【目的】6061铝合金因其具有良好的综合性能而被广泛应用,但其焊接接头质量存在一定局限性。本文采用激光冲击强化方法,有效提高了6061铝合金焊接接头质量,并深入探究了激光冲击强化前后焊接接头的力学性能和组织变化规律,同时剖析了其内在的影响机理,从而为铝合金焊接工艺的优化提供坚实的理论依据和实践指导。【方法】选取6061铝合金焊接接头为研究对象,运用激光冲击强化技术对其表面进行处理。在处理过程中,严格控制激光的脉冲激光频率、冲击范围、脉宽及搭接率等参数,研究不同激光能量对6061铝合金焊接接头质量的影响,分析焊接接头在激光冲击强化前后的力学性能指标,如抗拉强度和硬度等,同时借助光学显微镜、扫描电镜以及电子背散射衍射微观组织分析技术,观察和对比焊缝处的晶粒尺寸、冲击层厚度等微观结构特征的变化情况。【结果】首先,激光能量与焊接接头的抗拉强度呈现明显的正相关性,即随着激光能量逐步增大,焊接接头的抗拉强度也随之稳定上升。其次,对焊缝表面进行硬度检测,发现经激光冲击强化后,焊接接头硬度得到了显著提升,提高幅度最高可达23％。最后,从微观结构来看,激光冲击层厚度发生了明显变化,由初始的15.83μm大幅增加到30.77μm,这表明激光冲击对材料表面产生了深层次的影响。同时,焊缝中心的晶粒尺寸也有明显变化,由原来的33.68μm减小到14.5μm,晶粒变得更加细小,微观组织得到了优化。【结论】综合上述研究结果可知,激光冲击强化技术在6061铝合金焊接接头处理中能展现出卓越的效果。金属材料表面产生的高能量能够有效减少塑性变形对材料表面及内部的不良影响,促使晶粒细化,这是改善焊接接头力学性能的关键因素。通过激光冲击强化处理,焊接接头的抗拉强度和硬度均得到有效改善,这不仅有助于提升6061铝合金焊接结构在实际应用中的可靠性和耐久性,还为进一步拓展铝合金在高端制造领域的应用范围提供了有力的技术支撑。未来可进一步深入研究激光冲击强化的最佳工艺组合参数,以实现对6061铝合金焊接接头质量更为精准和高效的提升,推动铝合金焊接技术的持续发展与创新。

【目的】在世界工业化飞速发展的背景下,染料污水的肆意排放对生态环境与人类生活造成了严重威胁,因此,寻求一种高效、清洁、经济的污水处理方法已成为目前的研究热点之一。近年来,光芬顿催化技术在有机染料污水处理方面具有巨大优势。BiOBr是一种可见光响应性好、光稳定性强且具有层状结构的光催化剂,但其存在光生电子—空穴对易复合的问题。Fe₂O₃、Fe₃O₄、FeOOH和纳米零价铁等单金属铁在芬顿催化活性方面具有优异性能,且其在光引入后的光芬顿催化活性优势也得到了认可。【方法】将BiOBr与芬顿催化活性良好的铁基氧化物耦合或对其进行改性将有效提高有机污水的处理效率。为进一步提高光芬顿催化技术处理水中有机污染物的效率,采用沉淀法结合煅烧法制备了具有Z型异质结的Fe₂O₃/BiOBr复合光芬顿催化剂。利用XRD、SEM和TEM对复合催化剂进行表征,同时以罗丹明B(RhB)为有机污染物模型,研究了复合催化剂的光芬顿催化活性及其作用机制。【结果】Fe₂O₃/BiOBr复合光芬顿催化剂均具有比单体催化剂更优异的光芬顿催化活性,其中1.2％Fe₂O₃/BiOBr具有最高光芬顿催化活性(99.59％,60min),分别约为纯Fe₂O₃和BiOBr的24.8倍和3.6倍。电化学测试及自由基捕获实验结果表明,Fe₂O₃/BiOBr复合催化剂中的电子由BiOBr导带流向Fe₂O₃价带,实现了光生电子—空穴对的高效分离并促进了Fe²⁺的再生,从而提高了复合催化剂的光芬顿催化效率。【结论】1.2％Fe₂O₃/BiOBr复合催化剂在5次循环催化降解实验中均可实现对有机污染物的完全降解且催化降解效率并未下降,证明了此复合催化剂具有良好催化活性和催化稳定性,因而有望作为光芬顿催化剂应用于绿色、经济、高效的工业化污水处理过程中。

