高熵合金AlCrTaTiZrRu/(AlCrTaTiZrRu)N0.7扩散阻挡层的制备与性能研究

目的 验证15 nm厚度AlCrTaTiZrRu/(AlCrTaTiZrRu)N0.7的势垒层热稳定性和扩散阻挡性能。方法 采用直流磁控溅射技术在n型Si(111)基片上真空溅射沉积15 nm的AlCrTaTiZrRu(3 nm)/(AlCrTaTiZrRu)N0.7 (12 nm)双层阻挡层,随后在双层AlCrTaTiZrRu/(AlCrTaTiZrRu)N0.7薄膜的顶部沉积50 nm厚的Cu膜,最终制得Cu/AlCrTaTiZrRu/(AlCrTaTiZrRu)N0.7/Si复合薄膜试样。将样品在真空退火炉中分别进行600~900 ℃高温退火30 min,以模拟最恶劣的应用环境。用场发射扫描电镜(FE-SEM)、X射线衍射仪(XRD)、能谱分析仪(EDS)、四探针电阻测试仪(FPP)以及原子力显微镜(AFM)对试样的表面形貌、物相组成、化学成分、方块电阻和粗糙度进行表征分析。结果 沉积态AlCrTaTiZrRu/(AlCrTaTiZrRu)N0.7薄膜呈现非晶结构,与Cu膜和Si衬底的结合良好。在800 ℃退火后,Cu/AlCrTaTiZrRu/(AlCrTaTiZrRu)N0.7/Si薄膜系统结构完整,膜层结构界面之间未出现分层现象,表面Cu颗粒团聚现象加剧,Si衬底和Cu膜表面未发现Cu-Si化合物生成,薄膜方阻保持在较低的0.070 ?/sq;900 ℃退火后,薄膜系统未出现层间分离和空洞现象,Cu膜表面形成孤立的大颗粒Cu-Si化合物,薄膜电阻率大幅上升。结论AlCrTaTiZrRu/(AlCrTaTiZrRu)N0.7双层结构在800 ℃退火后仍能有效抑制Cu与Si相互扩散,其非晶结构增强了Cu/HEA/HEAN0.7/Si体系的热稳定性和扩散阻挡性。     

斜轧穿孔法制备Ti80合金无缝管工艺分析

运用有限元技术模拟了两辊斜轧穿孔法制备Ti80合金无缝管坯的三维热力耦合过程。仿真结果能动态显示坯料从咬入到稳定穿孔再到穿出3个阶段复杂的塑性成形过程,并能辅助分析中心孔腔的形成机理以及坯料在穿孔阶段各物理场量的分布。结果表明:坯料刚接触顶头时,中心金属存在明显塑性变形,结合轧制中心线上不同方向的正应力状态为(+,-,+),判断中心孔腔的形成为拉应力作用下的塑性开裂。在穿孔过程中,坯料的应变分布沿轴向呈U1+W+2U2形态,沿径向为片层状,最终穿制毛管等效应变可达5～11;坯料的外表面与导盘接触区应变速率为0.71～3.6s~(-1),而与轧辊接触区高达4.6～26s~(-1),大的应变速率有助于毛管的塑性成形过程;顶头前坯料的温度最高,与穿孔工具接触的区域温度略有降低,但绝大部分变形区温度都处于单相区。模拟所得全流程顶头轴向力与轧制力的变化呈现典型的3阶段分布,其中稳定穿孔阶段力能参数的均值接近试验所得,从而验证了模型的准确性。基于有限元模拟的工艺条件,在实验轧机上一火次顺利穿制出Ti80合金无缝管坯,其显微组织展现为单一的魏氏组织形态,且由于变形剧烈,从外表面到中间层再到内表面均为等轴细小的β动态再结晶晶粒;力学性能测试表明该组织状态下的毛管的强度和塑性均满足指标要求。     

SPS制备Ti-18Mo-xSi合金的高温氧化行为研究

采用高能球磨-放电等离子烧结技术制备了Ti-18Mo、Ti-18Mo-0.5Si、Ti-18Mo-1Si和Ti-18Mo-2Si4种合金,研究了Si含量对合金微观结构、相组成的影响及700和800℃空气中合金的氧化行为。结果表明:烧结合金中主要由Ti(Mo)固溶体组成,添加Si元素合金出现了Mo_5Si_3相。在700和800℃空气中分别氧化100 h后,合金表面主要有TiO_2、Ti O、MoO_2和MoO_3相,添加Si元素的合金氧化后还出现了SiO_2相。4种合金在700℃下的氧化增重明显小于800℃下的氧化增重,Ti-18Mo-0.5Si合金在700和800℃下平均氧化速率分别为0.09和0.10 g·(m~2·h)~(-1),其抗氧化性明显优于其他合金。     

