机械工程材料杂志

机械工程材料杂志2024年第5期

• 钨纤维增韧钨基复合材料的研究进展

  陈畅, 李宽路, 陈寅, 王珊, 汪京, 罗来马

  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。

• 黏结剂喷射制备陶瓷型芯抗弯强度、尺寸精度及表面质量影响因素的研究进展

  江红涛, 杨昕昊, 王秀峰

  黏结剂喷射因具有低成本和可控性优势而在陶瓷型芯的制备中得到广泛的应用,但制备陶瓷型芯的抗弯强度、尺寸精度和表面质量一般较低,而这些不足可以通过改变制备工艺参数来进行改进。综述了粉末、黏结剂、成形工艺和后处理工艺这4个方面的参数对陶瓷型芯抗弯强度、尺寸精度和表面质量的影响,提出了提高黏结剂喷射制备陶瓷型芯抗弯强度、尺寸精度和表面质量的未来发展方向。

• 回火温度对5Cr5MoSiV1钢显微组织和性能的影响

  郭志凯, 连明洋, 曹培泽, 王超锋, 原晓伟

  对球化退火态5Cr5MoSiV1钢进行1 050℃×1 h的淬火以及不同温度（515,530,560,590,620℃）保温1 h的回火处理,研究了回火温度对该钢显微组织、硬度、冲击韧性和耐磨性能的影响。结果表明：不同温度回火后5Cr5MoSiV1钢的组织均为回火索氏体和少量碳化物,随着回火温度升高,碳化物增多并发生聚集长大,当回火温度超过560℃时,基体回复和再结晶加剧,马氏体板条状特征逐渐模糊；随着回火温度的升高,5Cr5MoSiV1钢的硬度降低,冲击吸收能量先基本不变后升高,磨损质量损失呈先波动下降后升高的趋势。5Cr5MoSiV1钢合适的回火温度为590℃,此时该钢兼具良好的冲击韧性和耐磨性能,硬度为51.1 HRC,冲击吸收能量为25.7 J,磨损质量损失为3.864 g。

• 轧制变形量对AlFeSi0.2Sc0.2Zr合金组织与性能的影响

  刘建江, 刘松涛, 姜凤阳, 思芳, 王俊勃, 刘江南, 王恒荣

  在室温下对采用熔炼浇铸法制备的AlFeSi0.2Sc0.2Zr合金进行轧制,研究了轧制变形量（45%,55%,65%,75%,85%,90%）对其微观结构、拉伸性能及导热性能的影响。结果表明：轧制前后AlFeSi0.2Sc0.2Zr合金均主要由基体铝相、α-AlFeSi、AlZr2和AlZr3组成；铸态合金中存在大量缩孔缺陷,同时沿晶界分布着大量呈鱼骨状或短棒状α-AlFeSi初生相,在轧制过程中,随着轧制变形量的增加,合金中的缩孔闭合,晶粒细化,初生相枝晶破碎且分布变得均匀,合金的抗拉强度和热导率同步增大,塑性降低。当轧制变形量为90%时,合金的断后伸长率为7.4%,断裂方式仍为韧性断裂。

• 激光功率对铝／铜激光熔钎焊接头组织及性能的影响

  杜道忠, 张超, 周宇浩

  采用激光熔钎焊方法对5052铝合金和T2紫铜进行对接试验,研究了激光功率（2 000,2 200,2 400,2 600,2 800 W）对接头显微组织和力学性能的影响。结果表明：不同激光功率下接头铜侧钎焊区组织均以柱状晶为主,随着激光功率的增加,焊缝区树枝晶由细针状转变为雪花状；铜侧钎焊区由界面层和金属间化合物层组成,2 000,2 600 W激光功率下的界面层主要为AlCu相,金属间化合物层主要为Al4Cu9相,2 400 W激光功率下的界面层主要由AlCu相和CuZn相组成,金属间化合物层主要为CuZn5相；焊缝区主要由Al4.2Cu3.2Zn0.7和Al0.71Zn0.29相组成。随着激光功率的增加,金属间化合物层厚度增加。激光功率对铜侧钎焊区的显微硬度影响较大,各接头的最高显微硬度均出现在铜侧钎焊区。随着激光功率的增加,接头最高硬度增加,抗拉强度先增大后减小；当激光功率为2 400 W时,接头的抗拉强度最大,达到铝合金母材的92%,此时接头在靠近铝合金母材处断裂,而其他激光功率下制备的接头均在铜侧钎焊区和焊缝区处断裂。

