机械工程材料杂志

机械工程材料杂志2025年第10期

• 核聚变装置偏滤器面向等离子体材料的发展现状与展望

  刘家琴, 张小强, 朱晓勇, 马冰, 吴玉程

  偏滤器作为受控核聚变装置的核心组件，其面向等离子体材料必须耐受高温等离子体产生的强热流、粒子流和中子辐照的复合效应。这些效应可能引起材料损伤和杂质生成，导致等离子体的能量损失和约束效率下降，同时，滞留在面向等离子体第一壁面上的燃料粒子再循环也直接影响等离子体密度的控制。综述了偏滤器面向等离子体材料在聚变堆高热负荷、等离子体辐照以及中子辐照等服役条件下的损伤失效行为，介绍了碳基材料、铍金属和钨基材料等面向等离子体主要候选材料，综述了合金化、复合化和弥散强化等钨基材料强韧化策略，展望了未来的研究方向。

• 激光粉末床熔融成形HR-2抗氢钢的研究进展

  高伟, 颜磊

  HR-2抗氢钢具有优异的抗氢脆性能，常用于制造储氢压力容器。激光粉末床熔融的发展为制备轻质异形储氢容器提供了可能。激光粉末床熔融成形HR-2抗氢钢的研究尚未成熟，总结了粉末原料（粒径分布、化学成分和循环使用性）、成形工艺（体能量密度和扫描策略）和后处理（表面处理和热处理）对成形件性能的影响，阐述了目前研究存在的不足，展望了今后的发展方向。

• Ni-W-Mo-P四元合金镀层的制备工艺优化

  张雅妮, 王思敏, 樊冰, 张成鑫, 段博文, 宋伟, 刘波

  采用化学镀在N80钢上制备Ni-W-Mo-P四元合金镀层，通过单因素试验研究了镀前钢板活化时间（3，5，8 min）和镀液中钼酸钠质量浓度（0.2，0.4，0.5，0.7 g·L?1）对镀层形貌和硬度的影响，通过正交试验研究了镀液中六水硫酸镍质量浓度（25，30，35 g·L?1）、钨酸钠质量浓度（15，20，25 g·L?1）、次亚磷酸钠质量浓度（30，35，40 g·L?1）和镀液温度（70，80，90 ℃）对镀层中磷含量的影响，确定了最佳工艺参数组合，研究了最佳工艺下制备镀层的形貌和性能。结果表明：随着活化时间缩短，镀层胞状组织排列变紧密，镀层变厚，表面变平整；随着钼酸钠含量增加，胞状组织尺寸先减小后增大，排列先变紧密后疏松，镀层硬度增大。对镀层中磷含量的影响程度由大到小排序依次为次亚磷酸钠含量、六水硫酸镍含量、钨酸钠含量、镀液温度；磷含量随次亚磷酸钠、六水硫酸镍含量增加而增大，随钨酸钠含量增加或镀液温度降低先增大后减小。最佳工艺为活化时间3 min、镀液温度90 ℃、镀液组成为35 g·L?1六水硫酸镍+20 g·L?1钨酸钠+40 g·L?1次亚磷酸钠+0.5 g·L?1钼酸钠+30 g·L?1柠檬酸钠+20 g·L?1氯化铵。最佳工艺下制备的镀层由细小且排列紧密的胞状组织组成，镀层表面平整，结构致密，与基体结合界面处无坑状缺陷和缝隙，硬度高（547.8 HV），耐腐蚀性好（腐蚀速率0.377 mm·a?1）。

• 中间退火对5182铝合金板组织及性能的影响

  于宏, 孙宁, 于俊芃, 杨立民, 徐志远, 刘洋, 张浩

  采用常规工艺（熔炼→均匀化热处理→热轧至3.5 mm→冷轧至1.0 mm→500 ℃×10 s退火）制备未中间退火5182铝合金板，在常规工艺的冷轧工序中增加退火工序（冷轧至1.5 mm→300 ℃×2 h退火→冷轧至1.0 mm）制备中间退火5182铝合金板，通过对比研究了中间退火对铝合金板显微组织、拉伸性能以及吕德斯带缺陷的影响。结果表明：未中间退火和中间退火板均发生完全再结晶，晶粒呈等轴状，析出Al6（FeMn）和Mg2Si第二相；相比未中间退火板，中间退火板的晶粒和第二相尺寸较大，晶粒尺寸分布较分散。未中间退火板中主要存在立方、旋转立方再结晶织构；中间退火板除了存在再结晶织构外，还存在黄铜织构、S织构和铜织构，织构取向随机。相比未中间退火板，中间退火板的抗拉强度、屈服强度、断后伸长率和应变硬化指数无显著变化，塑性应变比较大，屈服平台消失，未出现吕德斯带缺陷。

