FHG97/WS_(2)自润滑复合材料力学性能和摩擦学性能的研究

目的探究FHG97/WS_(2)复合材料力学和摩擦学性能。方法采用放电等离子烧结技术制备不同WS_(2)含量的复合材料,通过硬度仪和万能试验机评估材料的力学性能。采用往复式摩擦试验机和白光干涉仪测试25~600℃的摩擦学性能。利用XRD、SEM、EDS和Raman分析材料的物相、显微组织和磨损表面的形貌及元素成分。结果在复合材料制备烧结过程中,WS_(2)与FHG97发生了固相原位反应,生成了Cr_(x)S_(y)和M_(6)C相。新生相提高了复合材料的微观硬度和抗压强度,降低了抗弯强度。摩擦磨损测试结果表明,复合材料的摩擦系数在25~600℃都随温度的升高而降低,添加WS_(2)对摩擦系数降低有积极的作用。磨损率在25~400℃先降低,600℃有所上升。Cr_(x)S_(y)和M_(6)C协同作用使复合材料在25~200℃改善了摩擦磨损性能。400℃时,磨损表面形成的NiO、Cr_(2)O_(3)和Ni_(2)CrO_(4)等氧化物,以及Cr_(x)S_(y)的协同作用使得FW1的磨损率下降1个数量级。600℃时,Cr_(x)S_(y)软化降低了氧化膜的粘附力,使FW1的磨损率略有上升。FW2表面未形成氧化膜,M_(6)C脱落对表面形成磨粒磨损,加剧了表面磨损。结论制备的FHG97/WS_(2)复合材料具有优异的力学性能,FW1在25~600℃内具有最优的摩擦学性能。FHG97/WS_(2)体系材料中WS_(2)的添加量应考虑原位反应对基体中Cr的消耗,避免在高温下无法形成保护性的氧化膜。

深海压力–流速耦合环境下基于灰色系统理论的有机涂层寿命预测研究

目的建立深海压力–流速耦合环境下有机涂层的寿命预测模型,并预测有机涂层在该环境下的服役寿命。方法首先针对涂层的湿态附着力变化结果,基于灰色系统理论,建立湿态附着力的GM(1,1)模型。随后再基于耦合环境下的试验结果,建立涂层水传输的扩散模型。最后,在此基础上,利用灰色关联分析方法,计算这2种失效影响因素在涂层失效过程中所占的权重因子,并基于这2个影响因素建立涂层失效的数学模型。结果经过数学统计验证和试验结果对比验证,该模型精度良好,可靠性高。结论该模型能够对深海压力–流速耦合环境下有机涂层的寿命进行准确预测。

模拟海洋全浸区环境下A517海工钢的腐蚀机理研究

目的 探究 A517 海工钢在海洋全浸区环境下的腐蚀机理。方法 通过模拟海洋全浸区腐蚀环境,利用失重法、SEM、EDS、XRD、电化学等测试技术,分析A517钢的腐蚀行为历程,并探讨其在全浸区的腐蚀机理。结果A517钢在厚度方向上的最大电位差为 13 mV,小于发生电偶腐蚀的最小电位差50mV,说明材料在厚度方向上的腐蚀敏感性一致。随浸泡时间的延长,腐蚀质量损失量逐渐增加,平均腐蚀速率先降低、后升高、最后趋于稳定,腐蚀速率约为 0.127 mm/a。结论 腐蚀动力初期主要是由溶解氧的极限扩散控制,后期则是腐蚀产物的氧化还原电荷转移控制。腐蚀首先在 Al_(2)O_(3)、MgO 等夹杂物处萌生扩展,腐蚀产物出现明显的分层现象,外锈层主要是疏松易脱落的γ-FeOOH,内锈层主要是致密均匀的 Fe_(3)O_(4),同时锈层中还检测到了β-FeOOH和α-FeOOH的存在。锈层中存在大量微裂纹,削弱了产物膜的保护作用,促进了腐蚀的进行。