• 化学铣切对2524-T3铝合金薄板表面形貌和性能的影响

  雷越, 陈高红, 郝敏

  对2524-T3铝合金薄板进行化学铣切试验,研究了化学铣切前后薄板的表面形貌、拉伸性能和疲劳性能。结果表明：化学铣切前薄板表面存在尺寸为5~10μm的粗大第二相粒子AlCuMg和氧化物,化学铣切后表面出现大量直径为10~50μm的浅表腐蚀坑,还有第二相粒子部分溶解剥离而残留的微孔洞,表面粗糙度提高；化学铣切对薄板的室温拉伸性能无显著影响,化铣前后的屈服强度不低于330 MPa,抗拉强度不低于460 MPa,断后伸长率保持在20%以上；化铣前后薄板的疲劳强度分别为153.5,138.3 MPa,化铣后疲劳强度相比化铣前下降了9.9%。

• 铸态Mg-6Zn合金的半固态压缩变形行为及本构模型的建立

  蔡晓文, 任俊, 罗霞

  利用Gleeble-3500型热力模拟试验机对铸态Mg-6Zn合金在变形温度500,520,540℃,应变速率0.1,1,5 s－1下进行半固态压缩试验,得到了真应力-真应变曲线；基于真应力和真应变试验数据及Arrhenius模型,建立该合金的半固态压缩本构模型,并进行试验验证。结果表明：Mg-6Zn合金的半固态压缩变形过程主要分为类弹性变形、应变硬化变形和流变黏塑性变形3个阶段；峰值应力随变形温度的升高或应变速率的减小而降低。利用建立的本构模型计算得到的真应力与试验结果之间的相关性很好,相关系数为0.947,平均相对误差为5.57%,说明该本构模型能够较准确地预测铸态Mg-6Zn合金的半固态压缩变形行为。

• 2195铝锂合金的热变形本构模型及热加工图

  王会敏, 李炎光, 马秉馨, 原国森

  采用Geeble-3500型热模拟试验机对2195铝锂合金进行单道次热压缩试验,研究了该合金在360~510℃变形温度和0.001~10 s－1应变速率条件下的热变形行为；根据试验获得的应力、应变数据,建立基于Zener-Hollomon模型的流变应力双曲正弦函数本构模型,并绘制相应的热加工图,获得适宜的热加工工艺。结果表明：2195铝锂合金的流变应力随应变速率的增加而提高,随变形温度的升高而降低,该合金具有正应变速率敏感性；2195铝锂合金的热变形激活能为189.392 kJ·mol－1；2195铝锂合金的适宜热加工工艺为变形温度在410~430℃、应变速率小于0.014 7 s－1以及变形温度在470~510℃、应变速率小于0.026 9 s－1。

• C/SiC复合材料数据库及机器学习性能预测平台的设计与开发

  曹文轩, 史振宇, 邹斌, 王继来, 张成鹏, 袭建人

  以MySQL Workbench 8.0为数据库平台,采用三层浏览器/服务器架构,利用PyCharm 2022开发了一套基于Web界面和机器学习技术的C/SiC复合材料数据库系统,该系统包括材料数据库和机器学习模型2部分,具有对材料组分结构、制备工艺、试验性能等材料研发各阶段的信息查询、添加、修改、删除、搜索以及支持信息管理、设计分析视图、案例推理辅助设计、用户与系统管理等功能。基于神经网络回归算法训练机器学习模型,利用材料微观结构参数预测材料力学性能,对不同微观结构参数的影响权重进行评价,并部署在系统平台中；通过Web用户界面调用机器学习模型,对预留的验证集数据进行拉伸模量和弯曲模量预测。结果表明：机器学习模型预测材料力学性能的精度达到95%左右,训练出来的预测模型具有良好的精度与泛化能力。

