高品质钼靶材低压等离子喷涂成形技术研究

采用低压等离子喷涂成形技术制备了片状及回转体钼靶材,研究了钼靶材孔隙率、氧含量、微观结构、显微硬度及拉伸强度等性能,开展了片状钼靶材的磁控溅射镀膜研究。研究结果表明:低压等离子喷涂成形钼靶材为典型的定向凝固柱状晶层片结构,层片界面结合紧密,孔隙率约1.1%、氧质量分数为0.18%,显微硬度为HV0.025 361.8,抗拉强度达到373.2 MPa,各项指标均明显优于大气等离子喷涂成形钼制品。低压等离子喷涂成形片状钼靶材可磁控溅射沉积出平整、致密、连续的钼薄膜,镀膜厚度约700 nm,X射线衍射谱线表明钼薄膜为体心立方结构,沿(110)方向择优生长。磁控溅射离子的均匀轰击导致钼靶材表面快速溅射及均匀减薄,溅射表面及截面较为平整光滑,溅射凹坑均为纳米级。

基于纳秒激光诱导等离子体辅助烧蚀的玻璃表面金属化实验研究

由于激光诱导等离子体辅助烧蚀(LIPAA)在玻璃表面金属化加工中具有经济、环境友好且高效的特点,该文研究了在纳秒激光下以金属铜作为牺牲靶材,于玻璃基板上采用LIPAA工艺实现直接平面金属化的可行性。为此,对逐行扫描LIPAA制备的玻璃基板上平面金属层的形态和化学成分进行了详细表征;进一步,结合扫描电子显微镜及X射线能谱分析仪对试件在不同激光扫描速度、线间距、激光功率及频率下金属化的表面形貌演变进行了深入分析,揭示了以上加工参数对玻璃表面金属化覆盖率及形貌的影响规律。实验结果表明,当激光功率为20 W,激光频率为20 kHz,激光扫描线间距为2.5μm,扫描速度为300 mm/s时,玻璃表面的金属化可实现全区域覆盖且厚度适中。

纳秒激光诱导等离子体辅助烧蚀的玻璃表面金属化图案电路研究

激光诱导等离子体辅助烧蚀(LIPAA)在玻璃表面金属化制备中具有经济、环境友好且高效的优点,本文研究在纳秒激光下以金属铜作为牺牲靶材于玻璃基板上采用LIPAA工艺实现金属化图案电路的可行性。为此,首先对逐行扫描LIPAA制备的玻璃基板上金属化图案电路的导电性能进行详细探讨。针对氧化致其导电率下降的弊端,进一步采用氢气还原对其进行后处理优化,并结合扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)对电路性能进行分析,揭示了纳秒激光LIPAA方法制备的玻璃金属化图案电路表面的形貌特征及电阻率的变化规律。结果表明,通过激光图案化去除工艺对玻璃表面金属层进行直接烧蚀,可以在玻璃表面制备精细图案化电路。同时,采用化学氢气还原法可克服金属层氧化严重影响电路电阻率这一弊端。化学氢气还原后的平均电阻率仅为8.18×10^(-7)Ω·m,大幅地提升了玻璃表面图案化电路的导电性,具有广阔的应用前景。

激光选区熔化成形高强铝合金晶粒细化抑制裂纹研究现状

高强铝合金(2×××,7×××等)因具有比强度高、加工性好等优点而被航空航天、汽车等领域广泛应用。随着大推重比飞行器设计及汽车轻量化技术的发展,轻质结构材料的需求日益增加,同时零部件也面临着“薄壁化、中空化、复合化”的发展趋势,高强铝合金的传统加工方法越来越难以满足要求。近年来,激光选区熔化成形(selective laser melting,SLM)作为一种常见的金属增材制造技术(additive manufacturing,AM)在复杂零部件成形领域受到关注,有望成为进一步拓宽高强铝合金应用领域的新兴技术。然而,SLM成形高强铝合金因易产生周期性热裂纹和粗大柱状晶不良组织等问题而发展缓慢,晶粒细化是克服增材制造高强铝合金这一固有热裂问题的关键所在。本文综述了近年来SLM成形高强铝合金显微组织和力学性能调控等方面的研究进展,归纳了不同体系合金的力学性能,重点阐述了抑制SLM成形高强铝合金中热裂纹形成的主要策略,包括SLM工艺参数优化以及通过微合金化或添加纳米颗粒细化晶粒等方法。指出当前研究存在的主要问题是合金成分的改变对材料综合性能以及热处理制度的影响规律尚不清晰等,并展望了未来的发展趋势,如SLM成形新型高强铝合金成分设计与综合性能评价、利用后处理工艺等手段进一步提升合金综合性能以及专用晶粒细化剂的设计与细化机制探究等。