【目的】近年来锂离子电池发展遇到能量密度提升缓慢、成本居高不下与温度适应范围窄等瓶颈,而具有低成本和高能量密度的钾离子电池成为下一代大规模电化学储能体系的理想选择。氟代磷酸盐(KVPO₄F)因具有坚固三维框架结构和高工作电压等优势,成为钾离子电池的首选正极材料。然而,较大尺寸的钾离子在充放电过程中反复嵌入/脱出会造成KVPO₄F发生结构粉化,导致容量快速衰减且循环稳定性较差,由配位多面体共价键合成的结构限制了电子转移模式,极大地阻碍了KVPO₄F正极材料的动力学性能,导致其倍率行为较差且实际容量较低。为了提高KVPO₄F正极材料的容量、倍率与循环稳定性,通常采用元素掺杂、碳包覆、形貌工程等策略对其进行改性研究,以改善其储钾性能,但由于晶格间距、晶面暴露与V³⁺含量之间的不平衡性,KVPO₄F正极材料的容量、倍率和循环稳定性很难同步提升。KVPO₄F正极材料的合成通常包括两个连续的热处理步骤,包括VPO₄前驱体的制备以及将VPO₄与KF混合后进行二次煅烧生成KVPO₄F。因此,VPO₄的晶体结构势必会影响KVPO₄F的颗粒尺寸、晶面取向,从而影响KVPO₄F的储钾稳定性。【方法】采用溶胶凝胶—高温退火法制备了系列VPO₄材料,研究了不同VPO₄材料对终产物KVPO₄F晶格与电化学性能的影响。【结果】不同温度下制备的VPO₄会显著影响KVPO₄F的晶格暴露强度、晶格间距和V³⁺含量,且随着温度从700 ℃升高到800 ℃,KVPO₄F的晶格暴露强度、晶格间距和V³⁺含量均先增后减。当采用经750℃退火处理的VPO₄作为前驱体时,制备的KVPO₄F具有最强晶面暴露程度、最大晶格间距与最高V³⁺含量,确保其在充放电过程中具有优异的结构稳定性、离子迁移能力与离子存储数量。电化学性能测试结果表明,在0.2C(1C=131mA/g)下经过30次循环后,KVPO₄F的比容量为57.3mAh/g,远高于相同条件下的对照样品。此外,在0.2、0.5、1和2C下KVPO₄F的可逆比容量分别为62.1、53.8、44.6和30.6mAh/g。【结论】基于VPO₄调控确定了前驱体VPO₄对终产物KVPO₄F微观结构的影响规律,揭示了电化学性能改善的内在机制,为获得高容量KVPO₄F正极材料奠下良好基础。

【目的】材料热传输特性中的各向异性与各向同性是其基本属性之一,在实际应用中至关重要。然而,目前针对从各向异性到各向同性调控的研究主要依赖于结构设计或材料加工,这些方法耗时长、成本高且不可逆,极大限制了该特性在实际应用中的灵活性。为此,本文提出利用外加电场调控二维硼烯热传输特性的方案,探索一种无需改变材料原子结构即可实现稳定且可逆调控的新方法。【方法】基于第一性原理计算,结合声子玻尔兹曼输运方程,系统研究了外加电场对硼烯热传输特性的影响。通过量化电场强度对声子寿命、热导率及其各向异性的调控效应,系统揭示其内在物理机理,并以平面内两方向(x方向和y方向)热导率的比值作为各向异性变化的表征指标。【结果】在外加电场作用下,硼烯平面内两方向的晶格热导率显著增加且逐步达到峰值,最大增幅可达2.82倍;与此同时,热导率的本征各向异性比提升至峰值2.13。随着电场强度的进一步增加,热导率迅速下降,各向异性表现出振荡式衰减。当电场强度增加至0.4 V/Å时,热导率大幅下降,而各向异性比减小至1.25时,表现为近乎各向同性的热传输特性。进一步分析表明,这种从各向异性到各向同性的异常热传输转变,根本原因在于中等强度电场和高强度电场分别使声子寿命显著增强与大幅下降,从而对热导率产生放大或削弱的作用。【结论】通过外加电场调控声子寿命,可以在不改变材料原子结构的条件下实现对二维硼烯热传输稳定性和可逆性的精确调控。该方法有效克服了传统调控方法的局限性,为声子热传输各向异性的精准调控提供了新的理论和技术路径,尤其在纳米电子器件热管理和热电能量转换等领域展现出广阔的应用前景。

【目的】通常采用宽间隙钎焊方法修复航空发动机涡轮导向叶片裂纹损伤,而宽间隙钎焊接头在成型过程中易出现孔洞缺陷,导致钎焊接头高温力学性能下降。为抑制孔洞缺陷的形成,可在钎焊过程中施加一定压力抑制孔洞缺陷的产生,但钎焊压力对宽间隙钎焊接头组织与力学性能的影响机制尚不明确。【方法】采用不同钎焊压力制备宽间隙钎焊接头,采用拉伸试验、显微硬度表征、断口形貌观察、能谱分析与XRD分析等手段,揭示钎焊压力对宽间隙钎焊接头组织与力学性能的影响机制。【结果】在恒定钎焊温度下,当钎焊压力为10、20和50 kg且钎料与母材的质量比例为40:60时,宽间隙钎焊接头的拉伸强度分别为436.57、411.76和381.95 MPa,即宽间隙钎焊接头的拉伸强度随钎焊压力的升高而下降。钎焊接头断面显微硬度与能谱分析结果表明,随着钎焊压力的增大,钎焊接头断面处降熔元素和活性元素浓度偏高且显微硬度明显增大,即钎焊压力的增大会造成钎焊接头的显微硬度分布不均匀,诱发明显的应力集中现象,进而导致钎焊接头的强度随钎焊压力的增大而降低。XRD分析结果证实,钎焊过程中施加的钎焊压力造成钎焊接头与母材产生了明显的晶格畸变,钎焊压力越大,晶格扭曲程度越高,晶格畸变闭塞了降熔元素和活性元素的扩散通道,不利于元素扩散,导致钎焊接头与母材组织中降熔元素和活性元素产生富集,从而引发显微硬度分布不均匀,致使钎焊接头强度下降。通过焊后热处理或提升钎焊温度,有助于缓解晶格扭曲程度进而加强元素扩散,从而改善钎焊接头的力学性能。【结论】在宽间隙钎焊接头制备过程中施加一定压力,有助于抑制钎焊接头组织中孔洞缺陷的形成,但要充分考虑钎焊压力与温度对晶格畸变的矛盾作用关系,避免因钎焊压力过高而降低元素扩散能力。钎焊温度的提升有利于增强元素扩散,改善钎焊接头显微硬度分布的不均匀性,进而达到提升钎焊接头力学性能的效果。