• 低能电磁冲击对TC11钛合金显微组织和冲击韧性的影响

  王方磊, 段亚轩, 孙倩

  采用低能电磁冲击对锻态网篮组织TC11钛合金进行处理，冲击过程中试样表面最高温度不超过200 ℃，研究了低能电磁冲击过程中显微组织和冲击韧性的演变。结果表明：低能电磁冲击使TC11钛合金发生一定程度的相变，随着低能电磁冲击时间的延长，β相占比先增大后减小，α相致密程度先降低后升高，冲击吸收能量先增大后减小，当冲击时间超过0.88 s后，冲击吸收能量低于未冲击试验合金。当低能电磁冲击时间为0.44 s时，试验合金的冲击韧性最好，冲击吸收能量为170.5 J，相比于未冲击试验合金提升约14.1%；冲击韧性的提高与β相含量的增加、α/β相界面处产生的中间相层和局部球化有关。

• 表面硬化层厚度对TA2纯钛/304不锈钢异质薄板冷轧复合性能的影响

  唐虎, 苏思琪, 刘升, 肖瑞, 曾庆郎

  对轧制态和退火态（680 ℃× 30 min）TA2纯钛板（厚度2 mm）和轧制态和退火态（1 050 ℃× 3 min）304不锈钢板（厚度0.85 mm）进行打磨处理，形成不同表面硬化层厚度（117，134，144，177 μm），经1道次冷轧得到不同表面硬化层总厚度（261，278，294，311 μm）TA2纯钛/304不锈钢复合板，轧后进行500 ℃× 2 h的退火处理，研究了表面硬化层厚度对复合板微观结构和拉伸性能的影响。结果表明：较大表面硬化层厚度下复合板结合界面呈齿状结构，界面附近缺陷较多，较小表面硬化层厚度下复合板结合界面较平整，界面附近几乎不存在缺陷；当硬化层厚度为278 μm时，界面最平整，结合最紧密，屈服强度和抗拉强度最大（844，905 MPa），断后伸长率较大（20.4%），拉伸断口形貌由少量撕裂棱和细小韧窝组成；当硬化层厚度过小（261 μm）时，强度较小；当硬化层厚度过大（294，311 μm）时，断后伸长率较小，断口中撕裂棱及解理平面较多，断裂机制以脆性断裂为主。

• 铣削工艺参数对Ti65高温钛合金加工表面完整性的影响

  靳淇超, 李军, 汪亮亮, 谭海兵, 蒋睿嵩, 郭磊

  对Ti65高温钛合金进行了铣削正交试验，研究了每齿进给量（0.01，0.04，0.07，0.10 mm·z?1）、铣削速度（30，60，90，120 m·min?1）、铣削宽度（2，4，6，8 mm）和铣削深度（0.5，1.0，1.5，2.0 mm）对加工表面粗糙度、残余应力和硬度的影响。结果表明：对表面粗糙度的影响程度按由大到小排序依次为每齿进给量、铣削深度、铣削宽度、铣削速度；随着每齿进给量和铣削深度增加，表面粗糙度增大；随着铣削速度增加、铣削宽度减小，表面粗糙度略有减小但变化不显著。每齿进给量和铣削速度对表面残余应力的影响较大，铣削宽度和铣削深度的影响较小；随着每齿进给量增加、铣削速度减小，表面残余压应力减小；随着铣削宽度和铣削深度增加，表面残余压应力无明显变化。铣削深度对表面硬度的影响最大，每齿进给量和铣削速度次之，铣削宽度最小；随着铣削深度、每齿进给量、铣削速度和铣削宽度增加，表面硬度增大。