• 氮含量对Ti-B-C-N薄膜微观结构和性能的影响

  陈向阳, 张瑾, 马胜利, 胡海霞

  采用反应磁控溅射法在高速钢基体上制备氮原子分数分别为10.8%,15.6%,28.1%,36.4%的Ti-B-C-N薄膜,研究了氮含量对薄膜微观结构、硬度和摩擦磨损性能的影响。结果表明：Ti-B-C-N薄膜均由α-Fe和Ti（C,N）纳米晶组成,具有Ti（C,N）纳米晶镶嵌在非晶基体相中的纳米复合结构；随着氮含量增加,非晶相含量增加,Ti（C,N）纳米晶的含量和晶粒尺寸减小；随着氮含量增加,Ti-B-C-N薄膜的显微硬度增大,摩擦因数和磨损率均减小,表面磨痕变浅,磨损机制由剥落和微观犁削转变为微观抛光。

• 轴承钢表面电弧离子镀氮化物涂层的抗冲击性能和耐磨性能

  于翔, 敬正彪, 鲜广

  采用电弧离子镀工艺在GCr15轴承钢表面分别沉积了TiN和TiAlN 2种氮化物涂层,对比研究了涂层的微观结构、硬度、结合性能、抗冲击性能和耐磨性能。结果表明：制备的TiN涂层和TiAlN涂层表面平整,均以（200）晶面择优生长；TiN涂层和TiAlN涂层的硬度分别为2 060.3,3 390.8 HV,为基体（689.5 HV）的3.0倍和4.9倍。TiN和TiAlN涂层与轴承钢的结合性能良好,结合等级为HF1~HF2,40次冲击试验后TiN和TiAlN涂层表面均未发生剥落和开裂,抗冲击性能良好。TiN涂层和TiAlN涂层与轴承钢对磨时的平均摩擦因数分别为0.42,0.36,体积磨损量分别为1.26×10－3,0.54×10－3mm3,均低于基体,涂层表面均形成了较浅的犁沟,磨损机制为磨粒磨损,其中TiAlN涂层表面犁沟更浅,磨损程度更轻。TiAlN涂层的结合性能和抗冲击性能与TiN涂层相当,硬度和耐磨性能均高于TiN涂层,更适用于改善轴承钢的表面耐磨性能。

• 以TC4钛合金粗粉为原料不同工艺制备涂层的耐腐蚀与耐磨性能

  汤军辉, 段峻, 纪秀林

  以粒径为53~106μm的TC4钛合金粗粉为原料,分别采用超音速火焰喷涂、大气等离子喷涂、激光熔覆及对超音速火焰喷涂涂层进行激光重熔等4种工艺在AA1060铝基体和Q235钢基体表面制备TC4钛合金涂层,对比研究了不同工艺下涂层的物相组成、微观结构、耐腐蚀性能与耐磨性能。结果表明：超音速火焰喷涂涂层和大气等离子喷涂涂层主要以α相为主,等离子喷涂涂层还含有一定量的TiO相,这2种涂层与基体的结合方式为机械结合,孔隙率较高；铝基体表面激光熔覆涂层和激光重熔超音速火焰喷涂涂层的主要物相为α相,而Q235钢基体表面则为β相,这2种涂层与基体的结合方式均为冶金结合,结构更加致密,晶粒更加细小,孔隙率极低。大气等离子喷涂涂层的平均硬度可达476 HV,约为超音速火焰喷涂涂层的2倍,激光熔覆涂层和激光重熔超音速火焰喷涂涂层的平均硬度分别超过550,600 HV；Q235钢基体表面涂层的硬度高于铝基体表面的涂层。大气等离子喷涂涂层的平均结合强度均约为30 MPa,比超音速火焰喷涂涂层高30%以上。在质量分数3.5% NaCl溶液中4种涂层按照自腐蚀电流密度从小到大的顺序依次为激光熔覆涂层、大气等离子喷涂涂层、激光重熔超音速火焰喷涂涂层、超音速火焰喷涂涂层。在铝基体表面,激光熔覆涂层的摩擦因数最小,大气等离子喷涂涂层的磨损率最小；在钢基体表面,激光重熔超音速火焰喷涂涂层的摩擦因数最小,激光重熔超音速火焰喷涂涂层和大气等离子喷涂涂层的磨损率相近,且小于其他2种涂层。大气等离子喷涂技术在采用粗粉制备TC4钛合金涂层方面具有最佳的性能与成本优势。

