机械工程材料杂志

机械工程材料杂志2024年第9期

• 静电纺丝法制备氧化铝纤维及其应用的研究进展

  包佩, 陈丰, 刘成宝, 刘守清

  静电纺丝是制备氧化铝纤维的重要途径之一,具有合成过程简单、纤维组分易于调节、纤维结构设计合理等特点,近年来得到快速发展。介绍了静电纺丝技术的原理及进展,系统分析了工艺参数（聚合物参数、溶剂参数、纺丝液参数、过程控制参数、环境参数、热处理参数等）和铝前驱体种类（无机铝源、有机铝源、混合铝源等）对纤维结构和性能的影响,阐述了氧化铝纤维应用领域（吸附过滤、催化、储能、高温隔热）,并对静电纺丝法制备氧化铝纤维的未来发展方向进行了展望。

• 烧结温度对无压液相烧结TiN陶瓷组织与性能的影响

  叶凌云, 王亚军, 叶军, 宋海林, 张翠萍, 岳新艳, 茹红强

  以微米级TiN粉体为原料,纳米级Y2O3和Al2O3粉体为液相烧结助剂,采用无压液相烧结工艺制备TiN陶瓷,研究了烧结温度（1?700~1?850?℃）对TiN陶瓷显微组织、力学性能和电学性能的影响。结果表明：不同烧结温度下陶瓷均由TiN、YAG（Y3Al5O12）和YAM（Y4Al2O9）三相组成；当烧结温度低于1?800?℃时,TiN相分布均匀,YAG和YAM相较少,当烧结温度为1?800?℃时,TiN晶粒长大,YAG和YAM相增多。随着烧结温度的升高,TiN陶瓷的相对密度、维氏硬度、抗弯强度和断裂韧度均先增大后减小,开口气孔率和电阻率均先减小后增大。当烧结温度低于1?800?℃时,陶瓷的断裂方式以沿晶断裂为主,当烧结温度不低于1?800?℃时以穿晶断裂为主。当烧结温度为1?800?℃时,TiN陶瓷的综合性能最佳,其相对密度、维氏硬度、抗弯强度和断裂韧度均最大,分别为98.3%,13?GPa,420?MPa,6.1?MPa·m1/2,开口气孔率和电阻率均最小,分别为0.12%和3.04×10?7?Ω·m。

• 国产加钒钢焊接接头不同区域的蠕变裂纹扩展行为

  顾腾飞, 王宁, 许开源, 曾熙婷, 谈建平, 涂善东

  以国产2.25Cr-1Mo-V加钒钢焊接接头为研究对象,在550?℃和不同初始应力强度因子（19.04,17.57,16.40,14.64,13.47?MPa·m0.5）下对母材、焊缝和热影响区进行蠕变裂纹扩展试验,研究了焊接接头不同区域的蠕变裂纹扩展行为,探究了应力强度因子和C*参量表征蠕变裂纹扩展速率的适用性,并观察了断口形貌。结果表明：随着初始应力强度因子的增加,母材、焊缝和热影响区的蠕变断裂寿命缩短,归一化稳态蠕变裂纹扩展速率增大。在相同初始应力强度因子下,焊缝的蠕变断裂寿命最长、归一化稳态蠕变裂纹扩展速率最小,说明焊缝抵抗蠕变裂纹扩展的能力最强,蠕变性能最佳；热影响区的蠕变断裂寿命最短、归一化稳态蠕变裂纹扩展速率最大。接头不同区域的归一化蠕变裂纹扩展速率与应力强度因子的变化曲线都呈类似“V”字形状,对应蠕变裂纹的萌生、稳定扩展和加速扩展阶段；应力强度因子和归一化蠕变裂纹扩展速率的分布具有显著的分散性；C*参量与归一化蠕变裂纹扩展速率具有更强线性关系,且C*参量和归一化蠕变裂纹扩展速率的分布集中。随着初始应力强度因子的增加,母材、焊缝和热影响区的断裂模式由沿晶断裂或穿晶断裂向沿晶/穿晶混合断裂转变。

