后,分析钨/钢接头发生解理断裂的微观机制。

激光粉末沉积AlSi10Mg合金的致密化机制

为提高激光粉末沉积(LPD)制备AlSi10Mg合金的致密度,利用田口方法进行了激光粉末沉积AlSi10Mg合金实验设计,研究了激光能量密度对AlSi10Mg合金致密度的影响,获得了LPD制备高致密度AlSi10Mg合金的能量密度阈值范围。采用扫描电子显微镜(SEM)分析了氧化对激光粉末沉积AlSi10Mg合金致密化的影响,并揭示了LPD制备AlSi10Mg合金的致密化机制。结果表明:激光能量密度在120~140 J/mm^(3)之间时,可以获得高致密的AlSi10Mg合金,致密度在98%以上;氧化膜的存在将降低AlSi10Mg熔液在已沉积层表面的润湿性,熔池内AlSi10Mg熔液不能完全铺展开,导致形成孔洞等缺陷;高激光能量密度可破碎已沉积在AlSi10Mg层表面的氧化膜,使AlSi10Mg熔液能够在已沉积层表面完全铺展。

粉末特性对30CrMnSiNi2A钢组织和性能的影响

采用水雾化(water atomization,WA)、气雾化(gas atomization,GA)和等离子旋转电极雾化(plasma rotating electrode process,PREP)方式制备30CrMnSiNi2A钢粉,对比分析了不同雾化粉末的特征及其烧结体的组织与性能。结果表明:不同雾化粉末的形貌、粒度分布、氧含量及流动性等特征均存在一定差异,其中水雾化和气雾化粉末中存在空心粉和卫星粉,等离子旋转电极雾化粉末无内部缺陷,具有优异流动性,且氧含量最低。三种雾化粉末的烧结样品组织均为粒状贝氏体,但呈现出不同的原始颗粒边界形貌,随粉末氧含量的降低,原始颗粒边界处夹杂物尺寸减小,成分由富Al氧化物变为富Al、Si氧化物。相比于水雾化和气雾化粉末,等离子旋转电极雾化粉末的烧结样品拉伸性能最优,其拉伸强度和伸长率分别为1310 MPa和11.5%,这得益于良好的粉末质量和低的氧含量。

90W-Ni-Fe合金在应变率6000 s^(−1)不同应变条件下的微观组织

通过分离式霍普金森杆(SHPB)和应变限位环方法实现90W-Ni-Fe合金在应变率6000 s^(−1)不同应变条件下(0.15、0.25、0.45、0.6)的动态变形,并利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM),电子背散射衍射(EBSD)技术及纳米压痕技术对变形后钨颗粒的微观组织及力学性能进行表征。结果表明:应变低于0.25,钨颗粒主要发生均匀塑性变形,位错滑移是其变形的主要机制;当应变达到0.45时,冲击过程中的温升加速钨颗粒内位错的重排和湮灭,导致钨颗粒内部发生动态回复,形成大量板条状的亚晶粒;当应变达到0.6时,试样内部形成绝热剪切带,其内部组织主要由大量细小的等轴晶组成。晶粒细化导致剪切带内的硬度(13.21 GPa)高于剪切带外的硬度(9.16 GPa)。随着应变的继续增加,微裂纹在剪切带内形核和扩展,导致90W-Ni-Fe合金断裂失效。

钨动态回复过程的相场模型建立及其仿真模拟

本文通过耦合Estrin-Mecking(E-M)位错密度模型,建立了金属动态回复微观组织演变的多相场模型,并研究多晶钨在温度1523~1723 K和应变率0.001~1 s^(−1)范围内发生动态回复过程的力学响应行为,分析其应力−应变曲线、平均晶粒尺寸和动态回复体积分数等变化规律。结果表明:在不同温度和应变率条件下模拟获得的应力−应变曲线和位错密度分布与实验研究相吻合;随着温度升高,动态回复过程中晶界存在细微移动,平均晶粒尺寸相应地增大,且温度越高愈显著。通过量化分析动态回复体积分数,发现提高温度或应变率均可加速动态回复进程,这与已有理论和实验结果一致。

铜对热等静压钨合金微观组织和力学性能的影响

采用热等静压技术(HIP)制备90W-Ni-Fe-Cu合金,并通过SEM、TEM、EDS、EPMA和拉伸实验研究了铜对其微观组织和力学性能的影响。结果表明:随着铜含量的增加,合金烧结温度逐渐降低,实现了90W-Ni-Fe-Cu合金由固相烧结向液相烧结的转变。随着铜含量的增加,热等静压90W-Ni-Fe-Cu合金的拉伸强度和伸长率先增大后减小。铜含量为4%时,球形钨晶粒与γ黏结相均匀分布,拉伸强度和伸长率综合性能最优,分别为953MPa和7.65%,合金断裂方式主要由大量的钨解理断裂和黏结相延性撕裂组成;而当铜含量继续增加到6%时,由于铜对钨在黏结相中的溶解析出被抑制,γ黏结相中的钨含量降低,同时,高的静水压力将液相从钨晶粒间挤出,造成合金综合性能下降。

MAX及其衍生MXene相碳化物的热电性能及展望

热电材料无需提供其他能量就能直接实现热能和电能的相互转换,是一种新型能源材料,然而当前热电材料的发展现状严重制约了热电器件的工程化应用,提高现有热电材料的热电性能或研发具有优异性能的新型热电材料是热电领域永恒的研究主题.近年来,MAX及其衍生MXene相材料由于特有的结构性能而逐渐进入了科研工作者的视线,MAX相的晶体结构由Mn+1Xn结构单元与A元素单原子面交替堆垛排列而成,MAX中A层原子被刻蚀之后可以制备得到对应的衍生二维MXene相,MAX及其衍生MXene相陶瓷兼具金属和陶瓷的特性,具有良好的导热导电性能,有望成为一种非常有前景的热电材料.本文简要综述了近年来MAX相及其衍生MXene相材料的制备技术和热电性能的发展现状,并针对MAX及其衍生MXene相材料的特性提出了一些改善热电性能的可行性方案,据此展望了MAX相以及MXene材料在未来的发展方向和前景.