【目的】难熔高熵合金作为一种新型的高温材料,因其优异的高温性能而具有广泛的应用前景。然而,较差的室温塑性成为了限制其发展的主要因素。在众多的难熔高熵合金成分体系中,TiZrTaNbMo因具有较好的生物相容性而引起了学者们的广泛关注,但是该合金的室温塑性较差,其未来发展受到了限制。Ta作为组元中熔点最高的元素,截止到目前关于该元素对合金体系的微观组织与力学性能的影响机制尚不明确。【方法】本文探明了Ta元素含量的降低对TiZrTaNbMo难熔高熵合金组织及性能的影响规律。Ta元素摩尔比取值为0.8、0.9与1.0,其余元素摩尔比不变。采用非自耗高真空电弧炉熔炼制备了TiZrTa_xNbMo(x=0.8,0.9,1.0)难熔高熵合金,并对合金基体进行了1 000 ℃/6 h的退火处理,之后随炉冷却。利用X射线衍射仪(XRD)确定合金的相结构,使用扫描电子显微镜(SEM)以及附带的能谱仪(EDS)表征了合金的微观组织形貌及元素分布,并使用显微硬度计检测了合金的维氏硬度。【结果】TiZrTa_xNbMo难熔高熵合金由主要BCC₁相和次要BCC₂相组成,呈现典型的枝晶结构。Ta元素含量的增加使得枝晶间区域变小,其中Ta、Nb与Mo元素富集于枝干部分,Ti与Zr元素富集于枝晶间区域,Ta元素含量的减少降低了Nb与Mo元素在枝干部分的偏析。在力学性能上,提升Ta元素含量使得合金硬度从433 HV提高至501 HV。Ta元素含量变化不会导致合金晶体结构发生变化,仍为双相BCC结构;Ta元素含量下降会导致金属树枝晶体组织的晶间区域变大;减少Ta元素含量有助于降低元素偏析,尤其对熔点较低的Ti和Zr元素影响较大。【结论】优化了摩尔比难熔高熵合金的原有设计,对其成分进行了优化。元素含量的调整对合金的微观组织与力学性能均有一定的改善,研究结果将有助于推动TiZrTaNbMo难熔高熵合金体系的进一步应用。

【目的】304不锈钢是一种以奥氏体为主要晶体结构的铬镍不锈钢,因其优异的耐热性和耐蚀性,广泛应用于航空、船舶和化工等行业。然而,304不锈钢硬度较低,抗空蚀性能不足,作为水轮机叶片材料时,其表面在复杂环境下易出现凹坑、剥落等现象,显著缩短叶片使用寿命。【方法】为提升304不锈钢的使用寿命,采用激光熔覆技术在其表面制备了新型铁基合金熔覆层。通过相分析、组织观察、EBSD分析、硬度测试和空蚀试验,系统分析了熔覆层的相组成、晶体学特征、显微硬度及抗空蚀性能。【结果】研究结果显示,铁基合金熔覆层主要由α-Fe基体相和Cr₂₃C₆相组成。熔覆层成形质量良好,几乎无微裂纹,仅有少量孔隙。显微结构呈现出典型的非平衡凝固特征,由枝晶及枝晶间的网状组织构成,并从底部至顶部依次出现平面晶、胞状晶、柱状晶及等轴晶的形貌。EBSD分析表明,熔覆层内形成了高密度晶界且无明显织构。熔覆层横截面显微硬度在640~750 HV_0.2之间,显著高于304不锈钢基体的显微硬度(187.6 HV_0.2)。这种高硬度主要归因于溶质原子引起的固溶强化、分散在网状枝晶间的Cr₂₃C₆和Cr₇C₃硬质相的第二相强化,以及高密度晶界带来的晶界强化。在300 min的空蚀试验中,304不锈钢基体的累计质量损失为24.8 mg,而铁基合金熔覆层的损失仅为7.8 mg,约为基体的31.5％。整个试验过程中,熔覆层的累计质量损失均低于304不锈钢基体。空蚀损伤表面分析表明,空泡腐蚀过程中气泡坍塌产生的剪切波会在材料表面形成应力积累,导致滑移带的生成,滑移带处易萌生并扩展裂纹,最终造成材料剥落形成空蚀坑。细小晶粒、高晶界密度及高显微硬度是熔覆层具备优异抗空蚀性能的关键因素。【结论】高硬度铁基合金熔覆层显著提升了304不锈钢基体的抗空蚀性能。本研究设计并制备了一种用于304不锈钢表面改性的高硬度铁基合金熔覆层,为激光熔覆技术在水轮机叶片表面强化涂层中的应用提供了潜在的解决方案。

【目的】随着人们对全球变暖重视程度和“双碳”目标意识的提高,CO₂的资源利用成为世界广泛关注的研究热点。然而二氧化碳化学性质极其稳定,要在相对温和的条件下实现CO₂的化学固定和资源转化,其催化剂的选择为关键因素。将二氧化碳和环氧乙烷进行羰基化反应合成碳酸乙烯酯是实现节能减排和低碳经济发展的有效途径,而将生物基乙二醇替代环氧乙烷与二氧化碳反应合成碳酸乙烯酯的新工艺,不仅安全环保而且原料具有可再生性。针对乙二醇(EG)与CO₂直接合成碳酸乙烯酯(EC)过程中存在的热力学限制与低转化率难题,通过构建碱性离子液体/Brønsted酸协同催化体系,开发高效双功能催化剂,旨在实现温和条件下CO₂的高效活化与EG的定向转化。【方法】以1,8-二氮杂双环[5.4.0]十一碳-7-烯(DBU)、1,5,7-三氮杂双环[4.4.0]癸-5-烯(TBD)与苯酚为前驱体,成功合成3种碱性离子液体催化剂[DBUH]PHY、[TBDH]PHY和[DBUH]TBD,通过傅里叶变换红外光谱(FT-IR)与热重分析(TG)验证了其化学结构与热稳定性。利用高压反应釜,结合不同Brønsted酸(H₂SO₄、H₃PO₄、CH₃COOH),考察了催化剂在EG与CO₂合成EC中的协同催化性能。【结果】单独选用碱性离子液体或Brønsted酸时催化活性较低(收率小于10.54％),而[DBUH]PHY与H₂SO₄协同催化下,EC选择性达到97.80％、收率提升至20.89％,显著优于单一催化体系。密度泛函理论(DFT)计算结果表明,H₂SO₄通过质子化EG产生碳正离子中间体,[DBUH]PHY的阴离子促进中间体脱氢形成氧阴离子,其阳离子通过强结合能(-61.94 kJ/mol)活化CO₂生成DBU羧酸盐(DBUH-CO₂)。两者协同驱动EG与CO₂偶联生成EC,同时实现催化剂的原位再生,相比传统CeO₂基催化剂(转化率不高于2％),该协同催化体系在温和条件(120 ℃、3.0 MPa)下展现出更高的原子经济性。【结论】构建了碱性离子液体/Brønsted酸协同催化体系,为CO₂与二元醇的绿色转化提供了新策略,开发了兼具CO₂活化与EG质子化的双功能催化剂,通过实验并结合模拟结果揭示了其协同催化机理。该合成路线符合可持续发展的绿色化工新理念,研究结果可为缓解温室效应、实现资源高值化利用提供重要途径,对助力化工产业绿色转型与可持续发展、推动碳达峰与碳中和以及促进循环经济发展具有重要研究意义。