• 锆合金压力电阻焊接头热影响区中第二相的组织特征

  安军靖, 杨乐, 鲁立, 林健, 陈兵兵, 周明胜

  采用热模拟试验机分别对Zr-4合金管和锆锡铌（Zr-Sn-Nb）系锆合金管与Zr-4合金柱进行压力电阻焊连接,研究了接头热影响区的第二相形貌、成分和晶体结构,并与母材进行对比。结果表明：在压力电阻焊的热力耦合作用下,Zr-4合金接头热影响区近熔合线区的第二相粒子发生完全溶解,近母材区的密排六方结构Zr（Fe,Cr）2 Laves第二相颗粒的数量相比母材显著减少,平均直径增大。Zr-Sn-Nb系合金接头热影响区近熔合线区的第二相颗粒数量很少,以直径小于50?nm的体心立方结构β-Nb相为主,近母材区的第二相颗粒数量介于母材与热影响区近熔合线区之间,由细小的体心立方结构β-Nb相以及粗大的面心立方结构（Zr,Nb）Fe2相组成。

• 硅、镍含量与制备工艺对Al-Si-Ni合金组织和热学性能的影响

  隋明冉, 张瑜璐, 李乙庚, 李鹏宇, 南邵俊, 杜军

  利用普通凝固、水冷铜模亚快速凝固和水冷铜模亚快速凝固复合热处理（520?℃×6?h）3种工艺,分别制备了Al-11Si-5Ni合金、Al-22Si-10Ni合金和Al-33Si-15Ni合金,研究了不同合金的显微组织和热学性能。结果表明：Al-11Si-5Ni共晶合金在凝固过程中仅发生Al-Si-Al3Ni三元共晶反应,形成由α-Al相、共晶硅相和共晶Al3N相组成的三元共晶组织；Al-22Si-10Ni合金与Al-33Si-15Ni合金为过共晶合金,组织由初生硅相、初生Al3N相和三元共晶组织组成,其凝固过程分为初生硅相析出、初生硅相与Al3Ni相的共同析出以及Al-Si-Al3Ni三元共晶反应3个阶段；随着镍、硅含量的同步增加,初生硅相与Al3Ni相粗化；与普通凝固工艺相比,水冷铜模亚快速凝固工艺可以细化合金组织,而热处理使共晶硅相与共晶Al3Ni相发生球化。随着硅、镍含量的同步增加,合金的热导率与热膨胀系数均下降,而水冷铜模亚快速凝固复合热处理可以有效提升合金的热导率。水冷铜模亚快速凝固复合热处理工艺制备的Al-22Si-10Ni合金具有优异的综合性能,其室温热导率为129.9?W·m?1·K?1,100?℃热膨胀系数为13.8×10?6?K?1,25~100?℃平均热膨胀系数为12.9×10?6?K?1。

• 焊接热输入对0Cr13Ni4Mo马氏体不锈钢电弧焊接头组织与性能的影响

  周新宇, 胡志华, 栾道成, 王正云, 林绍斌

  在不同焊接热输入（9,13,17?kJ·cm?1）下对0Cr13Ni4Mo马氏体不锈钢板进行多层多道电弧焊,研究了焊接热输入对焊接接头显微组织与力学性能的影响。结果表明：不同焊接热输入下所得焊接接头焊缝和热影响区的组织均为板条马氏体、少量δ铁素体和残余奥氏体；随着焊接热输入的增大,焊缝和热影响区的板条马氏体变粗大,δ铁素体含量增多；不同焊接热输入下焊接接头的抗拉强度和屈服强度分别约为810,600?MPa,均高于母材且符合项目规定,屈强比均小于0.9,接头的拉伸性能良好,拉伸后均在母材处断裂；随着焊接热输入增大,冲击吸收能量减小,焊接热输入为9,13?kJ·cm?1下冲击断口中的韧窝尺寸略大且均匀,接头的冲击韧性更好；不同焊接热输入下焊缝的硬度为310~340?HV,其平均硬度高于热影响区和母材,随着焊接热输入的增加,焊缝和热影响区的硬度均略微降低。

• 7075-T6铝合金的放电等离子烧结连接工艺优化

  李德银, 万银根, 谢兰生, 陈明和

  采用放电等离子烧结技术对7075-T6铝合金进行连接,通过单因素法研究了母材表面预处理（400#砂纸打磨、化学浸蚀、400#砂纸打磨+化学浸蚀、2000#砂纸打磨+化学浸蚀）以及升温速率（10,30,50?℃·min?1）、连接温度（450,470,490,510?℃）、连接压力（4.5,5.0,5.5,6.0,7.0?MPa）和保温时间（45,60,75,90,120?min）对接头连接质量、剪切性能和变薄率的影响,确定了合适的表面预处理工艺以及最优的工艺参数。结果表明：合适的表面预处理工艺为400#砂纸打磨,获得7075-T6铝合金接头的连接质量最好,接头界面未闭合孔洞很少,焊合率最大,为71.7%；随着升温速率的升高,接头的连接质量变差,但其焊合率均高于76%,接头的抗剪强度和变薄率均降低；随着连接温度的升高或连接压力的增加,接头的连接质量变好,接头的焊合率、抗剪强度和变薄率均增大,但当连接压力大于6.0?MPa时,焊合率和抗剪强度增加幅度减小,而变薄率大幅增加；随着保温时间的延长,接头的焊合率、抗剪强度和变薄率的变化幅度均较小。400#砂纸打磨后7075-T6铝合金的最优连接工艺为升温速率50?℃·min?1、连接压力6.0?MPa、连接温度490?℃、保温时间45?min,此时接头的焊合率为81.3%,抗剪强度为132.9?MPa,变薄率为1.91%,剪切断裂方式为韧性断裂。

