重点实验室研究进展

钼合金具有室温脆性以及强度低、延性差等本征特性,导致其深加工困难、产品性能低、应用领域受限。如何同步提高钼合金的强度与延、韧性,一直是本领域的挑战性难题。西安交通大学金属材料强度国家重点实验室孙军教授课题组经过多年努力,揭示了稀土氧化物掺杂钼合金中晶粒及晶内与晶界粒子强韧化尺寸效应特性和机理,建立了强韧化定量解析模型,证实了细化稀土氧化物及钼晶粒均可有效提高钼合金的强度和延、韧性,提出了纳米掺杂强韧化的新思路。并据此开发了分子级掺杂的液相混合制备含纳米稀土氧化物钼合金的关键技术,解决了稀土氧化物的纳米化与非团聚化、及其在钼晶粒内部和晶界均匀弥散分布、纳米超细晶结构的高温稳定性等制约该领域发展的3大“瓶颈”难题。所制备的合金中氧化物平均颗粒尺寸小于80 nm,钼晶粒尺寸可达亚微米级（图1）。这种具有纳米稀土氧化物粒子与超细晶微观结构的钼合金在获得显著强化的同时,其拉伸延性可成倍提高。该新型钼合金的强度与延、韧性均超过已报道的国际一流公司同类材料最好水平（图2）,同时明显降低了其塑脆转变温度,并显著提高了合金高温再结晶温度及高温强度与拉伸延性。     

超高强韧Mg-Gd-Y-Zn-Zr变形镁合金研究进展

超高强韧镁合金的研发对推广镁合金在高技术领域的应用具有重要意义。镁与稀土均是我国的优势资源,因此在我国发展超高强韧稀土镁合金具有得天独厚的优势,其中Mg-Gd-Y-Zn-Zr系变形镁合金因其接近高强铝合金的超高强度和塑性,近年来受到研究者的广泛关注。综述了超高强韧Mg-Gd-Y-Zn-Zr系变形镁合金的合金成分、常规塑性变形工艺、新型剧烈塑性变形工艺和热处理工艺对该合金显微组织和力学性能的影响规律,以及该超高强韧变形镁合金的显微组织特征和强韧化机理。T5峰时效态超高强韧Mg-8.2Gd-3.8Y-1Zn-0.4Zr(质量分数)挤压合金具有双峰分布的晶粒尺寸“软-硬”复合层片微结构,以及由高密度的基面γ′纳米片状析出相和棱柱面β′纳米析出相形成的近连续网状结构,该挤压合金室温拉伸屈服强度、拉伸强度和断裂延伸率分别为466 MPa、514 MPa和14.5%。介绍了哈尔滨工业大学等单位在超高强韧Mg-Gd-Y-Zn-Zr系变形镁合金的规模化制备和应用方面的研究进展,并展望了Mg-Gd-Y-Zn-Zr系变形镁合金的发展趋势。     

电铸nano-Al2O3 / Cu 复合材料的组织与性能

采用复合电铸工艺, 在硫酸铜镀液中加入纳米氧化铝颗粒制备了纳米颗粒弥散增强铜基复合材料, 利用扫描电镜、电子透镜对复合材料的表面、拉伸断面和摩擦磨损表面的形貌以及微观组织进行了观察, 并对显微硬度、拉伸性能、磨损性能及电阻率进行了研究。结果显示, 氧化铝颗粒及其团聚体以纳米级尺寸弥散分布在铜基体中, 且与铜基体结合良好。复合材料的硬度最大增幅达42 %。氧化铝颗粒含量在1. 26 %时, 复合材料的拉伸强度和延伸率分别高达385 MPa 、26 %。相对电铸纯铜, 复合材料的耐磨性能明显提高, 而复合材料的电阻率最大增幅小于6 %。      

球磨时间对镍基ODS合金拉伸性能的影响

研究了球磨时间对Y2O3氧化物弥散强化(ODS)镍基高温合金机械合金化和拉伸性能的影响.镍基高温合金采用机械合金化和热压烧结方法制备.镍基ODS高温合金粉末是在行星式球磨机上进行球磨.采用扫描电镜及X射线衍射分析了球磨时间对镍基ODS合金粉末形貌和物相的影响.研究结果表明,Y2O3氧化物弥散强化镍基高温合金机械合金化粉末尺寸随研磨时间的增加先增大后减小,8h粉末颗粒尺寸达到最大,之后粉末颗粒尺寸逐渐减小,28h后,镍基ODS合金粉末尺寸稳定且均匀.拉伸结果表明,采用研磨28h的合金粉末制备的镍基ODS合金具有最高的抗拉强度(1300MPa).     