【目的】由于以锆钛酸铅为典型钙钛矿相的铁电薄膜材料具有优异的综合电学特性,被广泛应用于铁电存储器、薄膜电容器和微机电系统等领域。PZT铁电薄膜的电学性能为器件设计和制造中至关重要的因素,直接影响器件的使用寿命,而另一个不可忽视的问题是如何快速高效地制备出高性能PZT薄膜。在PZT薄膜高效制备过程中需要考虑影响薄膜电学性能的因素,从而满足不同器件对其性能的需求。微波退火可以有效降低铁电薄膜制备过程的加热温度或加热时间,是高效制备性能优异PZT铁电薄膜工艺中的常用手段。在微波退火过程中基板的选择和特性会对薄膜性能产生重要影响,因而需要进行深入研究。【方法】为了更有效地利用微波退火制备功能薄膜,通过研究不同Nb掺杂量的SrTiO₃(Nb:SrTiO₃)单晶基片在微波磁场中的加热行为,探讨了微波与材料间的相互作用。随后通过溶胶-凝胶法在具有不同Nb掺杂量的Nb:SrTiO₃基片上沉积了非晶态Pb(Zr₄₀Ti₆₀)O₃(PZT)薄膜,利用微波退火使其结晶,并研究了微波退火对PZT薄膜微结构与电学性能的影响。【结果】Nb:SrTiO₃基片的加热行为取决于其电导率、趋肤深度和厚度等因素。为保证导电率较高的单晶基片的加热温度,可以通过微波输出功率进行调控。随着Nb:SrTiO₃基片中Nb掺杂量的增加,基片在微波磁场中的加热温度和加热速率逐渐降低。受趋肤深度和厚度的影响,Nb质量分数为0.05％的基片在微波磁场中表现出最佳加热行为。微波可对材料内部的带电缺陷直接作用,减少了PZT薄膜的内部缺陷,从而实现PZT薄膜的快速结晶化。同时PZT薄膜对铁电畴的钉扎作用减弱,导致PZT薄膜呈现出饱和的P-E电滞回线,从而进一步提高PZT薄膜的极化强度。【结论】微波退火可在短时间内使铁电薄膜结晶成为钙钛矿相,实现PZT薄膜的高温快速制备,并提高PZT薄膜的电学性能,而且这一效果随微波功率的增大而更加明显。

【目的】马氏体不锈钢(0Cr13Ni5Mo)因具备优良的锻造、铸造和耐腐蚀性能,广泛应用于水电、化工和高压容器等领域。然而,在特定工作环境中,0Cr13Ni5Mo材料的失效加速,尤其在水力过流部件中易受到沙粒冲击和水体腐蚀的影响。因此,有必要采取保护措施提升其表面性能,从而延缓材料失效。【方法】为提高过流部件的使用寿命,采用激光熔覆技术在0Cr13Ni5Mo基材表面制备了不同Nb含量(0％、5％、7％、9％)的铁基合金涂层。通过XRD、SEM、维氏硬度计和电化学工作站分析Nb元素的添加对铁基合金涂层显微组织、相组成、显微硬度及电化学性能的影响。【结果】研究结果显示,显微组织由灰色基体和块状、花瓣状VC增强相以及网状Cr碳化物构成。随着Nb含量的增加,基体中块状和颗粒状Nb碳化物的尺寸逐渐增大,形貌由块状和颗粒状转变为花瓣状和蝶状,同时Cr碳化物网状结构逐渐减少。相组成分析表明:4种熔覆涂层试样均由体心立方结构的马氏体相、面心立方结构的奥氏体相、VC碳化物增强相和Cr₂₃C₆相组成。特别是在S2、S3和S4样品中,随着Nb含量增加,X射线衍射曲线中出现了NbC相的峰值,表明Nb在激光熔覆过程中通过原位反应生成了NbC碳化物增强相,且基体中奥氏体相随Nb含量增加而增加。所有样品的显微硬度均随着Nb含量的提高而提升,其中S3样品的显微硬度最高,达到645 HV。电化学测试表明,随着Nb含量增加,样品的自腐蚀电位逐渐升高,自腐蚀电流逐渐减小。S3和S4样品展现出典型的阳极极化特征,包括活性溶解区、钝化区以及钝化膜破裂后的过钝化区。在样品S4中,由于碳化物数量较多,导致了微电偶腐蚀,耐蚀性有所下降。S3样品的电化学性能最佳,自腐蚀电位为-179.3 mV,自腐蚀电流密度仅为样品S1的10.3％,达到9.258×10^-8 A/cm²。其耐腐蚀性能的提升归因于MC型碳化物中Cr含量的减少,导致更多的Cr溶解进入基体,相中Cr含量增加,从而增强了涂层的耐腐蚀性能。【结论】设计并制备了一种含Nb的铁基合金涂层,用于0Cr13Ni5Mo水力过流部件的表面改性,以期推动激光熔覆技术在过流部件表面强化涂层中的应用发展。

