钨纤维增韧钨基复合材料的研究进展

钨纤维增韧钨基复合材料作为一种理想的面向等离子体材料,可以不需要引入其他合金元素,通过充分发挥钨纤维本身的优异性能而提升其韧性。对钨纤维增韧钨基复合材料的增韧机理、增韧相类型、制备方法的研究现状进行了综述,重点介绍了钨纤维表面改性、钨纤维体积分数以及烧结温度对复合材料性能的影响,指出了该复合材料今后的研究方向。

合金元素Zr对Cu-Y_(2)O_(3)复合材料组织和性能的影响

通过机械合金化和放电等离子烧结制备Cu-Y_(2)O_(3)和Cu-Y_(2)O_(3)-Zr复合材料,并采用光学显微镜、扫描电镜、透射电镜、电导率和拉伸实验对其组织和性能进行系统研究。研究发现,复合材料的显微组织对其力学性能和电导率具有很大影响。电学性能的改善可归因于共格Y4Zr_(3)O_(12)粒子的形成和Cu_(4)Zr相的优先成核,它们分别改善了Y_(2)O_(3)和Cu基体之间的界面以及降低了位错密度。此外,Cu-Y_(2)O_(3)-Zr复合材料的屈服强度为265.6MPa,极限抗拉强度为301.0MPa,伸长率为23.6%,电导率达到92.0%(IACS)。

Hf含量对湿化学法制备超细W-Y_(2)O_(3)复合材料显微组织与性能的影响

本文在现有W-Y_(2)O_(3)材料基础上,引入微量Hf4+掺杂入Y_(2)O_(3),调节Y_(2)O_(3)与W晶粒之间的界面关系,从而改善W基材料的综合性能。通过改变Y与Hf元素的掺杂比例,获得纳米级W基复合粉体,在氢气气氛下常规烧结制备W-Y_(2)(Hf)O_(3)复合材料。采用SEM、TEM等表征手段对W-Y_(2)(Hf)O_(3)复合材料的性能进行表征分析,研究Y与Hf元素在材料中的作用规律。结果表明:掺杂Hf元素有利于后续氢气还原,在第二相掺杂量不变条件下,当Hf含量增加时,所获得的粉体粒径减小,W-3Y-7Hf的粒径约为100 nm,明显小于传统制备的W-Y_(2)O_(3)粉体。烧结后的块体晶粒尺寸细化,显微硬度和相对密度随之增大,成分为W-3Y-7Hf烧结块体显微硬度最高,为513.7HV_(0.2),致密度为97.6%。在钨基材料中同时添加Y与Hf元素会在钨晶粒的晶界与晶内处形成复合第二相氧化物Y_(2)Hf_(2)O_(7)颗粒,尺寸更小,弥散强化作用更强;其中,W-3Y-7Hf中第二相氧化物颗粒尺寸仅为200 nm左右,与钨晶界产生良好的界面结合关系,形成半共格界面。

磷酸盐陶瓷涂层耐高温冲蚀磨损性能研究

[目的]垃圾焚烧炉锅炉管道面临严重的高温冲蚀磨损问题,本文研究了磷酸盐陶瓷涂层的耐高温冲蚀磨损性能,以期实现对垃圾焚烧炉锅炉管道的长寿命保护。[方法]以浓磷酸、氢氧化铝、氧化镁和氧化锌为原料,在12Cr1MoV钢表面制备了磷酸盐陶瓷涂层。在不同冲蚀颗粒质量和冲蚀角下对涂层进行高温冲蚀磨损试验,利用X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)研究了磷酸盐陶瓷涂层的微观组织结构和冲蚀磨损形貌,探究了涂层的高温冲蚀磨损机理。[结果]磷酸盐陶瓷涂层的冲蚀质量损失随着单位时间内冲蚀颗粒质量的增加而线性增大,涂层磨损率最大时的冲蚀角是90°,随着冲蚀角减小,冲蚀率逐渐减小,冲蚀区域由圆形变为椭圆形。涂层表面在冲蚀后出现许多凹坑,冲蚀角越大则凹坑越深、越明显。[结论]磷酸盐陶瓷涂层在高温冲蚀磨损试验中符合脆性材料的冲蚀磨损规律,它适用于垃圾焚烧炉锅炉管道防护领域。