掺杂方式对钼合金组织与力学性能影响的研究进展

钼是一种银白色金属,具有熔点高、强度大、蠕变速率低、膨胀系数小、导热导电及抗热震性能优、抗磨损和抗腐蚀性能强等特性,广泛应用于化学工业、石油工业、冶金工业、航天工业和核能技术等领域。纯钼在室温下塑性差但在高温下易产生晶界滑动导致较大变形,其在高温下的力学性能较室温下有大幅度衰减,且在高温下易产生较大的蠕变,强度和硬度下降明显。这些特性均限制了纯钼作为结构材料的广泛应用。为了提升钼金属的适用范围,改善钼金属在各种使用场景下的强度及韧性,人们通常在钼金属中加入少量的合金元素,通过微量元素的弥散强化及固溶强化作用清除晶界脆化相,以反应物作为弥散相对钼合金起到强化作用,从而达到提高其性能的目的。在国内外学者的共同探索下,目前已开发出的钼合金有Mo-Al_2O_3、Mo-La、TZM、TZC等。钼合金常用的制备方式是粉末冶金法,掺杂是钼合金制备过程中的第一步,不同掺杂方式的选取会对后续钼合金制品的组织与性能产生不同的影响。粉末冶金制备钼合金的过程中常用的掺杂方式有三种:(1)将钼粉与合金元素粉末混合的固-固(S-S)掺杂方式;(2)将合金元素溶解后混入钼(或氧化钼)粉中,干燥后进行还原的固-液(S-L)掺杂方式;(3)利用钼及合金元素的化合物溶液,经干燥、还原制备钼合金的液-液(LL)掺杂方式。近年来,国内外学者希望通过改进钼合金粉末冶金过程中的掺杂方式来改善钼合金的组织,提升钼合金的性能。研究表明,改进掺杂方式,首先要改进合金粉末的表面状态,使合金粉末的粒度更加细小且分散均匀;其次要使钼合金的烧结坯组织更为均匀,晶粒更加细小,第二相颗粒更加细小且分散;最终由于细晶强化及第二相强化机制使得钼合金的强韧性得到提升。本文综述了近年来国内外学者在掺杂方式对钼合金组织与性能影响方面的研究,分析了掺杂方式对多种钼合金的粉末状态、显微硬度、相对密度、微观结构、第二相分布以及力学性能等方面的影响,并在现有研究的基础上对未来掺杂方式的发展做了建设性展望,对钼合金的生产有重要的借鉴意义。     

钼及钼合金研究与应用进展

综述了钼单晶、钼铼合金、钼钛锆(TZM)合金、钼硅合金、稀土钼合金、钼铜合金的研究现状与应用进展,详细介绍了稀土钼合金的研究与应用,包括稀土钼的韧化作用机理、稀土掺杂钼粉的粒度控制、稀土钼合金力学性能和热发射性能研究.由于钼及钼合金具有高温性能好、热传导率高、膨胀系数低等特性,因此在航空航天、核能工业等诸多领域得到广泛应用.今后,发展新的制备工艺,提供更高性能的材料,开辟新的应用领域成为钼及钼合金发展的关键.     