NiTi形状记忆合金的功能特性及其应用发展

NiTi形状记忆合金(shape memory alloys,SMAs)作为一种智能材料,具有良好的超弹性、形状记忆效应和生物相容性等功能特性,被广泛应用于航空航天、医疗器械和工程建筑等领域。其中超弹性在宏观上表现为发生较大的变形仍能恢复原形状,且其远大于常见金属可恢复的弹性应变。形状记忆效应则是温度激励下奥氏体和马氏体两相的相互转变,根据宏观变形分为单程、双程和全程形状记忆效应。而NiTi SMAs的生物相容性体现在低弹性模量和低生物毒性等方面,可应用于正畸、矫正、心血管支架等医疗器件。为充分发挥NiTi SMAs的功能,研究者们不断开发NiTi SMAs相关的智能结构。本文简要综述了近年来研究和发展NiTi SMAs的不同功能特性及其对应的智能结构典型应用,详细介绍和讨论了NiTi SMAs的功能特性、关注问题和应用领域。同时,也对NiTi SMAs阻尼性能和储氢特性进行了阐述。最后,展望了NiTi SMAs在各领域应用上尚需重点关注的问题:利用增材制造技术调控微观结构实现超弹性的稳定性提升;通过建立本构模型为形状记忆效应的稳定应用提供理论指导,并进一步优化结构实现形状记忆效应的宏观放大;提高NiTi SMAs在生物环境里的耐腐蚀性和医疗应用推广。因此,推动NiTi SMAs在不同应用领域的个性化和功能定制化,尚需大量的跨学科研究。

激光选区熔化成形含钛6061铝合金的显微组织与力学性能

激光选区熔化(selective laser melting,SLM)成形6061铝合金易形成粗大的柱状晶和热裂纹。采用低能球磨组装修饰法制备TiH_(2)/AA6061铝基复合粉末,采用激光选区熔化技术制备含钛6061铝合金试样,分析不同TiH_(2)添加量对试样显微组织和力学性能的影响。结果表明:添加1%TiH_(2)(质量分数,下同)即可使合金熔池边界形成连续的等轴晶区,平均晶粒尺寸从59.8μm减小到2.53μm,粗大的柱状晶粒和裂纹被抑制,添加1.5%TiH_(2)时,SLM试样的粗大柱状晶组织绝大部分消失。显微组织转变归因于Ti元素增强成分过冷以及原位反应形成L12-Al_(3)Ti形核质点,该质点与铝基体形成共格界面,具有较强的异质形核作用,显著促进Al基体柱状晶向等轴晶转变及晶粒细化。经激光选区熔化成形后,添加1%TiH_(2)的试样抗拉强度为274 MPa,屈服强度为238 MPa,断后伸长率为18%。

激光选区熔化成形TiB2与SiC颗粒混杂增强铝基复合材料的显微组织与力学性能

在AlSi10Mg合金雾化粉末中添加2%纳米TiB2颗粒和1%亚微米SiC颗粒(均为质量分数),通过低能球磨制备(TiB2+SiC)/AlSi10Mg复合粉末,并采用激光选区熔化(SLM)技术制备(TiB2+SiC)/AlSi10Mg复合材料。采用X射线衍射(XRD)、背散射电子衍射(EBSD)、扫描电镜(SEM)等手段对比研究(TiB2+SiC)/AlSi10Mg复合材料和AlSi10Mg合金的显微组织,并测定材料的拉伸性能。结果表明,(TiB2+SiC)/AlSi10Mg复合粉末的激光反射率低于AlSi10Mg合金粉末的激光反射率(分别为31%和46%),可在较低激光功率(240 W)下进行激光选区熔化成形制备性能优良的(TiB2+SiC)/AlSi10Mg复合材料。TiB2和SiC陶瓷增强颗粒均匀分布,无明显团聚,少量TiB2聚集长大至微米级。通过用(TiB2+SiC)颗粒混杂增强,AlSi10Mg合金的平均晶粒尺寸从7.88μm减小至2.48μm,晶粒组织由粗大柱状晶转变为细小等轴晶及少量短棒状晶,抗拉强度由453.1 MPa提高至509.8 MPa,伸长率从7.2%提高至10.6%。