不同球磨时间下制备的铜基自润滑复合材料力学与摩擦磨损性能研究

目的研究球磨时间对Cu-WS_(2)自润滑复合材料界面状态的影响,同时提高自润滑材料的力学性能和摩擦磨损性能,提出比较优化的Cu和WS_(2)复合材料制备工艺。方法采用高能球磨与放电等离子体烧结技术,制备铜基自润滑复合材料。采用WDW-100电子万能试验机进行力学实验。采用美国Rtec多功能摩擦磨损试验机进行摩擦学实验。采用XRD和SEM表征不同球磨时间的Cu/WS_(2)复合粉末和烧结后块状复合材料的物相组成和微观结构,并结合EDS表征弯折断口的形貌和磨损形貌,分析球磨时间与复合材料界面状态-力学性能-摩擦磨损性能的内在关系。结果当球磨时间为30 h时,WS_(2)在铜基体中有较好的结合与分布,材料的综合性能最佳,WS_(2)/Cu复合材料的力学性能良好,平均摩擦系数为0.186,维持在较低水平,且磨损率最低,为7.11×10^(-5)mm^(3)/(N·m)。球磨时间超过30 h时,磨损率不再与力学性能保持一致,而是随着球磨时间的延长而逐渐提高。球磨时间达到50 h时,基体耐磨性下降,磨损率显著提高,达最大值,为10.39×10^(-5)mm^(3)/(N·m)。结论球磨时间的延长会使WS_(2)在基体中的弥散程度增强,且WS_(2)与Cu基体由于机械互锁式的物理结合增强,使得力学性能随之增强。此外,摩擦磨损性能也能维持在较好水平。但当球磨时间超过30 h时,界面反应加剧,WS_(2)分解为Cu_(2)S,大大减弱了WS_(2)的润滑减摩性能,使得复合材料的摩擦磨损性能降低。

文丘里气泡发生器内气液两相流流型及压降实验研究

针对一类文丘里气泡发生器内气液两相流动的流型及压降开展了实验研究。通过可视化实验观测区分了气泡发生器内3种基本流型,包括泡状流、弹状流和柱状流。实验发现,随着两相流从弹状流转变为柱状流,气泡发生器内压降迅速增大。通过对压力信号的时频分析,证明气泡发生器出口位置最有利于压力信号的在线监测。从压力信号中提取了与流型转变紧密相关的概率密度函数相对峰度和功率谱密度差异系数,并分别应用于弹状流-柱状流和泡状流-弹状流流型转变的识别。由于已有的压降模型无法准确预测文丘里气泡发生器的整体压降,为此本研究提出了新的压降预测方法。新关联式考虑了气泡发生器内部分单液相流过程以及流型转变对压降预测的影响,预测值与实验测量结果吻合较好,相对均方根偏差约为10.74%。

掺杂Ti对Ni基复合材料摩擦学性能的影响

目的通过在NiCr-WS2自润滑体系中掺杂纳米Ti,提升自润滑复合材料在不同环境中的摩擦学性能。方法通过放电等离子烧结(SPS)技术制备了NiCr(N)、NiCr-WS2(NW)、NiCr-WS2-Ti(NW15T)3种复合材料。采用SEM和EDS分析了复合材料的微观性能。通过摩擦磨损试验机分别测试了3种材料在干摩擦、去离子水和3.5%NaCl溶液中的摩擦学性能,并借助RAMAN分析磨痕的化学成分。结果在干摩擦条件下,NW15T的摩擦因数和磨损率分别为0.38和4.2×10^(-5)mm^(3)/(N·m)。相较于传统的NW,NW15T的摩擦因数和磨损率分别降低了22.4%和83.7%;当在去离子水中摩擦时,虽然NW15T也具有较好的摩擦学性能,但是与NW相比优势不明显;在3.5%NaCl溶液中摩擦时,NW15T产生的腐蚀产物避免了摩擦副的直接接触,并使摩擦因数降低至0.16,磨损量降低为0.4×10^(-5)mm^(3)/(N·m)。与NW相比,NW15T在3.5%NaCl溶液中的摩擦因数和磨损率分别降低了38.5%和81.8%。结论在NW传统自润滑复合材料体系中掺入Ti,原位生成了TiS和Ni3Ti,不仅提高了材料的力学性能,同时提高了复合材料在不同环境下的摩擦学性能。尤其是在NaCl溶液中,在TiS和腐蚀产物的共同作用下,NW15T的摩擦因数和磨损率大幅下降。