航空铝锂合金热成形研究进展

与传统铝合金相比,铝锂合金拥有更低的密度、更高的比强度、更好的耐腐蚀性,在航空、航天和航海领域得到了广泛应用。铝锂合金的优异性能归因于在铝基体中添加元素锂。但铝锂合金存在常温延伸率低、回弹大和各向异性强等问题,这些问题严重限制了铝锂合金的应用。为解决铝锂合金常温成形性差的问题,国内外学者针对铝锂合金热成形工艺开展了大量研究。本文首先介绍铝锂合金的发展,随后基于基础实验、失稳理论以及损伤理论三个方面介绍铝锂合金热成形研究进展,了解铝锂合金高温宏微观变形机理以及损伤演化规律,从而实现铝锂合金零件在高温条件下成形成性一体化控制;最后对航空铝锂合金热成形的发展趋势进行了展望。本文可为航空铝锂合金材料热成形生产工艺的制定提供一定的理论参考。     

Ba-Nd复合变质对Mg-3Si-4Zn铸造合金组织及性能的影响

研究了Ba-Nd复合变质对Mg-3Si-4Zn铸造合金组织及力学性能的影响,用OM、SEM、EDS、XRD等方法对微观结构进行了表征,通过硬度测试研究了材料的力学性能。结果表明,当单一变质剂Ba在Mg-3Si-4Zn合金中的添加量为1.2%（质量分数）时,变质效果最好。形成的BaMg₂Si₂相可以作为初生Mg₂Si的异质形核核心,使初生Mg₂Si细化。Ba-Nd复合变质是通过在Mg-3Si-4Zn-1.2Ba合金中加入变质剂Nd来完成的。通过Miedema模型和对吉布斯自由能的线性拟合,发现由于Nd和/或Ba原子能与Si原子形成更加稳定的化合物NdSi、NdSi₂、Ba₂Si、BaSi₂,防止Si原子在凝固的初始阶段与Mg原子结合,因此初生Mg₂Si的生长速度被抑制,微观结构中初生Mg₂Si相变小。当Nd含量为2.0%时,Ba-Nd复合变质效果最好,即初生Mg₂Si由平均面积约为 600 μm² 的树枝状变为平均边长约5 μm的近似方形的组织,共晶Mg₂Si由平均面积约444 μm² 的复杂粗大汉字状变为平均面积约89 μm²的简单汉字状组织。合金硬度由575.75 MPa提高到612.11 MPa,提高了6.31%。     

低活化Fe36.41Cr28.06V35.53单相中熵合金的组织演化及性能研究

材料是核聚变堆应用的瓶颈问题之一。本文根据核聚变堆领域的要求使用低活化材料以及考虑到未来工程应用需要降低成本,选用低活化、低成本的Fe、Cr、V元素,依据最小吉布斯自由能准则设计出非等原子比Fe36.41Cr28.06V35.53单相中熵合金。采用真空熔炼的方法制备出该合金,并对其进行适当的热机处理。发现非等比Fe36.41Cr28.06V35.53合金在不同热机处理过程中没有发生相变,均为单相bcc固溶体,说明该合金相结构非常稳定。同时也与依据最小吉布斯自由能准则设计的结果吻合得非常好。Fe36.41Cr28.06V35.53合金的硬度高于传统耐热合金,在不同热机加工状态下合金的压缩塑性均大于50%,实现了强度和塑性的良好配合。在压缩变形过程中,由于偏析元素与位错的相互作用,合金的压缩应力—应变曲线出现锯齿流变行为。对Fe36.41Cr28.06V35.53合金进行了详细的微观组织表征,解释了该合金性能优异的微观机制。     