50钢板表面龟裂纹的形成原因与控制

针对50钢200 mm厚连铸坯轧制钢板的严重表面龟裂(发生率7.92%)问题,采用扫描电镜、光谱分析等方法,研究了表面龟裂的形貌、分布、成分等特征。结果表明,表面龟裂随机出现在钢板上,宽度方向上表面龟裂没有固定位置,裂纹深度较浅,两边呈现高亮度组织和氧化原点特征,光谱分析显示裂纹处碳含量比基体高,增碳质量分数0.2%~0.3%。分析认为,连铸过程中铸坯局部增碳,在加热、粗轧过程中热塑性不均匀而导致裂纹及明显的高温氧化特征。根据连铸保护渣增碳机理,优化了结晶器渣线调整模式、铸坯拉速、水口形状、结晶器保护渣成分等连铸工艺参数,有效降低了连铸坯表面局部增碳及钢板龟裂的发生率。

激光选区熔化成形TiC/SiC协同增强铝基复合材料的组织性能与强化机制

混杂颗粒增强铝基复合材料通过发挥各增强相的协同作用,提高其综合力学性能,具有单一颗粒增强铝基复合材料所不具备的优势。本文采用激光选区熔化(SLM)技术制备了TiC/SiC混杂颗粒增强AlSi10Mg复合材料。通过EBSD、SEM、TEM和拉伸试验研究了添加TiC、SiC颗粒对复合材料的显微组织和力学性能的影响。结果表明:TiC的加入,使(TiC+SiC)/AlSi10Mg复合材料的组织由粗大柱状晶转变为细小的等轴晶,铝基体平均粒径仅为4.27μm。SiC与铝基体之间发生轻微的界面反应,生成少量棒状的Al4C3和Si,界面结合良好。SLM制备的(TiC+SiC)/AlSi10Mg复合材料具有优良的力学性能,其伸长率和抗拉强度分别为(9.7±0.4)%、(488±8)MPa,与SLM制备的AlSi10Mg合金相比,分别提高了19.8%和22.0%。TiC/SiC混杂增强铝基复合材料强度和塑性的提高是多种强化机制共同作用的结果,为采用SLM成形高性能铝基复合材料及其应用提供技术参考,具有重要的研究意义和应用价值。

基于组织特征的挤压铸造A356合金局部力学性能研究

采用基于微观组织特征的有限元分析(FEA),计算了A356挤压铸件不同部位的力学性能。通过不同分析域尺寸、网格尺寸和FEA模型的分析,确定了合适的有限元模型,使用试验拉伸结果对FEA结果进行了验证,探讨了组织特征对性能的影响。结果表明,Si粒子长度和形状因子增大,抗拉强度与伸长率均呈下降趋势;Si粒子的密度和面积分数的增大,抗拉强度提高和伸长率降低;A356合金的损伤演化过程可分为Si粒子断裂(微裂纹的形成)、裂纹的扩展和连接三个阶段;Si粒子小而圆整且分布较均匀时,局部力学性能各向异性小,Si粒子长宽比较大且呈现出明显的方向性时,局部力学性能各向异性加大。

激光熔化沉积H13钢微观组织及力学性能研究

激光熔化沉积技术在模具修复行业有着巨大应用前景,而沉积部件的微观组织和力学性能随激光参数变化的规律对模具修复工艺窗口的选择具有重要意义。采用激光熔化沉积技术制备了H13钢,研究了不同激光功率和扫描速度下H13钢沉积层微观组织演变及其对力学性能的影响。结果表明,激光功率一定时,随着扫描速度由400 mm/min增加到600 mm/min,马氏体尺寸细化,含量增加,沉积层的硬度提高约3%、塑性降低约1%,而强度先增加后减少;缺陷增多导致其与基体的结合强度下降约20%。扫描速度一定时,随着激光功率由1800 W增加到2200 W,马氏体尺寸增大、含量减少,沉积层硬度降低约5%,强度和塑性分别提高约34%和2%;同时缺陷减少使得结合强度提高约58%。