• 不同功率激光熔凝后AZ31镁合金搅拌摩擦焊接头热影响区的组织与性能

  朱磊, 徐佳辰, 雷浩杰, 刘刚

  在不同激光功率（225，270 W）下对AZ31镁合金搅拌摩擦焊接头区进行激光熔凝处理，研究了激光功率对热影响区表面熔凝层组织、拉伸性能和耐腐蚀性的影响以及对接头的影响。结果表明：不同激光功率下，熔凝层组织均为细小的柱状枝晶；较小激光功率下，熔凝层的深度和晶粒尺寸较小。不同功率激光熔凝后接头热影响区表面熔凝层组织主要由α-Mg相和β-Mg17Al12相组成，较小激光功率下，β相含量较多。通过激光熔凝处理，熔凝层产生细晶强化和第二相强化；较小激光功率下，接头的抗拉强度和断后伸长率较大，拉伸性能较好，熔凝层自腐蚀电流密度较小，腐蚀速率较慢，自腐蚀电位较大，腐蚀倾向较小，腐蚀性能较好。

• 高压热处理对EN950C建筑钢板组织和力学性能的影响

  周艳杰, 赵玉峰, 程从文

  对冷轧EN950C建筑钢板进行了不同温度（700，750，800，850，900 ℃）保温30 min和750 ℃保温不同时间（5，10，30 min）的高压热处理，压力为4 GPa，研究了温度和保温时间对钢板显微组织和力学性能的影响。结果表明：不同条件下高压热处理后钢板中仍保留原始纤维状组织特征，但组织中析出白色颗粒状第二相；随着高压热处理温度升高，第二相数量减少，由沿轧制方向分布转变为沿晶界分布；在750 ℃下随着保温时间延长，第二相数量减少、尺寸增大，基体晶粒尺寸增大。相比冷轧态钢板，高压热处理后钢板的硬度、抗拉强度和屈服强度减小，断后伸长率增大；随着热处理温度升高，钢板的硬度先快速降低后趋于稳定，抗拉强度、屈服强度和屈强比均减小，断后伸长率增大；随着保温时间延长，钢板的硬度、抗拉强度、屈服强度和屈强比均减小，断后伸长率增大。

• 基于机器学习的旋压成形20钢筒形件表面质量和性能预测

  李浩玮, 李强, 桂海莲, 李沂玮, 杨鹏程, 申春雷

  采用有限元模拟了不同减薄率（10%，20%，30%，40%，50%）和进给率（0.55，0.70，0.85，1.00，1.15，1.30，1.45 mm·r?1）下旋压成形20钢筒形件的椭圆度、直线度和残余应力，构建数据集，采用粒子群优化（PSO）优化支持向量回归（SVR）、随机森林（RF）、梯度提升决策树（GBDT）和极端梯度提升树（XGBoost）算法建立机器学习模型，对比分析各模型预测效果，并进行了沙普利可加性特征解释（SHAP）分析。结果表明：有限元模拟得到随着减薄率增加，椭圆度先增大后减小后增大，直线度先增大后减小，残余压应力先减小后增大；随着进给率增加，椭圆度增加，直线度增大，残余应力变化不显著。对直线度、椭圆度和残余应力预测准确性由高到低依次为GBDT模型、XGBoost模型、RF模型和SVR模型；GBDT模型SHAP分析结果与实际结果基本相符，证明了GBDT模型预测的可靠性。GBDT模型预测得到满足直线度小于0.5 mm、椭圆度小于0.4 mm、残余应力小于160 MPa要求的旋压工艺参数为减薄率40%、进给率0.55～0.90 mm·r?1。

• 考虑焊接残余变形的动车组车顶稳定性分析

  李娅娜, 王佳旭, 尹幸福

  根据某动车组车顶部件典型连接形式，制备对接、搭接和角接3种熔化极活性气体保护电弧焊接头，分别基于热弹塑性法和温度载荷法建立有限元模型，对接头焊接变形进行模拟及验证；在300 kN载荷下模拟计算了考虑和未考虑焊接变形的车顶屈曲变形，分析了车顶稳定性。结果表明：热弹塑性法和温度载荷法模拟得到3种接头最大角变形与试验结果的相对误差均小于5%；两模型预测焊接变形的准确性均较高。与热弹塑性法相比，温度载荷法的网格数量和计算时间均减少了90%以上，故选择温度载荷法进行车顶稳定性分析。基于子模型计算，未考虑焊接变形时车顶一阶屈曲因子为2.494，大于安全系数（1.5），说明不存在焊接变形时，300 kN载荷下车顶未发生失稳；考虑焊接变形时一阶屈曲因子为1.131，说明结构中存在焊接变形时300 kN载荷下发生失稳。