基于稀土层状化合物制备透明陶瓷研究进展

稀土层状氢氧化物在保留无机层状化合物离子交换性、可插层性及可剥离性的基础上,拥有稀土离子独特的光、电、磁及催化性能,具有广泛的应用场景,是近年来无机层状化合物研究的热点。本文围绕稀土层状氢氧化物(LRHs)的研究发展历程,主要综述了LRHs的结构特性、可控合成和纳米片剥离,以及现阶段在透明陶瓷及薄膜制备中的应用,重点关注基于LRHs制备陶瓷材料技术的发展及优越性,总结了LRHs及其作为前驱体制备的功能陶瓷的结构及物化特性,展望了未来LRHs高效合成及结构设计的研究方向,为今后LRHs在更多领域的规模化应用提供参考。

β相锻造加工工艺中固溶温度对Ti6242合金保载疲劳性能的影响

对Ti6242钛合金进行不同固溶温度(960,980℃)下的β相锻造加工,研究了不同固溶温度下合金的显微组织和拉伸性能,以及高峰值应力下的低周疲劳与保载疲劳性能。结果表明:不同固溶温度下β相锻造后Ti6242合金组织相似,均由网篮组织、晶内α相片层组织和羽毛状α相集束组织组成,960℃固溶温度下羽毛状α相集束多于980℃固溶温度下。与960℃固溶温度下β相锻造后相比,980℃固溶温度下β相区锻造后合金的强度较高,断后伸长率略低,低周疲劳寿命明显较低,保载疲劳敏感系数较低;980℃固溶温度下合金的保载疲劳寿命约为960℃固溶温度下的1.3倍。不同固溶温度下β相锻造后低周疲劳断口的疲劳特征明显,均由疲劳裂纹源、疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区组成,而保载疲劳断口均由韧窝和疲劳条带组成,呈现出一种以蠕变断裂为主、疲劳断裂为辅的断裂模式。

不同Y_(2)O_(3)含量的YSZ块体材料在模拟海洋环境下的腐蚀行为研究

针对钇稳定氧化锆(YSZ)材料在海洋环境中易腐蚀的问题,使用放电等离子烧结技术分别制备了5%和12%(质量分数) Y2O_(3)稳定的YSZ块体材料,并对块体材料在高低温交替的水蒸气环境中进行腐蚀实验,模拟其作为热障涂层面层材料在海洋环境下使用时的腐蚀情况。分析了YSZ在低温水蒸气老化和高温烧结的交替腐蚀过程中,力学性能的变化以及裂纹的形成和扩展行为。结果表明:对于5%Y_(2)O_(3)含量的5YSZ在模拟海洋环境下抗弯强度损失严重,14 d的腐蚀实验使得抗弯强度下降了91.4%。然而对于高Y2O_(3)含量的12YSZ材料,其在相同环境下腐蚀相同时间,抗弯强度未有明显变化。Y2O_(3)含量高的YSZ具有更强的稳定性,更适合在海洋环境使用。

深水压力-流速交互作用下Al-Zn-In牺牲阳极的自腐蚀行为研究

以海洋常用铝基牺牲阳极为对象,研究了深水压力、流速和二者同时作用下Al-Zn-In牺牲阳极的自腐蚀现象。结果表明,深水压力和流速均促进了Al-Zn-In牺牲阳极自腐蚀,但程度有所不同,流速的作用明显大于深水压力。在深水压力作用下Al-Zn-In牺牲阳极腐蚀坑的直径和深度增大,在流速作用下腐蚀坑数量明显增加,电化学反应电阻降低,另外流水对阳极基体的机械冲刷加剧了晶粒脱落,在深水压力-流速交互作用下显著促进阳极自腐蚀。