• 搅拌铸造结合搅拌摩擦加工制备不同体积分数SiCp/Al复合材料的摩擦磨损行为

  谭东, 付康习, 张士琦, 夏少华, 昝宇宁

  采用搅拌铸造结合搅拌摩擦加工方法制备了SiC颗粒体积分数分别为20%,25%,30%的SiCp/Al复合材料,研究了复合材料的显微组织和力学性能,并基于市域列车的实际运行工况（制动压力0.57,0.67,0.72?MPa）设计摩擦磨损试验,研究了不同复合材料的摩擦磨损行为。结果表明：所得SiCp/Al复合材料均组织致密,无裂纹和气孔缺陷,SiC颗粒均匀分布在铝合金基体中,无团聚现象；复合材料的抗拉强度、断后伸长率和硬度均满足制动盘行业标准要求,随SiC颗粒体积分数的增加,抗拉强度变化幅度较小,断后伸长率呈降低趋势,硬度呈升高趋势；当SiC颗粒体积分数为25%和30%时,复合材料的平均摩擦因数稳定在0.3~0.5,满足市域列车高速制动要求,磨损表面未发现明显的犁沟和分层,表面形成了完整的摩擦膜,但是SiC颗粒体积分数为30%的复合材料对偶闸片的磨损量较高,且在0.57?MPa制动压力下的摩擦稳定系数较低,摩擦副的匹配性差；当SiC颗粒体积分数为20%时,最大平均摩擦因数大于0.55,磨损表面犁沟和分层现象明显,磨粒磨损严重,最大犁沟深度达到45?μm,无法满足市域列车高速制动要求。

• 825合金在含单质硫高温高酸性环境中的局部腐蚀行为

  唐庚, 周朗, 李祚龙, 龚浩, 李玉飞, 曾德智

  在132?℃、H2S分压4.8?MPa、CO2分压1.6?MPa、氯离子质量浓度42?750?mg·L?1的气田模拟地层水中,通过腐蚀挂片试验研究了825合金在含单质硫（每升地层水中包裹合金的单质硫质量为10?g）与不含单质硫条件下的局部腐蚀行为。结果表明：在不含单质硫条件下825合金几乎不发生腐蚀,腐蚀6?d时的腐蚀速率仅为0.007?7?mm·a?1；添加单质硫腐蚀3?d时腐蚀速率达到0.055?2?mm·a?1,合金发生了严重的局部腐蚀,随腐蚀时间的延长,合金表面局部腐蚀坑面积、腐蚀坑最大深度和腐蚀速率增大。在不含单质硫条件下合金表面腐蚀产物极少,主要为FeCO3,在含单质硫条件下,随着腐蚀时间的延长,表面腐蚀产物增多,主要为FeCO3与FeS；单质硫在高温下发生歧化反应产生H+和S2?,使825合金表面腐蚀产物膜破裂,从而加剧了局部腐蚀。

• 硅、铬掺杂对TiAlN基涂层微观结构及摩擦学性能的影响

  黄彪, 周琼, 王雅琪, 安琦

  分别以Ti0.5Al0.5、Ti0.5Al0.4Cr0.1、Ti0.5Al0.4Si0.1为靶材,采用电弧离子镀技术制备了TiAlN涂层、TiAlSiN涂层和TiAlCrN涂层,研究了硅、铬掺杂（二者掺杂量近似相同）对TiAlN基涂层微观结构、力学性能以及摩擦学性能的影响。结果表明：TiAlN涂层、TiAlSiN涂层和TiAlCrN涂层均结构致密,与基体结合良好,呈柱状晶生长,呈现较强的（200）晶面择优取向；硅、铬元素掺杂使得涂层晶粒细化,其中硅元素掺杂形成的Si3N4非晶相对（Ti,Al）N纳米晶生长有抑制作用,TiAlSiN涂层的晶粒尺寸最小。硅、铬元素掺杂提高了涂层的硬度和内应力,并且硅掺杂的提升效果更好；硅、铬掺杂降低了涂层的硬度与弹性模量的比值和结合力,并且硅掺杂的降低幅度更大,TiAlSiN涂层的韧性最差；硅元素和铬元素的掺杂均能降低TiAlN涂层的摩擦因数和磨损率,硅掺杂对摩擦因数的降低幅度高于铬掺杂,对磨损率的降低幅度低于铬掺杂。