• 超音速火焰喷涂Ni60/WC-10Co4Cr复合涂层的组织与性能

  劳新力, 张家健, 高传连, 曹利锋, 王群

  以Ni60合金粉末与WC-10Co4Cr粉末为原料,采用以空气为助燃气体的超音速火焰喷涂工艺制备Ni60/WC-10Co4Cr复合涂层,研究了添加不同质量分数（20%,40%,60%）WC-10Co4Cr涂层的显微组织、耐磨粒磨损性能和耐腐蚀性能,并与电镀硬铬层进行对比。结果表明：Ni60/WC-10Co4Cr复合涂层由镍基固溶体（NiCr）、铬的碳化物（Cr23C6和Cr7C3）和硼化物（Cr2B）以及WC组成,涂层与基体结合紧密,孔隙率均低于1%；随着WC-10Co4Cr含量的增加,复合涂层中的硬质WC相含量增加,涂层的硬度升高,磨粒磨损体积损失明显下降,耐磨粒磨损性能提高,自腐蚀电位降低,自腐蚀电流密度增大,耐腐蚀性能下降。添加质量分数60% WC-10Co4Cr的复合涂层的性能最佳,其耐磨性能与电镀硬铬层相当,耐腐蚀性能优于电镀硬铬层,硬度略低于电镀硬铬层；采用该涂层来代替电镀硬铬是可行的。

• 不同电流密度下电沉积金刚石增强镍基复合涂层的微观结构与耐磨性能

  陈志翔, 赵远涛, 田冉, 刘沈强, 潘正阳, 李文戈, 尹莉, 刘彦伯

  采用电沉积技术在1,2,5,10 A·dm－2电流密度下制备金刚石增强镍基复合涂层,研究了复合涂层的微观结构和耐磨性能；通过COMSOL软件对阴极表面镍晶粒生长情况进行仿真,分析了不同电流密度下金刚石颗粒对复合涂层微观结构的优化作用。结果表明：在1,2 A·dm－2电流密度下复合涂层的结构致密均匀,金刚石含量较多,随着电流密度的增大,金刚石含量减少,涂层表面出现金字塔结构；复合涂层呈现出明显的200丝织构,随着电流密度的减小,织构强度降低,晶粒尺寸减小。小电流密度下更多金刚石颗粒的沉积阻碍了其底部镍晶粒的生长,且金刚石颗粒周边较高的电流密度使得金刚石对镍晶粒的细化作用加强。在干摩擦的条件下,随着电流密度的增大,复合涂层的稳定摩擦因数和磨痕尺寸增大,磨粒磨损程度增大,耐磨性能降低；当电流密度为1 A·dm－2时,复合涂层的稳定摩擦因数最小,磨痕深度和宽度最小,耐磨性能最好。