放电等离子烧结-非晶晶化法合成钛基块状非晶复合材料

鉴于块状非晶合金(BAAs)的低塑性特征,回顾了利用放电等离子烧结?非晶晶化法制备高性能块状材料的成形技术,即先机械合金化制备钛基多组元非晶合金粉末,然后利用放电等离子烧结在粉末的过冷液相区固结非晶粉末,再利用非晶晶化法使烧结的非晶块体在随后的烧结和热处理过程中晶化析出β-Ti延性相,控制延性相的形貌、尺度和分布,合成以非晶相或β-Ti晶化相为基体的钛基块状非晶复合材料(CBBAAs),研究不同添加或替换组元对TiNbCuNiAl非晶粉末颗粒尺寸、热物性和微观结构的作用,探索了不同烧结参数对合成的CBBAAs微观结构和力学性能的影响规律,揭示合成含晶化相CBBAAs的理论基础和非晶晶化过程中晶粒形核长大的规律,提出并利用"发展的软硬模型"来阐释应力作用下CBBAAs的断裂机理。研究结果提供一种极具前途的粉末冶金复合材料制备方法,该方法能制备尺寸较大、力学性能优异的含晶化相的块状复合材料。

镍基高温合金焊接修复技术的研究进展

镍基高温合金具有良好的高温抗氧化和抗腐蚀能力,较高的高温强度、蠕变强度和持久强度,以及良好的抗疲劳性能,广泛地用于制造航空发动机和各种工业燃气轮机的热端部件。热端部件在服役过程中由于受磨损、冲击、高温燃气和冷热疲劳等综合作用,易产生热裂纹,致使零件报废。因此,镍基高温合金部件的先进修复技术有着非常广阔的应用前景。文章针对高温合金修复问题进行论述,着重阐述焊接方法在修复技术中的研究进展,主要涉及激光焊、钎焊、摩擦焊和瞬时液相扩散焊等方法。

粉末冶金法制备钛基生物医学材料的研究进展

综述了国内外用粉末冶金方法制备钛基生物材料的研究进展以及应用情况,介绍了目前粉末冶金新技术如注射成型、放电等离子烧结法制备Ti生物材料,综述了常规烧结法、燃烧合成法、纤维烧结法等制备多孔Ti生物材料的进展,论述了粉末冶金方法制备Ti合金-陶瓷复合材料的研究动态。指出将材料科学与生物科学结合起来是今后的发展方向。

挤压工艺对喷射成形6061铝合金组织与性能的影响

在2000kN四柱液压机上对铸态、喷射态6061铝合金进行挤压处理,研究了挤压温度、挤压比对喷射态合金微观组织及力学性能的影响,分析了挤压态合金的断裂机理,并对比了铸态、喷射态合金挤压后的力学性能。结果表明,当挤压比为6.25时,随着挤压温度的升高,合金试样发生再结晶的晶粒数量增加,到250℃时形成均匀细小的等轴晶组织;合金的硬度和抗拉强度随挤压温度的升高而降低;但伸长率却随挤压温度的升高而升高。当挤压温度为250℃时,合金晶粒尺寸随挤压比的增大而减小;伸长率和抗拉强度随挤压比的增大而升高;而硬度受挤压比变化的影响则不大。挤压态合金的断裂机理为微孔聚集断裂。"喷射+挤压"态合金的抗拉强度和伸长率都比"铸造+挤压"态合金的高。

铁基粉末冶金烧结材料的疲劳与失效行为研究进展

铁基粉末冶金结构零件以其独特的优点和巨大的竞争力已在汽车等行业获得广泛的应用。材料疲劳性能的研究目前仍然是应用和科学研究中的一个重要领域。综述了近年来国内外铁基粉末冶金材料的疲劳与失效行为的研究成果,包括成分、组织和制备工艺等因素对铁基粉末冶金材料的疲劳性能、疲劳裂纹萌生与扩展机制的影响,以及铁基粉末冶金材料的疲劳裂纹扩展速率等方面的研究成果。指出了加强国内相关领域研究,有利于促进粉末冶金学科发展和提升国内的粉末冶金技术水平,对拓展铁基粉末冶金零件的应用具有重要的现实意义。