面向等离子体材料用先进钨复合材料的改性研究进展与趋势

核聚变能是解决未来社会能源危机的有效途径之一,但面向等离子体材料在聚变堆体中面临着来自等离子体严重的辐照和热冲击损伤。纯钨因其高热导率、良好的高温强度、低溅射和低蒸气压而被认为是最有希望的面向等离子体候选材料。纯钨在聚变堆工况条件下具有严重的脆性风险,因而对面向等离子体材料用先进钨材料的改性成为近年来的研究热点。钨基复合材料的改性方法主要包括合金化、第二相强化、纤维增韧和复合强化。本文综述了近年来国内外针对核聚变反应堆面向等离子体材料用钨基复合材料的改性方法及其性能,分析了钨基复合材料的改性机制,并展望了面向等离子体材料用钨基复合材料的发展方向。

La_(2)O_(3)含量对湿化学法制备超细W-Y_(2)O_(3)复合材料显微组织与性能影响规律研究

研究镧元素的添加对钨基材料的性能影响具有重要意义。采用湿化学法结合氢气还原制备成分为(a):W-0.25%(100%Y_(2)O_(3)+0 La_(2)O_(3))(W与第二相含量为质量分数,Y_(2)O_(3)与La_(2)O_(3)含量为原子分数,下同)、(b):W-0.25%(90%Y_(2)O_(3)+10%La_(2)O_(3))、(c):W-0.25%(70%Y_(2)O_(3)+30%La_(2)O_(3))、(d):W-0.25%(50%Y_(2)O_(3)+50%La_(2)O_(3))的粉体,然后通过放电等离子体烧结(SPS)方法制备块体,研究不同镧添加量对超细W-Y_(2)O_(3)复合材料显微组织与性能影响。对前驱体粉体的X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)图谱分析可得,镧的添加能够增大前驱体粉的比表面积,有利于后续氢气还原;不同成分的还原后,复合粉体形貌无明显差别,颗粒细小均匀,粒径约300 nm。块体材料中,成分为W-0.25%(90%Y_(2)O_(3)+10%La_(2)O_(3))的块体性能最好,其平均晶粒尺寸为3.15μm,相对密度大于99%,显微硬度为492 HV0.2。其第二相尺寸约50 nm,W(110)晶面与第二相Y-La-O(222)晶面形成近似半共格界面。

湿化学法W-Re合金制备与性能

本文研究Re添加量对W基材料W-xRe(x=3,5,10)的显微组织与性能的影响。结果表明,采用湿化学法结合氢气还原制备出相应Re含量还原粉体,通过放电等离子烧结制备出高致密度的W-Re合金块体。还原后粉体表面呈现细小珊瑚状形貌,粉体粒度约为400 nm,随着Re添加量的增加,烧结W-Re合金的显微维氏硬度呈现增加趋势。当激光热冲击的功率密度为0.48 GW/m^(2)时,材料表面仅出现粗糙化,比同实验条件下的纯W材料表现出更优异的抗热冲击损伤性能。

高速火焰喷涂FeCoCrNiAlTi高熵合金涂层的耐高温氯腐蚀性能

目的提高垃圾焚烧发电锅炉的水冷壁和过热器管等部件的使用寿命,确定具有最佳耐高温氯腐蚀性能的高熵合金FeCoCrNiAlTix的成分。方法采用高速火焰喷涂在Q235基体上制备FeCoCrNiAlTi_(x)(x=0、0.4、0.8、1.2、1.6)高熵合金涂层,运用扫描电子显微镜、X射线衍射仪研究Ti含量对涂层形貌和组织结构的影响,并测试涂层的抗热震性能和耐高温氯腐蚀性能。结果高速火焰喷涂熵合金涂层呈典型的层状结构,随着Ti含量的增加,涂层的孔隙率降低,x=1.2时涂层的致密度最高,其孔隙率仅为0.46%。添加Ti后的高熵合金涂层由FCC相和BCC相组成,随着Ti含量的增加,FCC相逐渐减少,涂层主要为BCC相。在800℃到常温的循环热震试验中,高熵合金涂层具有良好的抗热震性能。在60 h的高温熔盐腐蚀后,所有高熵合金涂层相较Q235具有显著的耐高温氯腐蚀性能,对高温腐蚀质量变化进行拟合,发现其满足幂函数模型。结论添加适量的Ti能够改善FeCoCrNiAlTi_(x)高熵合金涂层的成形质量,降低涂层的孔隙率,其中高速火焰喷涂FeCoCrNiAlTi_(1.2)涂层的孔隙率最低,抗热震性能和耐高温氯腐蚀性能最好。

