多级孔金属材料研究进展EI北大核心CSCD

多孔金属是一种内部含有大量孔隙的结构-功能一体化材料。随着服役环境的不断变化,人们对多孔金属的综合性能提出了越来越高的要求。与传统单级孔结构金属材料相比,多级孔金属由于具有两级甚至多级孔结构特征,展现出更加优异的综合性能,逐渐成为研究和关注的热点。本文简要综述了近些年国内外多级孔金属材料研究进展,其中多级孔金属制备工艺主要包括粉末烧结法、去合金化法以及增材制造法等;由于独特的孔结构,多级孔金属具有更好的过滤性能、毛细性能、催化性能以及力学性能,在过滤与分离、传热及能源等领域展现出诱人的应用前景。最后,对多级孔金属当前研究所面临的问题以及未来发展方向进行了讨论和展望。     

粉末热机械固结法对块体铜显微组织和力学性能的影响

纯铜粉末经放电等离子烧结,得到了固结良好的块体铜材料,再对放电等离子烧结后的试样进行热挤压。测量了屈服强度、伸长率。结果表明:热挤压后样品的显微结构和力学性能都发生显著变化;在热挤压过程中,晶粒发生动态再结晶,生成尺寸较小的晶粒。挤压棒的屈服强度提高至74 MPa;同时挤压过程使得颗粒界面处的弱结合点减少,伸长率上升至47.6%。     

超细晶Al-7Si-0.3Mg合金粉末冶金制备及组织性能研究

通过高能球磨结合放电等离子体烧结和热挤压工艺制备出超细晶Al-7Si-0.3Mg合金,采用X射线衍射分析、金相观察、扫描电镜和透射电镜等研究了球磨粉末热机械固结过程中微观组织的变化。对试样进行了拉伸力学性能测试。对超细晶Al-7Si-0.3Mg合金致密化机制和强化机理进行了分析。结果表明:在Al-7Si-0.3Mg合金粉末热机械固结过程中发生Al(Si,Mg)基体晶粒生长、动态再结晶、硅颗粒粗化以及GP区的析出。放电等离子体烧结样品固结质量较差,断裂强度为120 MPa;经进一步热挤压后,样品的固结质量显著提高,材料的屈服强度、抗拉强度和断裂伸长率分别为269、327 MPa和7.4%。     

钛合金热障涂层高温氧化和热循环性能

分别采用超音速火焰喷涂和大气等离子喷涂工艺,在高温钛合金基体上制备出由Ti-48Al-2Cr-2Nb粘结层和8YSZ陶瓷面层组成的热障涂层.对这两种涂层进行高温静态氧化和热循环实验,结果表明：高温静态氧化后,两种涂层内均形成一层生长氧化层(TGO),该氧化层由Al₂O₃和TiO₂组成,位于粘结层和陶瓷面层之间.大气等离子喷涂制备的涂层经高温氧化后,原有的界面裂纹基本消失;而超音速火焰喷涂制备的涂层在高温氧化过程中,由于TGO过度生长导致界面处仍有裂纹存在.两种涂层在热循环实验后氧含量稍微增加,均没有出现明显的分层现象,表现出较好的抗热震性能。对两种涂层微观组织和高温性能进行对比研究后可知,大气等离子喷涂得到的涂层组织更为均匀致密,抗高温氧化和热循环的性能更好.     

时间和温度对放电等离子体扩散焊接Ti48Al2Cr2Nb合金接头显微组织的影响

采用放电等离子体扩散焊接技术,以Ti/Ni/Ti箔为中间层,实现了Ti48Al2Cr2Nb合金之间的扩散连接. 研究了焊接时间和温度对接头显微组织的影响. 结果表明,950 ℃时,保温15 min,中间层和基体中元素互扩散有限;保温时间延长到30 min,中间层在接头处扩散均匀. 在相同保温时间30 min的条件下,900 ℃和950 ℃得到的接头界面存在分层,各个层的主要物相都是α₂相,仅最内层存在α-Ti. 升高温度到1 000 ℃和1 050 ℃,接头界面分层消失,显微组织相似,都是由粗大的α₂相和固溶了少量Ni原子,Nb原子,Cr原子的α₂相组成. 放电等离子体烧结(SPS)对接头处的元素扩散有促进作用,尤其是Ni元素,使得接头内部没有TiNi和TiAlNi金属间化合物生成.     