放电等离子烧结-非晶晶化法合成Ti_(70)Nb_(7.8)Cu_(8.4)Ni_(7.2)Al_(6.6)复合材料

采用机械合金化制备不含和含2%(体积分数)B4C的钛基非晶合金粉末,随后采用放电等离子烧结-非晶晶化法合成不含/含(TiB+TiC)的Ti70Nb7.8Cu8.4Ni7.2Al6.6超细晶/细晶钛基复合材料;运用X射线衍射分析(XRD)、差示扫描量热分析(DSC)、扫描电子显微镜(SEM)和万能材料试验机等对制备的钛基非晶粉末和超细晶/细晶钛基复合材料进行表征。结果表明:高能球磨80 h的钛基粉末中主要为非晶相,B4C颗粒的加入对钛基粉末的玻璃转变温度、晶化温度和晶化焓有显著的影响。另外,不含/含(TiB+TiC)的复合材料的显微硬度分别为5.47和5.33 GPa;以50 K/min升温到1 223 K并保温10 min获得的Ti70Nb7.8Cu8.4Ni7.2Al6.6块体试样的断裂强度和断裂应变分别为2 098 MPa和11.5%。

放电等离子烧结合成晶化相增强的块状Ti_(66)Nb_(18)Cu_(6.4)Ni_(6.1)Al_(3.5)细晶复合材料

基于改进的非晶形成合金体系,选取Ti66Nb18Cu6.4Ni6.1Al3.5合金为研究对象,通过放电等离子烧结机械合金化制备的非晶合金粉末,结合非晶晶化法,合成以高Nb含量的晶化β-Ti(Nb)延性相为基体的块状细晶复合材料。利用X射线衍射(XRD)、差示扫描量热仪(DSC)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和万能材料试验机等手段对合成的非晶合金粉末和细晶复合材料进行表征分析。结果表明:球磨60 h后,初始混合粉末绝大部分转变成了非晶相,其玻璃转变温度、晶化温度、晶化峰值温度和熔化温度分别为750 K、830 K、847 K和1422 K,表明Nb含量的增加显著提高合金体系的热稳定性。另外,合成的块状钛基细晶复合材料的显微结构为β-Ti延性相包围(Cu,Ni)-Ti2相,其相区尺寸均大于1μm。当升温速率为167 K/min、烧结温度为1 373 K时,合成的复合材料密度、屈服强度、断裂强度和断裂应变分别为5.64 g/cm3、1 705.8 MPa、2 126.4 MPa和5.4%。

7075/6009铝合金复合材料热压缩变形的本构方程

采用Gleeble-3500型热模拟机对7075/6009铝合金复合材料在变形温度为300～500℃、应变速率为0.001～1s^(-1)条件下的热压缩变形进行了研究,并得出了本构方程。结果表明:应变速率和变形温度对该复合材料的流变应力有显著影响,流变应力随变形温度的升高而降低,随应变速率的提高而增大;可采用Zener-Hollomon参数的双曲正弦函数来描述该复合材料热压缩变形的峰值流变应力;热压缩变形本构方程中的结构因子A、应力水平参数α和应力指数n分别为1.23×10^(11)s^(-1),0.021和6.449,热变形激活能Q为166.89 kJ·mol^(-1)。

真空室压力对低压等离子喷涂成形钨靶材显微组织及性能的影响

采用低压等离子喷涂成形技术制备片状及回转体钨靶材,分析真空室压力对钨靶材致密度、氧质量分数、微观结构、显微硬度及抗拉强度等性能的影响,并对片状钨靶材的磁控溅射镀膜进行研究。结果表明:随着真空室压力由1.3×104Pa增大至3.9×104Pa,钨粉充分熔化铺展,未熔W颗粒减少,钨靶材氧含量稍有提高,致密度,显微硬度和抗拉强度分别增大至97.2%,377.8HV0.025及201.1MPa。然而,当真空室压力进一步增大至6.5×104Pa后,钨靶材层片结合界面形成絮状的W3O夹杂层,氧含量增大至0.71%,其各项性能反而有所降低。低压等离子喷涂成形片状钨靶材(3.9×104Pa真空室压力)可磁控溅射沉积出平整、致密、连续的钨薄膜,镀膜厚度约为300nm。XRD结果表明,钨薄膜为体心立方结构,沿(110)方向择优生长。磁控溅射离子的均匀轰击导致钨靶材表面快速溅射及均匀减薄,溅射表面及截面较为平整、光滑,溅射凹坑接近纳米级。