• 钛铝混合颗粒冷喷涂沉积层残余应力的数值模拟

  程清思, 陶玉林, 辛红敏, 代辉, 崔敏超, 李光平

  采用ABAQUS软件建立了不同粒径钛铝混合颗粒冷喷涂时撞击7B04铝合金基体的耦合欧拉-拉格朗日模型，研究了载气压力（0.8，1.6，2.4 MPa）、载气温度（350，450，550 ℃）和喷涂距离（10，15，20 mm）对沉积层残余应力的影响，通过响应曲面法分析工艺参数对残余应力的交互影响规律。结果表明：不同冷喷涂工艺参数下，沉积层中均形成残余压应力；随着载气压力增加，最大残余压应力先增大后减小，残余应力分布趋向均匀，孔隙数量减少；随着载气温度升高，最大残余压应力减小，残余应力分布无明显变化，孔隙尺寸减小；随着喷涂距离增加，最大残余压应力先增大后减小，残余应力分布和孔隙数量、尺寸均无明显变化。载气温度对最大残余压应力的影响最显著，载气压力次之，喷涂距离的影响最小；载气温度和载气压力交互作用对最大残余压应力的影响最显著，载气温度与喷涂距离交互作用次之，载气压力与喷涂距离交互作用的影响最小。

• 冷拔珠光体钢丝残余应力有限元分析

  康筱龙, 鲍思前, 常佳琦, 胡家瑞, 刘晨, 田仁敏

  采用有限元模拟研究了7道次冷拔过程中珠光体钢丝残余应力、应变的演变，揭示了微小变形量（0.2%～1.4%）拉伸对拉拔后钢丝残余应力的影响。结果表明：径向上随着距中心距离增加，第1道次冷拔后钢丝轴向残余应力由压应力转变为拉应力，且残余拉应力先增大后减小，最大残余压应力出现在中心，最大残余拉应力出现在次表面；随着距中心距离增加，钢丝轴向应变先减小后增大，中心轴向应变最大，次表面轴向应变最小。随着冷拔道次增加，表面轴向残余拉应力增大，表面与中心轴向残余应力、应变差异增大；表面轴向残余应力模拟结果与试验结果的相对误差为7%，验证了有限元模型的准确性。对冷拔后钢丝进行微小变形量拉伸可以改善其内部的应力不均匀性，随着拉伸变形量增加，改善效果提升。

• 粉末冶金FGH4720Li镍基高温合金的高温疲劳行为

  王洪瑛, 姚志浩, 赵杰, 郭婧

  在粉末冶金FGH4720Li镍基高温合金涡轮盘腹板、榫槽和盘心处取样，在温度500 ℃、最大应力1180 MPa、应力比0.05下进行高温低周疲劳试验，研究了合金的高温疲劳行为，分析了疲劳断裂机制和夹杂物特征对疲劳寿命的影响。结果表明：在高温循环应力作用下，腹板、榫槽和盘心试样的平均疲劳寿命分别为280 413，226 706,177 406周次，疲劳寿命变异系数分别为0.47，0.57，0.51；高温疲劳断裂机制包括滑移诱发的类解理断裂和氧化铝夹杂物起始断裂，高温疲劳寿命N受裂纹源区等效半径r、夹杂物投影面积S和夹杂物距试样表面最小距离d的协同影响，拟合得到关系式为N=113857×lg（rd/S）+7880。

• 应力控制模式下航空2195铝锂合金的低周疲劳行为及寿命预测

  王海平, 金燕, 陈小敏

  对航空2195铝锂合金轧制板进行不同加载条件（最大应力330～540 MPa，应力幅150～270 MPa）下的低周疲劳试验，分析了应力幅、平均应力对循环应变响应及疲劳寿命的影响，采用Basquin模型、在Basquin模型中引入平均应力的Smith平均应力修正模型、在修正模型中引入平均应力敏感程度参数的Walker指数模型预测了疲劳寿命。结果表明：保持平均应力为270 MPa不变，随着应力幅增加，合金的应变幅增大，疲劳寿命缩短；保持应力幅200 MPa不变，随着平均应力增加，合金的棘轮应变增大，疲劳寿命缩短；相比平均应力，应力幅对疲劳寿命的影响更显著。Basquin模型、Smith平均应力修正模型、Walker指数模型的低周疲劳寿命预测结果均在±2倍误差带内，说明预测精度较高。Smith平均应力修正模型、Walker指数模型的预测精度相近，Basquin模型的预测精度最低；这说明引入平均应力修正能提高2195铝锂合金低周疲劳寿命预测精度，但是该合金对平均应力的敏感程度较低。