【目的】碳钢因其较差的抗氧化性能,在高温工况下的使用受到了严格限制。Ni-Al金属间化合物由于具有较高的熔点和较好的高温抗氧化性能,在实际工业领域应用众多。针对含有Ni-Al金属间化合物的涂层,研究其高温抗氧化涂层的进一步应用,提高碳钢的高温使用寿命,拟在碳钢表面制备Ni-Al反应改性涂层。【方法】采用超音速火焰喷涂在碳钢基体上制备Ni-WC涂层,随后在其上利用电弧喷涂制备Al涂层,在800 ℃不同时间扩散处理下使得涂层内的Ni-Al发生反应,以得到金属间化合物并增强其高温抗氧化性能。通过记录氧化增重曲线测试涂层的高温抗氧化性能。【结果】在高温氧化过程中Al/Ni-WC复合涂层在Al/Ni界面处原位生成了富铝的Ni-Al金属间化合物。Al/Ni-WC涂层经800 ℃扩散处理过程中,首先形成富Al的NiAl₃,且其表面Al原子与大气中的氧原子反应形成了Al₂O₃。随着反应时间的延长,在Al/Ni界面形成的NiAl₃相转变为抗高温氧化能力更优异的Ni₂Al₃相,两种Ni-Al金属间化合物本身具有高熔点和高温抗氧化性能,且在Al/Ni-WC复合涂层表面形成的Al₂O₃减缓了氧原子的扩散过程。Al/Ni-WC复合涂层试件的扩散层厚度随着扩散处理时间的延长呈现类似线性增长趋势。经800 ℃扩散处理后,Al/Ni-WC涂层中NiAl₃层的增厚速率较快,且在加热10 h后原位反应生成了更厚的Ni₂Al₃层。经800 ℃扩散处理20 h后,经过原位反应得到了比NiAl₃层稍厚一些的Ni₂Al₃层。由于Ni₂Al₃层熔点更高且更稳定,因而经过800 ℃扩散处理后的Al/Ni-WC涂层具有更好的高温抗氧化能力。经900 ℃/50 h扩散处理后的Al/Ni-WC涂层经循环氧化后存在陶瓷相Al₂O₃、WC和NiAl相,在陶瓷相和NiAl相的共同作用下呈现较好的高温抗氧化性能。测得不同扩散时间下Al/Ni-WC涂层的扩散层厚度,得到了Ni和Al之间的扩散关系式,其扩散反应动力指数为0.790 45,复合涂层对碳钢基体的保护作用明显提高。【结论】在氧化过程中形成的Ni-Al金属间化合物、Al₂O₃膜与涂层中原有WC相的共同作用下碳钢基体的高温抗氧化性能得到了明显提升。通过氧化增重实验可知,在Ni层中增加陶瓷相以后,金属-陶瓷复合涂层的高温抗氧化能力明显优于碳钢基体,因而对碳钢基体的保护效果更好。

【目的】近年来,科技的发展和进步给人们的生产、生活带来了许多便利,但潜在的危害(如振动、噪声等)也因此产生。振动的产生会加剧零件的损坏,噪声的出现会危害人们的身体健康。为了应对这一问题,能够吸收振动能量的阻尼合金逐渐进入人们的视野。然而,传统阻尼合金阻尼机制较为单一且力学性能较差,无法满足多样化的实际应用。因此,亟需开发一种兼顾二者的新型材料,多主元合金的出现使得该设想成为了可能,其独特结构使得合金可以兼具较好的力学性能和阻尼性能,研究多主元合金的组织与阻尼性能之间的联系具有重要意义。【方法】为了获得具有良好阻尼性能兼具优异力学性能的合金,利用电弧熔炼炉和真空感应炉制备了Fe₃CoNiCuCr_x(x=2.0,2.5,2.75,3.0,3.5)中熵合金。利用X射线衍射(XRD)和透射电子显微镜(TEM)对合金的相结构进行分析,利用搭载电子背散射衍射(EBSD)探头的扫描电子显微镜(SEM)对合金的组织、相分布和相体积分数等进行表征,利用万能力学实验机对合金的抗拉性能进行测试,利用动态机械分析仪对合金的阻尼性能进行测试。通过提高Cr元素的摩尔比,研究了Cr元素摩尔比的变化对合金的相组成和阻尼性能的影响。【结果】随着Cr元素摩尔比的增大,合金由FCC相转变为FCC和BCC双相结构,双相结构的产生使得合金中的相发生竞争生长,从而降低了合金的平均晶粒尺寸;合金的抗拉强度由329 MPa升高到779 MPa;合金的塑性发生恶化,其塑性应变由35.45％降低到1.72％;当Cr元素摩尔比达到3.0时,合金的阻尼性能指标达到最大值0.052。随着Cr元素摩尔比的增大,合金中BCC相的体积分数逐渐升高,不仅提高了合金的抗拉强度,还提高了合金的铁磁阻尼性能。FCC和BCC相的体积分数与组织形貌的良好匹配提高了合金的界面阻尼性能,且合金中较软的FCC相嵌入较硬的BCC基体中所形成的独特网状组织也在一定程度上提高了合金的阻尼性能。【结论】在铁磁阻尼、界面阻尼和合金组织形态的共同影响下,Fe₃CoNiCuCr_3.0合金不仅具有优异的抗拉性能而且具有较高的阻尼性能。