固-液掺杂WC-Co-Y_(2)(Zr)O_(3)硬质合金的制备与组织性能

本文采用固-液掺杂和SPS工艺在1250℃和50 MPa下获得高致密的WC-Co-Y_(2)(Zr)O_(3)硬质合金,并研究了Y_(2)(Zr)O_(3)对WC-Co硬质合金的显微组织和力学性能的影响。利用XRD、SEM、TEM及维氏硬度计对硬质合金的组成、显微组织、硬度和断裂韧性进行了测量分析。结果表明:含有0.15%ZrO_(2)和1.30%Y_(2)O_(3)的WC-Co-Y_(2)(Zr)O_(3)合金样品的维氏硬度和断裂韧性分别为1428.6 HV和12.8 MPa·m^(1/2),与WC-Co样品相比,在保持高硬度的基础上,断裂韧性提升了17.4%;Y、Zr和O元素以Y_(2)(Zr)O_(3)化合物的形式存在于WC-Co-Y_(2)(Zr)O_(3)硬质合金,提高了合金的断裂韧性。

放电等离子体烧结Cu/Invar双金属基复合材料的工艺优化、显微结构与力学/热性能

采用放电等离子体烧结(SPS)工艺制备(30~50)%Cu/Invar(质量分数)双金属基复合材料。通过设计正交实验方案,系统研究Cu含量、压制压力及烧结温度对复合材料显微结构、力学性能和热性能的影响。结果表明,随着Cu含量由30%增加至50%(质量分数),Cu基体逐渐转变为连续网络分布,复合材料致密度、热导率及热膨胀系数增大,但抗拉强度降低。提高烧结温度,Cu/Invar界面扩散加剧,导致复合材料的热导率降低,抗拉强度增大。压力对复合材料热性能的影响较为复杂。在700℃,60 MPa下制备的50%Cu/Invar(质量分数)复合材料具有最高的热导率,为90.7 W/(m·K),优于以往报道的大多数Cu/Invar复合材料。

高分数GNFs/6061Al基复合材料的放电等离子体烧结制备及其显微组织与性能

采用放电等离子体烧结(SPS)工艺在610℃制备30%~50%(质量分数)纳米石墨片(GNF)/6061Al基复合材料,研究烧结压力及GNF含量对复合材料显微组织和力学、热学性能的影响。结果表明,SPS有效抑制GNFs/6061Al基复合材料中Al4C3等界面反应产物的生成。随着GNF含量的增加,GNFs团聚程度增加,取向分布程度降低,复合材料致密度、抗弯强度及热膨胀系数(CTE)下降,X−Y方向热导率(TC)增大。提高烧结压力,有助于降低GNFs团聚程度,GNFs沿X−Y方向择优分布越明显,复合材料致密度、抗弯强度及TC增大,CTE下降。在610℃、55 MPa下烧结的50%GNFs/6061Al基复合材料的性能最佳,抗弯强度为72 MPa,TC及CTE分别为254 W/(m·K)和8.5×10^(−6) K^(−1)(室温~100℃,X−Y方向),以及55 W/(m·K)和9.7×10^(−6) K^(−1)(Z方向)。

电解渗氢与低周疲劳对6061-T6Al合金力学性能的影响

采用电解渗氢与低周疲劳结合的方法,模拟研究Ⅲ型储氢瓶内胆用6061-T6Al合金在高压氢气环境与快速充放氢气过程中力学性能的变化规律,为储氢气瓶长期服役安全可靠性评价提供数据支持。结果表明:在电解渗氢过程中,部分H原子吸附在Al合金表面及表面氧化层中,部分H原子溶入Al合金晶格或晶界处,导致6061Al合金强度及塑性降低,且对合金塑性的影响更加明显。低周疲劳导致6061Al合金屈服强度、拉伸强度与屈强比上升,塑性下降,且随着σ_(max)的增大,拉伸断面上呈现更多的脆性断裂特征。在低周疲劳与电解渗氢共同作用下,6061Al合金强度小幅增大,塑性持续降低,且随着σ_(max)的增加,塑性下降幅度增加,拉伸断面准解理断裂特征愈加显著,服役可靠性明显降低。