• hBN含量对hBN/聚氨酯丙烯酸酯复合材料力学和摩擦学性能的影响

  胡海霞, 刘正果

  采用硅烷偶联剂KH550对六方氮化硼（hBN）纳米颗粒进行表面改性处理,利用立体光刻技术制备不同质量分数（0.05%,0.10%,0.15%,0.20%）hBN改性聚氨酯丙烯酸酯（hBN/PUA）复合材料,研究了hBN含量对复合材料力学性能和干摩擦磨损性能的影响。结果表明：随着hBN含量的增加,复合材料的拉伸和弯曲强度均先增再降,稳定摩擦因数和磨损质量损失均先减后增；当hBN的质量分数为0.10%时,复合材料的拉伸强度和弯曲强度最大,相较于纯PUA分别提高35.87%和36.92%,稳定摩擦因数和磨损质量损失均最小,与纯PUA相比分别降低31.03%和45.83%,此时复合材料的力学性能和耐磨性能最佳。当hBN的质量分数不高于0.10%时,hBN颗粒均匀地分布在PUA基体中,阻碍裂纹扩展,因此复合材料强度和耐磨性提高；当hBN质量分数大于0.10%时,hBN颗粒发生团聚,导致应力集中,强度和耐磨性能降低。

• 镍添加量对锰锌铁氧体结构与性能的影响

  余金睿, 刘数华, 黄莺莺, 孔倩倩, 姚振华

  以羰基镍粉和锰锌铁氧体粉为原料,在不同温度（1?320,1?360,1?380?℃）下真空烧结制备锰锌铁氧体,研究了添加的镍质量分数（0,2%,4%,6%,8%,10%）对锰锌铁氧体微观结构、力学性能、电学性能和磁学性能的影响。结果表明：镍的添加未改变锰锌铁氧体的尖晶石结构,当镍质量分数大于2%时,锰锌铁氧体中存在Fe2O3相以及部分未完全固溶的镍；随着镍添加量的增加,锰锌铁氧体中的孔洞数量减少,晶体结构更加致密。随着烧结温度的升高,不同镍添加量锰锌铁氧体的密度先增后减,抗弯强度整体呈先略微增大后降低的趋势,1?360?℃温度下烧结得到的锰锌铁氧体具有最高的密度和较好的力学性能。随着镍添加量的增加,锰锌铁氧体的密度、抗弯强度、饱和磁化强度、初始磁导率、饱和磁感应强度、电导率和居里温度均增大,力学、电学和磁学性能提高。

• 冷喷涂过程中颗粒加速特性的数值模拟

  董脉鸣, 辛红敏, 李光平, 代辉, 程清思, 姚倡锋, 崔敏超

  采用ANSYS FLUENT软件建立冷喷涂过程中颗粒沉积的有限元模型,通过颗粒撞击速度的估算公式进行了验证；采用有限元模型开展了载气压力（0.5,0.7,0.9,1.1,1.3?MPa）、载气温度（400,500,600,700,800?K）、喷涂距离（15,20,25,30,35?mm）等工艺参数对颗粒加速特性的单因素影响研究,通过响应曲面法分析工艺参数对颗粒加速特性的交互影响规律。结果表明：不同工艺参数下颗粒撞击速度模拟值与估算值的平均相对误差为5.37%,验证了有限元模型的可靠性。随着载气压力的增加,颗粒速度增大,相邻载气压力下颗粒撞击速度的平均增加幅度为50?m·s?1,颗粒温度变化不明显；随着载气温度升高,颗粒温度升高,相邻载气温度下颗粒撞击温度的平均增加幅度为60?K,颗粒速度变化不明显；随着喷涂距离的增加,颗粒速度和颗粒温度均变化不明显。载气压力对颗粒速度的影响最为显著,载气温度次之,喷涂距离的影响最不显著。载气压力与载气温度的交互作用对颗粒速度的影响最为显著,载气压力与喷涂距离次之,载气温度与喷涂距离交互作用的影响最小。