C/C复合材料显微结构的微米、纳米尺度研究

利用扫描电子显微镜、高分辨透射电子显微镜以及拉曼光谱对化学气相渗透C/C复合材料的形貌特征、显微结构以及石墨化度进行了系统表征.结果表明,热解炭是由厚度在几十到几百纳米的片层结构组成,这些片层结构围绕炭纤维呈层状排列;热解炭为粗糙层结构,在离子束的轰击下很容易撕裂和扭折.炭纤维/热解炭界面上存在一个宽度大约为15nm的无序区,该区域的形成可能与热解炭的沉积工艺有关.炭纤维和热解炭的石墨化度均很低,热解炭的R(R=ID/IG D')值由内层到外层逐渐降低.     

球磨时间对纳米晶Al-7Si-0.3Mg合金粉末微观组织及硬度的影响

以机械破碎Al-7Si-0.3Mg合金粉末为原料进行高能球磨, 对不同球磨时间的合金粉末进行金相观察、X射线衍射分析、透射电镜表征及显微硬度测试, 研究球磨时间对纳米晶Al-7Si-0.3Mg合金粉末的影响。结果发现, 高能球磨导致共晶硅颗粒从微米尺度细化到亚微米尺度, 颗粒形状从多面体转变成圆形, 颗粒内部有层错生成。随着球磨时间逐渐增加到60 h, 合金粉末平均颗粒尺寸从134μm逐渐下降到22μm, Al(Si, Mg)基体晶粒尺寸从438 nm降低到23 nm, 粉末显微硬度从HV 93增加到HV 289。粉末硬度的增加主要归功于球磨导致的晶粒细化(细晶强化作用), 此外, 球磨过程中硅颗粒的细化以及球磨引起的Mg、Si原子在基体内固溶度的增加也有利于粉末硬度的提高。     

放电等离子体烧结Al-4.5Cu合金的组织与性能

利用放电等离子烧结制备Al-4.5Cu(质量分数,%)合金,并对其进行固溶、淬火和时效处理。通过X射线衍射、扫描电镜和透射电镜进行结构表征以及拉伸力学性能测试,研究颗粒界面结构和界面析出行为及其对力学性能影响。结果表明:放电等离子烧结Al-4.5Cu合金颗粒界面由Al₂O₃纳米颗粒、粗大Cu Al₂相和纳米微孔组成。热处理后,Al-4.5Cu合金颗粒界面附近析出尺寸为150～600 nm的CuAl₂相,同时形成宽度为40～60 nm的无析出区。屈服强度和抗拉强度分别从95 MPa和229 MPa增加至280 MPa和378 MPa,断后伸长率从11.8%下降为6.0%。强度增加主要归因于热处理过程中析出相的弥散分布,以及材料的致密化;塑性下降主要是由于拉伸变形过程中,无析出区率先发生塑性变形,导致位错从无析出区向颗粒界面附近的Cu Al₂相堆积,造成应力集中,促使裂纹沿颗粒界面扩展,材料伸长率下降。     

粉末粒径和烧结温度对K418高温合金多孔材料显微结构及性能影响

以气雾化K418镍基高温合金球形粉末为原料，经过粉末松装烧结制备出高温合金多孔材料。通过对多孔材料微观结构、渗透性能、毛细性能及压缩强度进行表征，研究了原始粉末粒径和烧结温度对多孔吸液芯样品显微结构及性能的影响。结果表明，随烧结温度增加，样品的平均孔径和孔隙率减小；在相同烧结温度下，随着原始粉末粒径增加，样品的平均孔径和孔隙率增大。在烧结温度为1230℃，粉末粒径为53～150μm的条件下，多孔材料样品综合性能最优，渗透率为13.69×10-15 m2，毛细压力为22.1 kPa，压缩强度为86 MPa。     

激光增材制造多孔GH4169高温合金孔结构与性能研究

利用选区激光熔化技术制备出具有不同孔隙结构的多孔GH4169高温合金材料，对制备样品进行扫描电镜观察以及毛细曲线和压缩应力应变曲线测试，系统研究了孔结构对多孔材料毛细抽吸性能及压缩力学性能的影响。结果表明，随着激光功率从285 W减小到160 W，多孔高温合金样品总孔隙率从3.5%增加到46.1%；随着开孔率从15.6%增加到21.7%，多孔高温合金样品的毛细抽吸速度从4.44 mg/(s·cm³)增加到6.56 mg/(s·cm³)，毛细抽吸质量从91.3 mg/cm³下降到81.7 mg/cm³，毛细抽吸质量的减少可能与样品孔径增大导致毛细力下降有关。孔隙率增加也导致多孔材料样品弹性模量从53 GPa减小到11 GPa，弹性极限从768 MPa减小到217 MPa，孔材料样品均展现出较好的抗压缩变形能力。