【目的】镁合金具有质量轻、比强度和比刚度高且易回收的优点。汽车、飞行器前端及汽车侧面、尾部的镁合金零部件由于受到较高应变速率的冲击载荷作用,导致其在极短时间内失效,对设备的安全性能造成威胁,产生不可预料的后果。因此,对基于准原位镁合金在高应变速率动态压缩下的变形行为及其变形机理进行研究具有重要意义。【方法】为了分析AZ31镁合金受到动态冲击载荷作用时的动态力学性能,以挤压态AZ31镁合金为研究对象,基于准原位方法,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置研究了挤压剪切态AZ31镁合金在双轴动态压缩条件下的变形行为,利用电子背散射衍射技术(EBSD)及透射电子显微镜(TEM)对试样变形前后的微观组织进行表征。【结果】双轴动态压缩实验结果表明:AZ31镁合金在塑性变形过程中,沿着挤压径向压缩,大量拉伸孪晶被激活;当反向加载后,发生了退孪生现象并伴随少量拉伸孪晶被激活。深入分析不同的退孪生行为,发现SF值较高是发生退孪生行为的主要原因。采用滑移迹线法确定被激活的滑移系统并与退孪生行为相结合,用于判断滑移对退孪生的促进作用。当垂直于晶体c轴方向压缩时,拉伸孪晶容易被激活且孪晶与母晶粒夹角为86.3°,孪晶c轴接近平行于压缩方向;当改变压缩方向时,压缩方向垂直于孪晶c轴方向,即改变加载方向后,孪晶会发生退孪生行为。随着累积应变的积累,LAGBs峰值会持续升高。整个变形过程伴随滑移存在,说明LAGBs的产生是由滑移造成的,且滑移对塑性变形起到至关重要的作用。AZ31镁合金在塑性变形过程中,先被激活的孪晶随着压缩方向的改变发生退孪生现象;改变加载方向,变形过程均有滑移被激活,孪生与退孪生过程均伴随滑移的发生;AZ31镁合金在不同方向的动态压缩变形行为主要由滑移及孪生的共同作用导致。【结论】本文对AZ31镁合金微观组织的变形行为进行研究,为其广泛应用提供理论基础。

【目的】硬质合金是一种以微米级难熔金属化合物(WC、TaC、TiC、NbC)粉末为硬质相,以过渡族金属(Co、Fe、Ni)粉末为烧结黏结相,经高温烧结制备而成的合金。硬质合金因具有高硬度、高强度、耐磨耐腐蚀性和良好高温性能,被广泛应用于刀具材料等工业领域,被称为“工业牙齿”。随着我国战略性新兴产业的发展,航空航天、海洋工程、数控机床、轨道交通、核工程、新能源、先进医疗装备、环保节能装备等高端制造产业对高性能高稳定性刀具材料的需求越来越大。采用涂层镀膜等表面处理方法将固体润滑剂涂覆在刀具表面,或将固体润滑剂作为添加剂加入刀具材料基体,利用固体润滑剂高温稳定的优点,在服役刀具表面形成连续的固态润滑层,有利于刀具性能的进一步提升。【方法】以WC-Co硬质合金粉末(粒径15~45 μm)为耐磨组元,以石墨粉末(粒径80~200 μm)为固体润滑剂,通过球磨法制备球形复合粉末,采用等离子喷涂工艺将复合粉末沉积为石墨/WC-Co涂层,采用强流脉冲电子束(能量密度27 keV、脉冲间隔15 s)进行辐照处理,辐照次数为1、10、20和30。对处理后涂层的显微组织和力学性能进行观察。【结果】采用强流脉冲电子束处理后,重熔涂层表面致密平整,改性层厚度可达294 μm,表面硬度最高可达800 HV,平均摩擦系数最低可降至0.10。显微结构分析表明,强流脉冲电子束辐照后涂层表面生成纳米尺寸的WC相、Co₃W₉C₄相和类金刚石结构,使涂层表面显微硬度大幅提高;电子束使涂层表面大块石墨溶解后重新析出,生成椭球状石墨,同时石墨在电子束作用下分离成石墨烯片层,均匀覆盖在涂层表面,有效降低了涂层表面的摩擦系数;部分石墨转变为金刚石结构,有效提升了涂层的表面硬度。【结论】采用热喷涂沉积和强流脉冲电子束改性的两步技术,制备了表面均匀、致密细小的WC-Co合金,诱导了球状石墨、石墨烯和金刚石共同组成复合碳结构,有效提高了涂层的硬度并降低表面的摩擦系数。所制备的纳米复合自润滑涂层为高端装备制造刀具行业提供了一种新材料。

为了降低MgTiO₃-(Ca_0.8Sr_0.2)TiO₃(MT-CST)微波介质陶瓷的烧结温度,改善其微波介电性能,采用化学沉淀法对MT-CST陶瓷进行了A位Zn离子掺杂,研究了Zn离子掺杂对MT-CST陶瓷的微观结构、烧结温度和微波介电性能的影响。结果表明,利用Zn²⁺取代Mg²⁺可以增加陶瓷的密度,降低介电损耗,使陶瓷的品质因数值得到有效提升,并且成功降低MT-CST陶瓷的烧结温度至1 125 ℃。制备的陶瓷具有优异的微波介电性能:介电常数约为21.6,品质因数约为50 800 GHz,谐振频率温度系数约为0.24×10^-6/℃。

为了揭示基础油黏度对复合钛基润滑脂流变性能的影响规律,利用变化黏度的基础油制备了4种脂样,对各脂样的屈服极限、触变性能、剪切依时性进行了探讨。利用扫描电子显微镜表征了各脂样的皂纤维形貌,在稳态剪切条件下利用R/S+旋转流变仪测试了各脂样的流变参数。结果表明:各脂样的皂纤维形貌为团聚而又贯通的网络形态,基础油的黏度会对润滑脂的流变性能产生规律性的影响;基础油黏度增大后,皂纤维结构加粗,皂纤维间的空腔增大,导致脂样的屈服极限增大、触变能增大、黏度增大、抗剪切能力增强。