叠片粉末冶金制备超细晶Al-4％Cu合金的组织与性能

以纯铝、铜粉末为起始原料,采用叠片粉末冶金技术路线,通过球磨片化、复合造粒与扩散合金化,制备出了高强塑性匹配的超细晶Al-4%Cu合金。利用XRD、SEM及TEM,表征了合金相形成、演变及微观组织,并与采用球形铝粉的传统粉末冶金技术制备的Al-4%Cu合金进行了性能对比。结果表明,叠片粉末冶金能够获得拉长超细晶组织,引入的Al_2O_3纳米相使拉长晶在热变形加工过程得以保留;叠片粉末冶金所制备的Al-4%Cu合金屈服强度为378 MPa、抗拉强度达到527 MPa,分别比传统粉末冶金提高26.4%和19.2%,同时保持14.2%的延伸率,实现了强度和塑性的均衡匹配,为高强韧大块铝合金材料制备提供了新思路。     

Zn掺杂对镁锂合金物相结构及力学性能影响的研究

从Mg-5Li-0.5Y出发,制备了不同Zn掺杂比例(0,0.3%,0.5%,1.0%)(质量分数)的镁锂合金材料,研究了Zn掺杂比例对镁锂合金微观结构和力学性能的影响。通过XRD、SEM和力学性能测试等对不同Zn掺杂比例的镁锂合金的物相结构、断面相貌和拉伸性能等进行了表征。结果表明,合金主要由α-Mg和β-Li相组成,为典型的α+β双相结构,随着Zn的掺入,合金中出现了Mg_(12)ZnY的衍射峰;所有合金的晶粒都比较均匀细密,尺寸约在5μm左右,Zn的加入改善了合金的微观结构,使晶粒更细化,晶界更光滑,且改善了α-Mg相和β-Li相的分布;随着Zn含量的增加,合金的抗拉强度和屈服强度都呈现出先增大后降低的趋势,而断裂延伸率呈现出逐渐上升的趋势。当Zn的含量为0.5%(质量分数)时,合金的抗拉强度和屈服强度达到最大值,分别为136和125 MPa;当Zn的含量为1.0%(质量分数)时,合金的断裂延伸率达到最大值,为10.7%;Zn的掺入导致合金的晶粒尺寸出现了明显的细化,合金断裂方式为韧性断裂。当Zn的含量为0.5wt%时,合金的力学性能改善效果最好,而继续增加Zn含量,合金断口处颗粒物增多,导致晶体中出现了较多的缺陷和杂质,使得合金的力学性能下降。     

微量Mn元素对超高强铝合金锻件平面力学性能各向异性的影响

通过金相显微镜、扫描电镜、XRD 衍射仪以及拉伸力学性能测试研究了微量 Mn 元素对 Al-Zn-Mg-Cu超高强铝合金挤压带板及其制备的等温模锻件的平面力学性能各向异性的影响。结果表明,微量 Mn 元素的加入可以产生大量含 Mn 第二相,促进超高强铝合金锻件的再结晶,使变形织构强度减弱,再结晶织构强度增加,降低高强铝合金锻件的平面力学性能各向异性。此外,弥散细小的含锰相使合金断裂形式转变为穿晶延性断裂,提高了合金的延伸率。     

快速凝固/粉末冶金法制备ZK60高强镁合金

采用快速凝固/粉末冶金法(RS/PM)制备块体ZK60(Mg-5.52Zn-0.33Zr,质量分数/%)镁合金,研究了挤压态合金在200,300℃退火1h后微观组织和力学性能的变化.结果表明:挤压致密化过程中,合金粉末颗粒在剪切力作用下被拉长,内部晶粒碎化成小角度亚晶粒、位错胞和条带状亚晶,第二相纳米颗粒沿亚晶界随机分布;随后200℃退火后,组织发生不完全再结晶,位错密度有所降低;而在300℃退火后,合金组织发生完全再结晶,形成平均尺寸约2.5μm的等轴晶,同时晶内析出大量β2′相.挤压态合金的屈服强度和延伸率分别为394MPa,15.2%;随着退火温度的升高,强度略有下降,塑性提高,合金综合性能优异.     

Mo-8wt%Cu纳米复合粉末的烧结与加工

用机械合金化法制取Mo-8%Cu(质量分数)纳米复合粉末,采用液相烧结和致密化后处理工艺制备了Mo-8%Cu(质量分数)合金。通过扫描电镜对Mo-Cu液相烧结和变形加工后合金显微组织进行了分析,研究了各种工艺参数对Mo-Cu合金致密性、拉伸强度、延伸率和晶粒尺寸的影响。结果表明,高能球磨的Mo-8%Cu(质量分数)纳米复合粉末坯体,经液相烧结后,其烧结态为Mo、Cu复合网状组织,可获得相对密度高达98.6%的Mo-Cu合金,再经静液挤压变形加工处理后,可获得全致密的Mo-8%Cu(质量分数)合金,在室温静液挤压40%形变率的条件下,拉伸强度可达到576MPa,延伸率5.8%。     