轻合金锆/钛基转化膜的设计及性能研究

通过对传统锆/钛基转化膜成膜机理的分析,提出了提升锆/钛基转化膜性能的设计理念,并分别在5083铝合金和AZ91D镁合金上进行了实践,显著提升了合金基体的耐腐蚀性能及其与有机涂层的附着性能。通过解析影响锆/钛基转化膜性能的关键因素,指出了当前锆/钛基转化膜研究的不足及其未来的发展方向。

TiAl合金表面搪瓷基复合涂层与多弧离子镀NiCrAlY涂层的抗热腐蚀行为对比研究

以Ti-45Al-2Mn-2Nb合金为基体,采用多弧离子镀制备NiCrAlY涂层、喷涂-烧结法制备搪瓷基复合涂层,对比研究了2种涂层以及合金基体的热腐蚀行为。热腐蚀实验温度为850℃,选用饱和盐溶液溶质成分为75%Na_2SO_4+25%NaCl (质量分数),涂盐量为1.5～2.5 mg/cm^2。研究结果表明,合金基体完全不具备抗热腐蚀能力,表面形成的氧化膜疏松多孔,且极易剥落;NiCrAlY涂层表面生成的保护性Al_2O_3膜提高了合金的抗热腐蚀能力,然而涂层与基体间严重的互扩散及Al_2O_3膜与熔盐的碱性溶解使得NiCrAlY涂层逐渐失效,热腐蚀60 h即出现氧化膜的剥落;而搪瓷基复合涂层在熔盐环境中只发生了轻微的物理溶解,具有极高的热稳定性及较低的热腐蚀速率,有效地阻隔了腐蚀性离子的入侵,抗热腐蚀性能优异。

自修复金属搪瓷高温防护涂层

搪瓷涂层作为一种惰性涂层,能与大多数金属零部件相容并提供优异的腐蚀防护效果。但搪瓷的高温软化及本征脆性限制了其在高温以及热冲击等苛刻环境下的服役。总结了国内外解决搪瓷涂层烧结温度与服役温度相矛盾、涂层热循环时易剥落等问题的最新进展:首先介绍了通过复合陶瓷颗粒以及对搪瓷/陶瓷界面反应的调控,实现提高涂层使用温度的同时不改变其熔炼和烧结温度的方法体系;接着分析了影响搪瓷涂层抗热震剥落性能的因素(包括搪瓷釉热膨胀系数、涂层/基体界面结合、搪瓷釉力学性能等)。基于搪瓷的硅氧网络基本结构,从热物理性能以及力学性能角度改性等方案仅能在有限范围内提高其抗热震剥落能力的现实,最后提出了发展自修复金属搪瓷高温防护涂层,从根本上解决搪瓷开裂与剥落的问题。

700℃下Nb对HR3C奥氏体耐热钢蒸汽氧化行为的影响

目的研究Nb含量对奥氏体耐热钢在水蒸气高温环境下氧化行为的影响。方法选取两种不同成分的HR3C奥氏体耐热钢,在700℃、25 MPa纯水蒸气环境中进行氧化实验,实验周期为1000 h。采用扫描电子显微镜、X射线衍射仪以及光学显微镜,比较两种合金的高温氧化动力学结果,并对氧化物的微观形貌和成分以及合金的组织形貌进行观察和分析,探究Nb对HR3C奥氏体耐热钢蒸汽氧化的影响机制。结果Nb的含量对HR3C奥氏体耐热钢的蒸汽氧化性能产生了显著的影响,HR3C-0#合金的氧化质量增量为0.7746 mg/cm2,显微硬度为258.9HV,HR3C-1#合金的氧化质量增量为1.71619mg/cm2,显微硬度为201.4HV,并且两种合金在蒸汽氧化过程中均出现了晶粒细化。结论当Nb的含量在相对较低范围时,HR3C奥氏体耐热钢表现出良好的抗蒸汽氧化性能及较高的硬度;当合金中Nb的含量过高时,会恶化合金的抗蒸汽氧化性能以及显微硬度,样品表面生成了大量非保护性的岛状Fe2O3,并且伴随着组织结构发生晶粒细化的现象。