原子制造是指将能量直接作用于原子,对原子进行精准可控去除、增加等操作,从而调控材料结构和性质的技术。为实现原子制造的精准性和可控性,跨尺度的实时观察与检测势在必行。原位透射电子显微技术不仅能在原子尺度下实时研究纳米材料结构与性质之间的关系,而且可以构建原子级器件并实现其性能的原位检测。简要综述了原位透射电子显微技术在纳米/原子精度的加工、器件构建及原位检测方面取得的重要进展,提出了当前原位透射电子显微技术在原子制造过程的可视化与原位检测领域面临的挑战和未来的发展方向。

钛酸钡(BaTiO₃)基正温度系数电阻(PTCR)陶瓷材料由于具有独特的电阻-温度特性,被广泛用于制作各种热敏电阻器件。随着电子材料及元器件无铅化的要求日益迫切,高居里温度BaTiO₃基PTCR陶瓷的无铅化是必然发展趋势。介绍了PTCR效应的物理机制、BaTiO₃基PTCR陶瓷材料的性能指标及其影响因素,综述了高居里温度无铅BaTiO₃基PTCR陶瓷材料的研究进展,讨论了提高无铅BaTiO₃基PTCR陶瓷材料性能的策略与途径,以促进这一领域的进一步发展。

为了分析杂多酸离子液体催化剂的催化性能,以Fe为中心杂原子、Mo为配位原子,制备了杂多酸阴离子,并将其与1-羟丙基-3-甲基咪唑溴盐通过离子交换反应制备功能化杂多酸离子液体催化剂([HO-(CH₂)₂-mim]₅[Ti(H₂O)FeMo₁₁O₃₉])。利用FT-IR、UV、XRD和TGA对所制催化剂进行结构表征与性能测试,通过正交试验优化工艺参数,探讨投料比、催化剂用量、酯交换反应温度和时间对其催化性能的影响。结果表明:所制催化剂结构正确,热性能良好,并具有较好催化效果。最佳工艺条件为:投料比2,催化剂质量分数1.0％,反应温度220 ℃,反应时间5 h,该条件下PES收率为75.32％。

为了解决Cu-Fe合金常规制备流程中重力分层的问题,利用铸轧工艺的亚快速凝固特点抑制其液相分离,并结合Marangoni效应及热泳力的耦合作用合理调控铸轧参数,获得厚度为2.2～2.4 mm、铁磁相尺寸和分布可控的Cu-20％Fe和Cu-30％Fe带材。通过金相与EBSD分析确定铸带形成了Cu相-富Fe相-Cu相的“三明治”层状复合结构,其中Cu-20％Fe铸带中的Fe相分布更为均匀,且EBSD分析结果表明凝固层中形成了大量的低能晶界,如Σ1和Σ3等。将Cu-20％Fe合金从2.4 mm冷轧至0.4 mm,在不同温度下进行热处理后继续冷轧至0.12 mm。结果表明:450 ℃热处理对轧板性能更好,导电率超过50％IACS,抗拉强度超过600 MPa,均匀伸长率达到7.5％,饱和磁化强度超过4.24×10⁵ A/m。

为了分析不同孪晶体积分数对材料绝热剪切敏感性的影响,预制具有不同孪晶体积分数的AZ31镁合金。采用分离式霍普金森压杆在200 ℃、944 s^-1条件下对AZ31镁合金帽状试样进行高速冲击试验,采用电子背散射衍射仪和光学显微镜对试样在高应变速率变形前后的微观组织进行观察,计算了试样发生绝热剪切时的吸收能量,比较了绝热剪切带内外的显微硬度。结果表明:不同孪晶体积分数试样内均产生了绝热剪切带,随着孪晶体积分数的增加,绝热剪切带宽度和吸收能量减小,而绝热剪切敏感性增大。

为了提升烧结NdFeB的磁性能和耐腐蚀性,采用晶界掺杂Al₆₅Cu₂₀Fe₁₅纳米颗粒方法制备了高性能烧结NdFeB磁体,利用电化学工作站研究了掺杂磁体在3.5％NaCl溶液中的腐蚀行为。结果表明:Al₆₅Cu₂₀Fe₁₅纳米颗粒的掺杂可在磁体中形成低熔点相,提高晶界与主相的润湿性,抑制硬磁相之间的磁耦合,增强磁体的磁性能。当Al₆₅Cu₂₀Fe₁₅纳米颗粒的质量分数为0.4％时,磁体的磁性最大,矫顽力为978.1 kA/m,最大磁能积为270.3 kJ/m³,剩磁为1.208 T。与未掺杂磁体相比,掺杂0.4％Al₆₅Cu₂₀Fe₁₅纳米颗粒后磁体的腐蚀电位从-0.881 6 V增至-0.704 0 V,腐蚀电流密度从78.292 9 μA/cm²减至33.222 9 μA/cm²,且高频容抗弧半径远大于未掺杂磁体,因而磁体的耐腐蚀性得到有效提升。

为了研究Ti-5Al-1.5Mo-1.8Fe低成本钛合金的热变形行为,运用Instron 5869压缩实验机进行热压缩实验。构建了以变形温度、应变速率、应变为输入变量和流变应力为输出变量的6种机器学习模型,预测不同条件下该合金的流变应力值并评估检验模型的预测性能。根据预测表现最好的LSTM神经网络模型的预测数据绘制预测加工图,对照实验加工图评估检验其预测能力。结果表明:预测加工图能够较为准确地反映出Ti-5Al-1.5Mo-1.8Fe合金在应变为0.499时的可加工区域,与实验加工图的吻合程度较高,该方法能较好地预测Ti-5Al-1.5Mo-1.8Fe合金的热变形行为。