激光熔覆IN718合金温度场和应力场数值模拟*

为研究激光熔覆涂层温度场的演变和残余应力的分布规律,在316L不锈钢基板上激光熔覆Inconel718 (IN718) 合金,研究工艺参数对熔覆涂层宏观形貌的影响;基于实验所得工艺参数,利用Simufact Welding有限元软件建立热力耦合模型,通过数值模拟对熔覆过程中的温度场和应力场分布进行分析。结果表明：研究的工艺参数中,激光功率对涂层宽度的影响呈正相关性,送粉量对涂层高度呈较为明显的正相关性,而激光扫描速度对涂层高度呈较为明显的负相关性;熔池前端温度梯度最大,熔池尾部温度梯度较小;熔池峰值温度随着熔覆扫描的进行稳定于2 700 ℃左右;涂层最大残余应力为沿扫描方向上的拉应力,基板残余应力在涂层两侧呈对称分布,且最大残余应力为沿扫描方向的拉应力;残余拉应力是造成激光熔覆过程中基板“翘曲”变形的主要原因;基板与涂层热膨胀系数的差异是影响涂层与基板结合强度的另一原因。研究结果为后续基于实际工业中多层多道激光熔覆的研究奠定基础。     

夹紧力对非晶合金磁特性及铁芯振动的影响研究

非晶配电变压器铁芯搭卷部分工程上大多处于自由状态,造成该部分振动大、碎屑脱落等问题。为改进此问题,该文研究夹紧力对非晶铁芯磁特性及振动特性的影响。首先测量非晶合金带材的磁特性并搭建具有夹紧力作用的非晶合金卷形铁芯磁特性实验平台,对其进行不同夹紧力作用下基础磁化和磁致伸缩特性的测量。基于测量特性数据,对小型非晶样机进行多物理场耦合计算,得到非晶铁芯在不同夹紧应力下磁通及振动分布。为验证分析方法和结果的准确性,对样机进行振动的测量,实现铁芯不同位置振动位移的对比分析。计算和测量结果表明,适当的夹紧力可以有效地抑制非晶合金卷形铁芯的振动。该文在对小型非晶样机电磁振动计算分析和实验对比的基础上,将模型应用于500kVA的非晶配电变压器,实现对其分析测量的对比,为进一步工程上对非晶电力变压器铁芯夹紧力的预处理提供理论支持和分析方法。     

预氧化对一种镍基单晶高温合金的热腐蚀影响

为了解预氧化对镍基单晶高温合金的短时热腐蚀影响,采用涂盐法研究了一种高温合金经预氧化后在Na₂SO₄-NaCl盐膜条件下的热腐蚀行为,测量了不同预氧化处理时间合金的腐蚀动力学曲线,借助扫描电子显微镜(SEM)观察了合金腐蚀层截面的微观组织,并利用X-射线衍射仪(XRD)确定相结构.结果表明：未经过预氧化处理的合金表面腐蚀严重,热腐蚀增重质量最多达到0.033 mg/cm²,其腐蚀动力学曲线遵循抛物线规律,而经过预氧化处理后合金表面腐蚀明显改善;合金在900 ℃下的热腐蚀符合硫化氧化模型,腐蚀产物出现了分层结构;合金的主要腐蚀产物是NiO、Al₂O₃以及少量NiCr₂O₄、TiO₂、NiS₂等, 其中Al₂O₃、TiO₂等氧化物位于氧化层最外层;预氧化生成的Al₂O₃层对高温合金在Na₂SO₄-NaCl盐膜下的短时热腐蚀有明显的保护作用,腐蚀层厚度从170 μm降低至80 μm.致密的氧化物保护层能够显著阻止硫元素的扩散,提高合金的耐热腐蚀性能.     

Ti2AlNb合金微弧氧化电解液优化及耐磨性研究

目的优化Ti_2AlNb合金微弧氧化的电解液配方,提高Ti_2AlNb合金微弧氧化膜的耐磨性。方法借助SEM、EDS、XRD研究硅酸盐-磷酸盐电解液体系中Na_2MoO_4浓度对Ti_2AlNb合金微弧氧化膜形貌、成分及相结构的影响。利用CFT-I型磨损试验机测试不同微弧氧化膜的摩擦磨损性能。结果电解液中添加Na_2MoO_4后,微弧氧化膜的生长速率增加,膜层中出现了Mo元素且含量也逐渐增加。Na_2MoO_4的加入降低了Ti_2AlNb合金微弧氧化膜的摩擦系数及比磨损率,但微弧氧化膜的耐磨性并非随Na_2MoO_4含量线性提高。含6 g/L Na_2MoO_4的体系中,微弧氧化膜摩擦系数低至0.25左右,比磨损率仅为1.20×10~(-3) mm~3/(N·m),表面呈轻微磨粒磨损特征。结论电解液中的Na_2MoO_4参与了成膜过程,对Ti_2AlNb合金微弧氧化膜的生长有显著的促进作用,有效地改善了Ti_2AlNb合金微弧氧化膜的耐磨性。