耐热镁合金Mg-14Gd-2.3Zn-Zr的高温氧化行为研究

研究了稀土耐热镁合金Mg-Gd-Zn-Zr在高温环境下的氧化行为,将Mg-14Gd-2.3Zn-Zr合金在200、300和440℃三组温度下进行恒温氧化实验,实验周期分别为20 h和50 min。采用X射线衍射仪、扫描电镜、扫描电镜能谱分析对镁合金表面氧化膜的微观形貌以及物相组成进行分析。研究结果显示,镁合金经高温氧化后,氧化膜的主要物相组成为MgO,且随着氧化温度的升高,合金表层Gd的含量逐渐增加。在440℃时,氧化膜内层中较为连续致密的Gd_(2)O_(3)薄膜阻止了合金中Mg^(2+)的进一步消耗,从而提高了镁合金的抗氧化性能。

间苯二胺-氧化石墨烯/有机涂层的制备及防腐性能研究

针对有机涂层中氧化石墨烯(GO)分散性差、与树脂相容性不好的问题,本工作选择间苯二胺作为"桥接物质",利用其分子上的两个胺基与GO和环氧树脂的环氧基团分别键合,从而改善GO与环氧树脂间的相容性。同时,利用间苯二胺的空间位阻效应有效改善了GO的团聚问题,提高在环氧树脂中的分散性。采用化学接枝法得到间苯二胺表面改性的GO(M-GO),并制备了M-GO与环氧树脂E-44复合涂料(EP/M-GO)。结果表明,间苯二胺的胺基能够成功与GO表面的环氧基团键合,且在透射电镜下可以观察到M-GO呈现出少量片层的状态,团聚现象明显改善。另一方面,涂层截面形貌表明M-GO与基料树脂之间结合良好。复合涂料在12 d的盐雾实验后仍然能够为金属基底提供保护,且浸泡1000 h后的阻抗模值(|Z|0.01 Hz)仍可达109数量级,防腐性能明显提高。

A517Gr.Q海工钢在模拟海洋飞溅区的腐蚀行为研究

利用失重法和SEM、EDS、XRD、FT-IR等分析技术研究了A517Gr.Q海工钢在模拟海洋飞溅区干湿交替环境下的腐蚀行为以及环境湿度的影响。结果表明:在飞溅区干湿交替环境下,A517钢的腐蚀较为严重,在敞口和半封闭两种模拟环境(实验箱平均环境湿度分别为(62±5)%、(83±5)%)下腐蚀失重均随着时间的延长而增大,平均腐蚀速度都是先增大后趋于平稳。腐蚀产物均是由γ-Fe_(3)O_(4)OH、β-Fe_(3)O_(4)OH、α-Fe_(3)O_(4)OH和Fe_(3)O_(4)组成。在62%RH环境下电解液膜的停留时间短,干/湿状态变化程度更加彻底,样品表面生成了更多的腐蚀产物,同时生成了较多具有高阴极氧化活性的β-Fe_(3)O_(4)OH,锈层疏松多孔,表现为不均匀的全面腐蚀,材料的腐蚀程度较为严重。而在83%RH环境下,产物膜中生成了更多致密均匀的Fe_(3)O_(4),对侵蚀性Cl-具有一定的阻挡作用。