为了研究Al/Cu涂层中金属间化合物的生成顺序和形成机理,在304不锈钢基体表面制备了Al/Cu涂层。对试样进行热处理使得Al/Cu涂层原位反应生成金属间化合物,随后测试了涂层的高温抗氧化性能。采用第一性原理计算Al-Cu金属间化合物的焓、熵、吉布斯自由能和热容等数据。将热力学和扩散动力学相结合,提出有效生成自由能模型来预测化合物在Al/Cu界面的生成顺序。结果表明:Al/Cu涂层中首先形成Al₂Cu相,在Al/Cu界面处出现了AlCu相,加热时间增加至20 h后出现了富Cu的Al₄Cu₉相。由第一性原理计算得出,Al-Cu金属间化合物的形成顺序为Al₂Cu→AlCu→Al₄Cu₉,与实验结果一致。此外,氧化实验结果表明,涂层具有良好高温抗氧化性能。

为了进一步提高FCC高熵合金的强度,利用真空电弧熔炼法制备了Ni₃₈Co₂₅Cr₁₅Fe₁₀Al₁₀Ti₁Nb₁非等原子比高熵合金。结果表明:高熵合金的凝固组织由单相FCC结构组成,铸带具有典型枝晶结构且存在元素偏析。高熵合金具有较高的抗再结晶性能,退火温度为1 000 ℃时再结晶分数仅约为45.1％,退火温度为1 050 ℃时发生完全再结晶,此时晶粒尺寸细小均匀,平均晶粒尺寸约为4.25 μm。退火Ni₃₈Co₂₅Cr₁₅Fe₁₀Al₁₀Ti₁Nb₁高熵合金具有优异的拉伸性能。经过1 000 ℃退火后合金抗拉强度可达1 640 MPa,伸长率约为20％,经过1 050 ℃退火后合金抗拉强度和伸长率分别约为1 580 MPa和28％。

为了研究孔洞位置和尺寸对疲劳裂纹扩展路径的影响,利用ABAQUS有限元仿真软件建立改进CT试样的裂纹扩展仿真模型,采用扩展有限元法研究了在低周疲劳加载条件下Q235钢圆孔与裂纹尖端的角度、距离以及圆孔半径对裂纹扩展路径的影响,并通过引入裂纹偏转系数来定量描述不同参数对裂纹扩展路径偏转程度的影响。结果表明:当圆孔与裂纹尖端的夹角为45°时,裂纹偏转系数取得最大值;裂纹偏转系数随着孔洞半径的增加逐渐增大,随着圆孔与裂纹尖端距离的增大逐渐减小。

为了提高Pt/PbZrO₃/Pt电介质电容器的储能密度,通过热蒸镀和自然氧化方法在Pt/Ti/SiO₂/Si基板上沉积了厚度为0～10 nm的Al₂O₃(AO)层,采用化学溶液沉积法制备PbZrO₃薄膜,研究了Al₂O₃层厚度对PbZrO₃/Al₂O₃(PZO/AO)异质结薄膜储能性能的影响。结果表明:随着AO层厚度的增加,PZO/AO异质结薄膜的击穿电场强度逐渐增大,极化电场电滞回线由反铁电特征转变为铁电特征。当PZO/AO异质结薄膜的AO层厚度为5 nm时,储能密度最大值为21.2 J/cm³。

为了揭示经过T6处理的热挤压Al-5Cu-0.8Mg-0.15Zr-0.2Sc-0.5Ag合金在不同温度下的低周疲劳变形与断裂行为,对T6态热挤压合金进行了室温和200 ℃条件下的低周疲劳实验。结果表明:在室温和200 ℃下合金塑性应变幅与载荷反向周次之间服从Coffin-Manson公式,而弹性应变幅与载荷反向周次之间服从Basquin公式;合金在室温和200 ℃下低周疲劳变形时,在较低外加总应变幅下疲劳变形机制主要为平面滑移,而在较高外加总应变幅下疲劳变形机制主要为波状滑移;室温和200 ℃下合金的疲劳裂纹均萌生于疲劳试样表面并以穿晶方式扩展。

针对电化学氧化水处理技术中存在的电极材料活性低及反应过程传质速率慢的问题,采用高活性Ti₄O₇泡沫电极为阳极构建Flow-through模式下的电化学氧化反应器,用于去除典型氟喹诺酮类抗生素——氧氟沙星(OFL).探究不同流通模式、膜通量、电流密度和初始pH值对OFL降解效果的影响,并探明其降解机制.结果表明:在Flow-through模式下膜通量为3.17 mL/(cm²·min),电流密度为7.5 mA/cm²;初始pH为3时,反应120 min后OFL去除率最高达97.66%,处理后OFL剩余抗菌活性消失,体系中参与反应的主要活性物为·OH和SO^-₄·.

针对核聚变用CLF-1钢的焊接问题,采用真空激光焊(VLW)技术研究了VLW焊接特性、焊缝的显微组织和力学性能.结果表明:随着真空度的降低,金属蒸气羽烟得到了良好抑制,焊缝金属氧化程度降低;相比常压激光焊接(ALW),热输入约降低了20%,VLW焊缝晶粒尺寸明显减小,富Cr、Fe、W和C的椭圆状碳化物(M₂₃C₆)及富Ta或V的高密度球状碳化物(MX)尺寸有所减小,起到了良好的弥散强化效果,且焊缝组织中无残余铁素体(δ-Fe)存在;VLW焊缝经高温回火(PWHT)后的冲击韧性为280 J,高出母材43 J,约为ALW焊缝冲击韧性的2.4倍,冲击试样断口为韧性断裂.