化学法制备ODS钢的新工艺技术

氧化物弥散强化(Oxide Dispersion Strengthened,ODS)铁素体钢,由于其优异的高温力学性能和良好的抗辐照能力被认为是快堆与超临界水堆燃料包壳管候选材料之一。传统ODS钢的制备方法是采用机械合金化法向铁素体钢中添加高熔点弥散细小的氧化物Y2O3而具有优良的高温强度,但合金的塑性和冲击韧性较差,热加工中存在严重的组织和性能各向异性,给合金制备或薄壁管带来极大的困难。     

Al、Mn元素对Mg-2.5Sn-3.5Ca合金微观组织与力学性能的影响

目的 研究Mg-Sn-Ca-Al系合金的力学性能与微观组织之间的关系,以期开发一种新型的高性能、低成本的非稀土镁合金材料。方法 在非稀土Mg-2.5Sn-3.5Ca合金中添加Al和微量Mn元素,制备出了Mg-2.5Sn-3.5Ca-xAl合金（x=1,5;分别标注为TXA341,TXA345）以及Mg-2.5Sn-3.5Ca-5Al-0.5Mn合金（标注为TXAM3450）,并对其铸态、均匀化态以及挤压态合金的微观组织与力学性能进行系统研究。结果 TXA345合金兼备高的强度和优良的塑性,其屈服强度、抗拉强度和塑性分别为~340 MPa,~350 MPa,~9.6%;TXAM3450合金表现出更高的屈服强度（~360 MPa）和抗拉强度（~375 MPa）,但是其塑性仅有~3.5%;TXA341合金的屈服强度、抗拉强度和塑性分别为~215 MPa,~298 MPa,~4.3%。高Al含量的TXA345合金表现出较高屈服强度,是由于合金内部形成了高密度的G.P.区,并直接导致其再结晶晶粒可细化至~0.8 μm。继续在TXA345合金的基础上添加微量的Mn元素,TXAM3450合金内G.P.区的析出密度继续提高,并且会伴有条带状Al2Ca微米第二相的出现,因此其屈服强度进一步升高,然而该条带状微米相在室温下的塑性较差,因此直接导致TXAM3450合金低的伸长率。结论 相关结果对于设计高强塑兼备的非稀土变形镁合金具有较好的指导意义,为非稀土镁合金在结构材料中的广泛应用提供了可能。     

氧化物弥散强化高温合金抗氧化性能的研究进展

氧化物弥散强化商业高温合金因氧化物颗粒在基体中的弥散强化作用而具有较好的高温力学性能,如今被广泛应用于航空航天、能源、汽车等领域的高温部件。研究发现,氧化物颗粒的掺杂不仅可以使合金基体具有优异的高温强度,还可以显著提高基体的抗氧化性能。概述了氧化物颗粒种类、尺寸和含量对高温合金抗氧化性能的影响,从合金初期氧化行为、氧化膜生长速度、生长机制、粘附性能等角度重点关注不同性质氧化物(如活性元素氧化物和非活性元素氧化物)弥散质点在氧化过程中作用机理的异同,最后对未来的研究方向做出了展望。     

碳化物陶瓷颗粒对双相高熵合金基复合材料微观组织和力学性能的影响

高熵合金拓宽了复合材料中金属基体的选用范围。本文通过外加碳化物陶瓷颗粒,利用电弧熔炼技术制备Fe_49.5Mn₃₀Co₁₀Cr₁₀X_0.5 (X=B₄C、ZrC和TiC)等3种高熵合金复合材料,系统研究3种碳化物陶瓷颗粒对双相高熵合金基复合材料微观组织和力学性能的影响。研究结果表明：掺杂碳化物陶瓷颗粒均可细化高熵合金基体的晶粒尺寸,稳定fcc相,抑制hcp相形成,其中B₄C陶瓷颗粒细化晶粒和稳定fcc相效果最显著。掺杂ZrC和B₄C陶瓷颗粒样品,力学性能低于高熵合金基体样品,归因于ZrC和B₄C陶瓷颗粒与基体之间的界面结合情况不佳,界面处出现孔洞性缺陷;而掺杂TiC陶瓷颗粒样品,其强韧化效果显著,归因于良好的界面结合、细晶强化、弥散强化及颗粒承载强化等。     