• 服役后T91耐热钢/TP347H不锈钢异种钢焊接接头的组织和性能及剩余寿命预测

  杨路宽, 夏咸喜, 唐敏锦, 朱颖聪

  研究了某超临界机组T91耐热钢/TP347H不锈钢异种钢焊接接头在服役760 000 h后的组织和性能，并基于拉伸和蠕变试验，采用Larson-Miller参数法预测了接头的剩余寿命。结果表明：T91耐热钢母材晶界及板条界处析出粗大M23C6碳化物和Laves相，高温服役退化特征显著；其侧熔合区形成富集M23C6碳化物与Laves相的过渡层，碳元素迁移形成脱碳层。焊缝区组织致密，细小MX相均匀弥散分布。TP347H不锈钢母材及其侧熔合区晶界及板条界处析出球状和链状M23C6碳化物，晶粒内无σ相或ζ相。接头硬度呈梯度分布特征，T91耐热钢母材硬度超出要求上限，性能发生劣化；焊缝区硬度在要求下限值上下浮动，部分区域性能劣化；TP347H不锈钢母材的硬度仍满足要求。相比室温下，575 ℃高温下接头的拉伸断裂位置由T91马氏体耐热钢母材移至熔合区。预测可得接头剩余寿命为130 000 h。

• 高温带压焙烧炉的热流固耦合分析及筒体蠕变寿命预测

  杨滨, 徐润, 怀欣颖, 蒋文春, 王岩松

  基于热流固耦合分析框架，采用考虑流-固双向实时交互作用的直接耦合和传统单向耦合方法模拟高温带压焙烧炉筒体和轴的温度场和应力场，并依据第一强度理论对筒体和轴进行强度校核；基于Norton-Bailey和K-R损伤理论，建立了筒体高温蠕变模型，对其蠕变寿命进行预测。结果表明：对于筒体温度场和应力场，单向耦合与直接耦合的模拟结果相近，最高温度和最大应力相对误差分别为0.0028，0.0069；对于轴温度场，单向耦合与直接耦合的模拟结果相近，最高温度相对误差为0.0228；对于轴应力场，单向耦合模拟的最大应力约为直接耦合的2.5倍。基于直接和单向耦合模拟结果，物料未预热时，焙烧炉筒体最大应力超过许用应力，未通过强度校核；轴最大应力低于许用应力，通过强度校核。提高物料进口温度可以降低筒体进口段温差并消减应力，当物料进口温度为350 ℃，筒体最大应力低于许用应力，通过强度校核。在物料进口温度350 ℃下模拟得到的焙烧炉筒体高温蠕变失效位置位于蒸汽进口内侧区域，服役寿命约为12.5 a。

• 气冷堆过热器管板在热冲击循环载荷下的蠕变疲劳损伤

  魏乾永, 王骁晓, 陈浩峰, 彭恒

  以800H奥氏体合金制成的气冷堆蒸汽过热器管板为研究对象，基于R5规程2/3分卷的弹性应力分析简化方法，结合有限元模拟，估算管板在经历冷热流体冲击后的稳态循环应力与应变，开展了蠕变-疲劳损伤分析，研究了循环载荷对管板关键位置失效行为的影响，预测了蠕变-疲劳寿命。结果表明：经历稳态保载→冷流体冲击→稳态保载→热流体冲击的单次循环过程后，管板危险点出现于管板与管箱壳壁连接处，蠕变损伤是导致管板失效的主导因素，其累积速率远高于疲劳损伤。流体冲击通过热应力的剧烈波动显著影响关键部位的应力应变响应，从而决定了蠕变-疲劳损伤的演变路径与累积效率，影响管板结构的服役寿命；在小范围温度波动工况中，冷流体冲击在直接加剧疲劳损伤的同时协同加剧蠕变损伤，强化了蠕变-疲劳交互作用，加速了结构失效；热流体冲击有利于降低塑性变形，同时抑制蠕变损伤累积，对结构的寿命影响更小。冷流体冲击的危险性显著高于热流体冲击，在需调节温度的小幅温变环境中，应优先采用热流体冲击工况。