合金元素在Al基牺牲阳极中的作用机理

电容量大、电流效率高的Al合金具有很大潜力发展成为理想的牺牲阳极。但是,Al金属表面极易生成致密钝化膜,严重影响Al基牺牲阳极的功效。Al合金中的一些合金元素具有破钝化的作用,能够促进Al基体的活性溶解,提高Al基牺牲阳极放电量,因此学者们对合金元素在Al基牺牲阳极中的活化机理开展了广泛而深入的研究。合金元素对Al基牺牲阳极的活化机理主要包括:(1)溶解-再沉积作用;(2)表面自由能吸附理论;(3)第二相优先溶解原理;(4)离子电阻降理论;(5)电位负移理论;(6)非常价态理论等。众多理论的核心思想均是通过机械分离破坏Al_(2)O_(3)钝化膜的完整性,亦或是产生阳离子空位造成氧化膜缺陷。常见的合金元素主要有Hg、In、Sn、Ga、Zn、Mg、Mn、Ti、Zr、Cd、Si、Fe、Bi、Cu及稀土(RE)元素等。合金元素在Al基牺牲阳极活化过程中的作用机理复杂,且存在协同活化作用,合金元素的活化机理尚不十分清晰。因此,本文在查阅大量文献的基础上,重点梳理了Al基牺牲阳极的活化机理,并归纳整理了各合金元素在Al基牺牲阳极中的作用。本文将有助于进一步全面深入理解合金元素的作用机理,从顶层设计的角度出发为设计性能更优异的新型Al基牺牲阳极材料提供了思路。

放电等离子烧结超细晶ODS镍基合金的高温氧化行为研究

通过机械合金化(MA)和放电等离子烧结(SPS)制备了Cr_(2)O_(3)颗粒强化的超细晶结构镍基高温合金(ODS合金)。对比研究了不添加氧化物颗粒合金(Base合金)和ODS合金样品的微观结构和高温氧化行为。结果表明,在1200℃烧结过程中,Cr_(2)O_(3)完全转变为Al_(2)O_(3)。由于SPS快速烧结及弥散分布的原位Al_(2)O_(3)颗粒钉扎,抑制了晶粒长大,ODS合金具有十分细小的晶粒结构,其平均晶粒尺寸为0.98μm;Base合金平均晶粒尺寸稍大,为1.54μm。ODS合金在900℃下具有较好的抗氧化性能和较低的氧化速率,得益于其表面迅速生成了连续致密的内层α-Al_(2)O_(3)膜,能有效地阻止Ti和Cr向外扩散,表面生成少量保护性较差的TiO_(2)和NiCr_(2)O_(4)。而Base合金表面则生成了以Al_(2)O_(3)为内层,TiO_(2)和Cr_(2)O_(3)为中间层以及NiCr_(2)O_(4)为外层的多层结构氧化膜,并且其在初期的氧化速率较快,为1.66×10^(-7) mg2·cm^(-4)·s^(-1),是ODS合金的2倍多。

模拟高温海洋环境中铝化物/搪瓷复合涂层腐蚀行为研究

对镍基高温合金GH4169基体先采用包埋渗铝工艺制备铝化物涂层,随后在渗铝涂层表面喷烧搪瓷涂层,得到了渗铝+搪瓷复合涂层。该涂层外层由搪瓷涂层组成,厚度约为40μm;中间层为渗铝涂层,厚度约20μm,主要为Ni_(2)Al_(3)相,搪瓷涂层和渗铝涂层结合良好;内层为互扩散区,厚度约为3μm。分别考察了搪瓷+渗铝复合涂层、渗铝涂层和GH4169合金基体在650℃NaCl+水蒸汽+氧气中进行模拟高温海洋环境腐蚀实验。结果表明,渗铝涂层和合金中的Fe和Cr在NaCl+水蒸汽协同腐蚀作用下发生氧化-氯化自催化反应,表面的氧化膜破坏严重。搪瓷涂层隔绝了NaCl和水蒸汽等腐蚀介质,从而阻断氧化-氯化自催化反应,保护了渗铝涂层和合金。