• 磁控溅射NiCrCN涂层在质子交换膜燃料电池阴极环境中的腐蚀行为

  董延, 陶毅, 张金洲

  采用非平衡磁控溅射技术在316L不锈钢表面沉积NiCrCN涂层,研究不同铬靶电流（2,4,6 A）下涂层的微观形貌以及在模拟质子交换膜燃料电池（PEMFC）阴极环境（0.5 mol·L－1 H2SO4＋2 mg·L－1HF,空气鼓入,70℃）中的耐腐蚀性能。结果表明：制备的NiCrCN涂层均由金属镍、CrN、Cr2N、Cr7C3等相组成；4 A铬靶电流下制备的涂层表面光滑平整且结构致密,而2,6 A铬靶电流下制备的涂层中出现明显的柱状晶结构。在模拟PEMFC阴极环境中恒电位0.6 V极化以及高电位1.0 V循环极化后,随着铬靶电流的增大,涂层的腐蚀电流密度先减小后增大,4 A铬靶电流下制备涂层的腐蚀电流密度最小,恒电位极化曲线更加平稳,恒电位极化时溶解在腐蚀溶液中的金属离子质量浓度最小,表面腐蚀程度最轻；该涂层在静止浸泡14 d后的电荷转移电阻始终比316L不锈钢高1个数量级。在PEMFC正常工作、快速启动/关闭和长期静止条件下服役的最佳NiCrCN涂层为4 A铬靶电流下制备的涂层。

• FV520B钢表面熔化极气体保护焊堆焊层及其激光淬火后的组织与性能

  邓德伟, 孟凡民, 汪红所, 陈文博, 孙磊

  采用熔化极气体保护焊在FV520B钢板上进行单层单道、二层多道以及三层多道同质堆焊试验,并对单层单道堆焊层进行激光淬火处理,研究了不同堆焊层和激光淬火后堆焊层的显微组织、硬度和耐腐蚀性能。结果表明：堆焊层由板条状马氏体、少量δ铁素体和一些碳化物组成,显微硬度为350 HV,与母材相比提高了14.7%,层间和道间交界处的组织中δ铁素体减少,最高硬度分别为380.3,373.5 HV,相对于堆焊层提高了8.0%,6.7%左右；堆焊层的腐蚀速率低于母材,且随着堆焊层数的增加,腐蚀速率不变。激光淬火后堆焊层的马氏体组织更加细小,淬火区和热影响区的厚度分别为194.3,186.3μm,堆焊层的最高硬度提高至390.4 HV；随着距淬火表面距离的增大,硬度先升高后降低；激光淬火后堆焊层的腐蚀速率比未进行激光淬火的堆焊层低。

• 渗氮温度对Y10钢表面离子渗氮层组织和性能的影响

  陈致远, 王守晶

  在不同温度（480,500,520,540℃）下对经过淬火和回火处理的Y10钢进行离子渗氮处理,研究了渗氮温度对渗氮层显微组织、硬度和高温摩擦磨损性能的影响。结果表明：不同温度离子渗氮后Y10钢表面渗氮层中均不存在白亮的化合物层,主要为氮扩散层；渗氮层的氮化物主要为ε（Fe3N）和γ′（Fe4N）,随渗氮温度升高,ε（Fe3N）相的衍射峰强度降低,γ′（Fe4N）相的衍射峰强度升高,α-Fe相衍射峰趋于消失,渗氮层厚度增加；随着渗氮温度由480℃升高到540℃,渗氮层硬度由880 HV增加到999 HV,稳定摩擦因数由0.75降至0.65,磨损质量损失由0.74 mg降至0.34 mg,高温耐磨性能提高,这主要与渗氮层中形成更多的高硬度氮化物有关。

• 溅射功率对直流磁控溅射TiAlN涂层组织和摩擦学性能的影响

  孙琛扬, 王疆瑛, 张高会, 徐欣

  在室温下采用直流磁控溅射技术在304L不锈钢表面制备TiAlN涂层,研究了溅射功率（80,100,120,140,160 W）对TiAlN涂层组织和摩擦学性能的影响。结果表明：TiAlN涂层由面心立方结构的TiAlN相以及少量TiN和AlN相组成。随着溅射功率的增加,TiAlN涂层变厚,表面晶粒更加致密,但溅射功率160 W下制备的涂层表面大颗粒较多,晶粒尺寸先变小后变大,结合力先增大后减小,平均摩擦因数和比磨损率均整体呈先减小后增大的趋势；溅射功率140 W下制备的涂层具有最小的晶粒尺寸、最强的结合力、最小的平均摩擦因数和比磨损率,磨痕较平整且仅有少量磨屑,磨损机制为轻微的黏着磨损。