挤压对喷射成形Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si铝合金组织与性能的影响

采用喷射成形和挤压工艺制备了Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si合金,通过金相、扫描电镜和力学性能测试等实验分析了挤压件的组织和性能。结果表明:沉积态合金中,相组成主要为α-Al、α-Al12(Fe,V)3Si相,除此之外,合金中还含有少量的具有单斜结构的θ-Al13Fe4。挤压态合金在室温下的抗拉强度(σb)达到了415 MPa,屈服强度(σ0.2)达到了345MPa,延伸率(δ5)可达到22.5%;随着拉伸温度的升高,合金的拉伸强度和屈服强度都下降,而合金的延伸率则呈现"下降-上升"的中温脆性规律。     

FeCr-ODS铁素体合金的氧化+粉锻工艺制备及其微观结构

提出一种氧化+粉锻(粉末锻造)新工艺并用其制备了FeCr-ODS铁素体合金。使用SEM、XPS、EPMA和TEM等手段对其表征,研究了粉末表面和内部氧化物的生成、演变以及合金中纳米氧化物弥散相的种类和分布特征。结果表明,在低温氧化过程中粉末表面生成了一层Fe的氧化膜,在随后的加热过程中粉末表面的O元素转移并与Y和Ti元素反应生成了Y-Ti-O纳米氧化物弥散相。通过纳米氧化物弥散相在粉末成型过程中的演变,阐明了粉锻对位错和纳米氧化物析出相形成的贡献。用这种工艺制备的ODS铁素体合金,大量细小的Y₂TiO₅析出相均匀地分布在基体中,晶界上只有少量大颗粒Y₂O₃。     

聚酰亚胺/纳米Al_2O_3三层复合薄膜的制备

将掺杂纳米Al2O3的聚酰胺酸与未掺杂聚酰胺酸在玻璃板上逐层涂膜,热亚胺化制备了3层聚酰亚胺/纳米Al2O3复合薄膜.采用扫描电镜(SEM)对该薄膜的微观形貌进行了表征,测试了薄膜的热稳定性、力学性能及电击穿场强.结果表明,复合薄膜的热性能及电击穿场强均高于掺杂薄膜及未掺杂膜,当热失重达到10%时,复合薄膜的热分解温度达到了629.1℃;与掺杂薄膜相比,复合薄膜的力学性能得到明显提高,拉伸强度和断裂伸长率分别为117.4 MPa和18.5%.     

MGH956合金TIG焊原位合金化对其组织性能的影响

采用TIG焊对氧化物弥散强化(ODS)高温合金MGH956进行原位合金化焊接.在相同的焊接条件下,填加两种不同的填充材料:与母材化学成分相似的基体填充材料,以及在基体填充材料基础上加入了合金元素Al和Fe2O3的Al-Fe2O3填充材料.通过对比分析两组试样在焊接过程中发生的原位合金化反应机理,及其对焊缝微观组织和力学性能的影响,研究原位合金化反应对ODS合金TIG焊接头组织与性能的影响.结果表明:在填充材料中加入Al和Fe2O3合金元素时,焊缝处的气孔数量明显减少,气孔尺寸也较为减小;焊缝中原位生成了新的增强相颗粒Al2O3、TiC以及YAlO3,同时,基体中的纳米级增强相Al-Y复合氧化物团聚倾向降低.力学性能试验结果表明,填加Al-Fe2O3填充材料时焊缝显微硬度值明显提高,接头抗拉强度达到了578 MPa,为母材强度的80.3%.     

金属材料强度国家重点实验室在高性能钼合金研究方向取得重要进展

钼合金具有室温脆性以及强度低、延性差等本征特性,导致其深加工困难、产品性能低、应用领域受限。如何同步提高钼合金的强度与延、韧性,一直是本领域的挑战性难题。西安交通大学金属材料强度国家重点实验室孙军教授课题组经过多年努力,揭示了稀土氧化物