• 38CrMoAl钢表面渗氮与激光淬火复合改性层的组织和性能及厚度预测

  王天成, 王祎雪, 李九霄, 张宇航, 王颉闻, 唐丽娜

  对38CrMoAl钢进行460?℃渗氮8,16?h与激光淬火处理,研究了复合改性层的组织和性能；利用Matlab软件与Abaqus有限元软件对复合改性层的氮浓度分布场和激光淬火温度场进行数值模拟,预测不同工艺下复合改性层的厚度,并进行试验验证。结果表明：复合改性层表面组织为含过饱和氮的马氏体,次表面为淬火马氏体,同时复合改性层中还存在铁的氧化物(Fe3O4,FeO,Fe2O3)和铁的氮化物（ε-Fe2-3N、γ'-Fe4N）组成,且16?h渗氮+激光淬火得到氮化物的含量更多。不同工艺处理后复合改性层截面硬度分布曲线中存在平台区,16?h渗氮+激光淬火后复合改性层平台区的硬度为720?HV,比8?h渗氮+激光淬火的复合改性层高约100?HV；8,16?h渗氮+激光淬火后复合改性层的厚度分别为530, 590?μm。与8?h渗氮+激光淬火相比,16?h渗氮+激光淬火后复合改性层的稳定摩擦因数和磨损体积均较低,分别为0.293,1.012?mm3,耐磨性能较优。预测得到8,16?h渗氮+激光淬火后复合改性层的厚度分别为531,583?μm,相对误差小于3%,验证了预测方法的有效性。

• 搅拌针转速对6061-T6铝合金搅拌摩擦焊接头焊接温度及硬度分布的影响

  廖利华, 莫宇丹, 刘克, 张鹏, 张文康, 何洪

  通过试验研究了960~1?800?r·min?1搅拌针转速下6061-T6铝合金搅拌摩擦焊接头的硬度分布；采用ABAQUS软件对搅拌摩擦焊过程的温度分布进行有限元模拟,通过热影响区测温点的温度变化对模型进行验证,模拟研究搅拌针转速对热影响区焊接温度的影响,并建立焊接温度分布与接头硬度分布的对应关系。结果表明：接头最低硬度位于热影响区或焊核+热机影响区。当搅拌针转速不高于1?200?r·min?1时,后退侧最低硬度（RLH）区域的硬度低于前进侧最低硬度（ALH）区域,RLH区域为接头力学性能的最薄弱位置；当搅拌针转速高于1?200?r·min?1后,ALH区域的硬度低于RLH区域,ALH区域成为最薄弱位置。模拟得到热影响区不同测温点的温度变化趋势与试验结果相吻合,峰值温度的最大相对误差为2.6%,说明该模型可以准确预测6061-T6铝合金在搅拌摩擦焊接过程中的温度分布。当搅拌针转速不超过1?200?r·min?1时,RLH区域的峰值温度比ALH区域更高,析出相溶解更多,硬度更低；当搅拌针转速高于1?200?r·min?1后,ALH区域的峰值温度更高,在高温区域停留的时间更长,析出相溶解更严重,硬度更低。通过模拟获得接头焊接时峰值温度超过400?℃且降温速率最慢的区域,即为接头力学性能的最薄弱位置。

• 大变形下固体推进剂黏弹性本构参数的识别

  李瑞阳, 郑战光, 孙经雨, 钱桂安, 蔺跃龙, 武锐, 刘通

  在ZWT非线性黏弹性本构模型中添加额外的Maxwell单元,建立了非线性广义Maxwell模型（NLGMM）并进行数值离散化,基于Nelder-Mead单纯形算法,使用端羟基聚醚（HTPE）固体推进剂在不同等位移速率下的拉伸试验数据对本构参数进行优化和验证,分析了使用工程应变速率和真应变速率对真应力计算结果的差别。结果表明：经数值离散和参数优化后,建立的NLGMM可以很好地描述HTPE固体推进剂的力学行为,对真应力的计算结果与试验结果的最大相对误差不超过6%。当HTPE固体推进剂发生的变形量较小（真应变不大于0.1）时,使用工程应变速率计算的真应力与使用真应变速率计算结果之间的相对误差不大于5%,此时可忽略变形导致的非线性效应,使用工程应力-工程应变和工程应变速率进行计算来确定NLGMM材料参数；当HTPE固体推进剂发生较大变形（真应变不小于0.4）时,使用工程应变速率计算的真应力为使用真应变速率计算结果的1.33倍及以上,材料变形导致的非线性效应不可忽略,应使用真应力-真应变和真应变速率进行计算来确定NLGMM的材料参数。