时效处理对Cu-Y_(2)O_(3)-Ti复合材料组织及性能的影响

以Cu、Y、Ti和CuO粉末为原料,采用机械合金化(MA)和热还原的方法制备了Cu-Y_(2)O_(3)-Ti复合粉末。然后经放电等离子烧结(SPS)技术制备了Cu-Y_(2)O_(3)-Ti复合材料,并对材料进行了900℃固溶1 h和不同温度时效2 h的处理。采用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、能谱仪(EDS)、拉伸试验和导电率测量仪等研究了不同温度时效处理对Cu-Y_(2)O_(3)-Ti复合材料组织及性能的影响。结果表明:随着时效温度的升高,Cu-Y_(2)O_(3)-Ti复合材料的晶粒和第二相尺寸增大,导电率降低,最大应变和抗拉强度先增大后减小。Cu-Y_(2)O_(3)-Ti复合材料经900℃固溶1 h+400℃时效2 h后,综合性能最优,其具有良好塑性的同时,抗拉强度和导电率分别达到326.4 MPa和73.0%IACS。

基于色度分析方法对铜基石墨材料摩擦表面自润滑膜的评价分析

提出一种基于色度分析方法对铜基石墨复合材料摩擦过程中产生的石墨润滑膜图片进行图像处理,从而实现对石墨自润滑膜的覆盖率进行定量分析。这种方法较通常使用的二值化图像处理方法更加合理、准确,能够更加真实地反映出石墨润滑膜覆盖情况。基于色度分析方法对转移膜覆盖率的分析较二值化图像处理方法分析的准确度有显著提升。通过定量分析研究了石墨含量及尺寸对自润滑膜覆盖率的影响,结果发现随着石墨含量的增加、石墨尺寸的减小,自润滑膜覆盖率逐渐增加。分析表明,随着自润滑膜覆盖率的提高,铜基石墨复合材料的摩擦因数成线性降低,而磨损量略有提高。

石墨含量对铜基石墨自润滑复合材料摩擦过程中石墨润滑膜的影响

为研究石墨含量对铜基石墨自润滑复合材料摩擦过程中形成石墨润滑膜的影响,采用粉末冶金法制备了不同石墨含量的铜基石墨自润滑复合材料,测试了复合材料的力学性能,用自制环-块摩擦试验机测试评估了材料的耐磨性能,用光学显微镜实时原位观察了摩擦表面组织形貌的变化,用扫描电镜对磨痕进行观察和分析,通过能谱仪成分扫描分析接触面石墨润滑膜的覆盖率。结果表明:随着复合材料中石墨含量的增加,材料的力学性能逐渐降低,石墨润滑膜的覆盖率先升高后降低,磨损量先减小后增大;当石墨体积分数为14%时,石墨润滑膜的覆盖率最高,磨损量最小,耐磨性能最好。

热处理对Y_(2)O_(3)掺杂WC-Co硬质合金显微组织及性能的影响

采用固液掺杂法和放电等离子烧结制备了WC-Co-Y_(2)O_(3)硬质合金,随后对其进行了不同温度的退火处理。采用光学显微镜、X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)和维氏硬度计等研究了热处理前后WC-Co-Y_(2)O_(3)硬质合金的显微组织和力学性能。结果表明:氧化钇的加入可以细化WC-Co-Y_(2)O_(3)合金中的WC晶粒,提高了合金的维氏硬度和断裂韧性;随着退火温度的升高,WC-Co-Y_(2)O_(3)合金的维氏硬度逐渐降低,断裂韧性先升高后降低;WC-Co-Y_(2)O_(3)合金在500℃退火时拥有最佳的综合性能,维氏硬度为(1377±15)HV30,断裂韧性为(13.0±0.4)MPa·m^(1/2)。

基于往复挤压的7034铝合金形变热处理强韧化机制研究

为提高7034铝合金微观组织均匀性和综合力学性能,开展了往复挤压剧烈塑性变形工艺与固溶时效制度的优化设计研究,并表征了不同变形-热处理方案下材料力学性能、晶粒与第二相尺寸分布、位错组态演化的定量规律,建立了塑性变形和热处理制度与7034铝合金的微观组织和力学性能的关联关系。结果表明:经过3道次往复挤压,平均晶粒尺寸由初始态的59μm细化到7.4μm,平均晶粒尺寸标准差从1道次的3.05下降到3道次的0.8;固溶时效处理后析出相的强化效果强于细晶强化效果,导致延伸率从往复挤压变形态的15%降低到4%;相较于双级固溶时效,单级固溶时效处理后的MgZn2相尺寸更细小,密度更高,且多为半共格的η′相,位错塞积演变为亚晶,二者交互作用更强,起到更好的强化效果。最优热处理制度为单级固溶+单级时效,在此条件下,抗拉强度与延伸率分别达到747 MPa和4.3%,优于双级固溶+双级时效制度。

WC-Co硬质合金的成型工艺研究进展

WC-Co硬质合金由难熔金属化合物WC和粘结相Co组成,其展现出优异综合性能因而被广泛应用于制造各种削切刀具和耐磨部件。目前人们研究的重点在硬质合金粉体的制备、烧结以及晶粒长大抑制剂等方面,然而硬质合金的成型工艺由于技术复杂且较难改进,受到的关注较少,但成型工艺作为硬质合金制备的重要一环起着从粉末到样品的承接作用,成型后坯体具有高致密度、高均匀性对于后续烧结获得最终硬质合金产品的物理力学性能具有很大的促进效果。对注射成型、等静压成型、模压成型等传统WC-Co硬质合金成型技术进行介绍,并对最新研究进展进行概述,重点介绍近年来兴起的3D打印技术在WC-Co硬质合金上的应用现状,最后对各种成型技术的优缺点及前景进行分析与展望。

B_(4)C-TiB_(2)-SiC-TiC复合陶瓷钎焊接头微观组织与力学性能

采用Ag-Cu-Ti钎料及Ag-Cu-Ti+B_(4)C复合钎料对高性能B_(4)C-TiB_(2)-SiC-TiC(BTST)复合陶瓷进行了钎焊连接,分析了Ag-Cu-Ti钎料在复合陶瓷表面的润湿行为,研究了钎焊温度、保温时间以及B_(4)C含量对接头界面组织及力学性能的影响。结果表明:钎料对BTST复合陶瓷具有良好的润湿性,界面反应主要发生在Ti与复合陶瓷之间,反应产物主要为TiC和TiB。钎焊温度和保温时间显著影响钎焊接头的界面组织和力学性能。随着钎焊温度的提高或保温时间的延长,BTST复合陶瓷侧界面反应层逐渐增厚,钎缝组织趋向于形成Ag-Cu共晶组织,钎焊接头弯曲强度先升高后降低。随着钎料中B_(4)C含量的增加,接头中陶瓷侧反应层厚度急剧降低,钎缝区域组织得到细化,接头强度先升高后降低。当添加B_(4)C颗粒含量(质量分数)为1%,钎焊温度890℃,保温时间15 min时,钎焊接头弯曲强度最高为314.2 MPa。

预变形TA15合金脉冲电处理球化行为研究

开展了预变形片层组织TA15合金电脉冲处理实验,对片层组织形貌及位错、界面结构进行表征,深入分析预变形片层组织TA15合金在脉冲电流作用下的微观组织演变机理。结果表明,电脉冲促进TA15合金中的原子扩散和缺陷反应,从而使片层组织发生电致静态球化;且随着电流密度增大和通电时间的延长,片层组织球化率增大,平均晶粒尺寸先增大后减小。α相球化前期由末端迁移机制控制,后期受晶界分离和Ostwald熟化控制,而β相球化的主要机制是晶界分离。电脉冲处理后球化α相的新生界面强化导致材料硬度最大提升26.41%。