机械工程材料杂志

机械工程材料杂志2025年第11期

• 高温耐磨合金的研究进展

  薛云龙, 邵怡凡, 刘虎林, 伍媛婷, 袁亮, 高中堂, 王雅

  高温耐磨合金是现代工业和重大装备的关键基础材料，已开发出钴基、镍基、铁基、Ni-Al基和Nb-Si基合金以及高熵合金等众多合金体系，在航空航天、轨道交通、能源动力、石油化工等领域应用广泛。介绍了不同材料体系高温耐磨合金的成分特点、显微组织及性能，总结了合金的相关制备技术及其优缺点和适用范围；重点分析了合金元素和加工方式对高温耐磨合金组织及性能的影响。提出了目前高温耐磨合金存在的问题，指出未来应聚焦于合金摩擦学行为的研究和低成本、高性能替代材料的开发。

• 回火及深冷处理对M50钢组织及摩擦学性能的影响

  贾利晓, 王梦丹, 傅丽华, 贺甜甜, 杜三明

  在回火温度550 ℃、保温时间2 h和深冷温度?196 ℃、保温时间1 h条件下对淬火态M50钢分别进行3次回火、回火+深冷+回火、深冷+2次回火处理，研究了回火及深冷处理对试验钢组织和摩擦学性能的影响。结果表明：淬火并经不同工艺回火和深冷处理后，试验钢中均析出细小二次碳化物，残余奥氏体含量减少，马氏体含量增加，硬度提高，摩擦因数和磨损率下降。引入深冷处理后的残余奥氏体含量更低，二次碳化物尺寸更小、数量更多，马氏体组织更细小，硬度和耐磨性能提高，其中深冷+2次回火处理的试验钢中残余奥氏体含量最低，硬度最高，耐磨性能最优。引入深冷处理后，试验钢的磨损机制主要为黏着磨损，其中深冷+2次回火处理的试验钢磨损表面最平整，出现了轻微氧化磨损特征。

• 碳化温度对Mo2C/C纳米复合材料电磁波吸收性能的影响

  杜浩楠, 周影影, 李杨豪兴, 朱琛宇, 甄恩远, 杨毅琨

  采用室温搅拌法制备CuMo-金属有机骨架（MOFs）前驱体，经过不同温度（900，1 000，1 100 ℃）碳化处理，得到Mo2C/C复合材料，通过分析微观形貌、物相组成和电磁参数，研究了碳化温度对复合材料电磁波吸收性能的影响。结果表明：不同碳化温度下均制备得到了片状结构Mo2C/C复合材料，纳米级Mo2C颗粒镶嵌在碳骨架中；900℃碳化温度下复合材料中存在MoP杂质相，温度升至1 000℃时MoP相消失，复合材料发生进一步黏连形成多面体片层结构，当碳化温度升至1 100℃时，片层结构表面析出Mo2C纳米颗粒。随着碳化温度升高，复合材料的电磁波吸收和损耗能力先增强后减弱。当碳化温度为1 000 ℃时，复合材料在2.5 mm厚度下的有效吸收带宽达3.1 GHz，最小反射损耗为?20.8 dB，电磁波吸收性能最佳。

• 长期服役后T91钢的组织及其力学性能

  顾宝兰, 孙浩宇, 安栋, 宋明, 翟建明

  以541~550 ℃高温下长期服役（6.2×104～12×104 h）的T91钢再热器/过热器管段为研究对象，通过多尺度微观结构表征和析出相定量统计，研究了长期服役后T91钢的组织及其力学性能。结果表明：长期服役后，T91钢组织中马氏体板条宽化、板条内位错密度降低、亚晶尺寸增加，晶界处析出Laves相，晶界析出相（主要为M23C6和Laves相）呈链状分布并发生粗化。M23C6和Laves相中关键合金元素含量与服役时间呈正相关。长期服役后，T91钢的强度和硬度均下降。服役时间较短（6.2×104 h）时因亚晶尺寸和晶界析出相尺寸最大，T91钢表现出最低的强度和硬度。

• 工艺参数对Mg-9Gd-4Y-2Zn-0.5Zr合金扩散连接接头组织和剪切性能的影响

  葛伟良, 汤国伟, 武永, 徐淑楠, 王斌, 李升

  采用脉冲电流快速加热的放电等离子扩散连接设备，在不同温度（420～510 ℃）、不同压力（2～6 MPa）和不同时间（2，8 h）下对锻态Mg-9Gd-4Y-2Zn-0.5Zr镁合金进行真空扩散连接试验，研究了工艺参数对接头显微组织和剪切性能的影响。结果表明：接头边缘区域呈蜂窝状多孔结构，中心区域无明显孔洞等缺陷。随着连接温度升高，接头中块状LPSO相减少，片层状LPSO相增多，连接界面未焊合区域减少，接头剪切强度提高，当温度由480 ℃升至510 ℃时，接头剪切强度基本不变。在不高于450 ℃条件下随着连接压力升高，连接界面未焊合区域减少，接头剪切强度提高；在高于450 ℃条件下随着连接压力升高，连接界面形貌变化不大，2 MPa压力下接头已获得较高的剪切强度。随着连接时间延长，连接界面形貌无明显变化，接头剪切强度基本不变。在温度510 ℃、压力2 MPa和时间2 h下，接头连接界面完全焊合，剪切强度达母材（115 MPa）的94.8%。

• 锻造温度对高合金化Al-Zn-Mg-Cu合金组织和拉伸性能的影响

  王海博, 邢清源, 李惠曲, 陈宗强, 臧金鑫, 陈军洲

  以纯铝、纯锌、纯镁以及Al-50Cu、Al-4Zr中间合金为原料，采用直冷半连续铸造工艺制备高合金化Al-Zn-Mg-Cu合金铸锭，经均匀化处理后，依次进行不同锻造温度（360，380，400 ℃）下的两镦两拔锻造、473 ℃×2.5 h固溶和121 ℃×24 h时效处理，研究了锻造温度对试验合金显微组织及室温拉伸性能的影响。结果表明：随着锻造温度升高，试验合金的平均晶粒尺寸先减小后增大，再结晶程度先降低后升高，变形织构占比先增加后减小，抗拉强度和屈服强度先升高后降低，断后伸长率变化不大。当锻造温度为380 ℃时，由于晶粒尺寸最小、再结晶程度最低及变形织构占比最高，试验合金的强度最高，室温拉伸性能最佳。

• 不同添加量碳纳米管、石墨或碳纤维增强对聚酰亚胺涂层摩擦学性能的影响

  赵子庚, 刘洪, 杨一钊, 赵延龙

  采用阶梯温度固化方法，在摩擦块表面分别制备碳纳米管、石墨和碳纤维增强聚酰亚胺（PI）复合涂层，添加量（质量分数）均分别为0.2%，0.4%，0.6%，0.8%，1.0%，研究了不同填料对PI酰亚胺化程度和摩擦学性能的影响。结果表明：3种填料均能提高PI的酰亚胺化程度，碳纳米管增强PI复合涂层的酰亚胺化程度最高。随着填料添加量增加，复合涂层的摩擦因数和磨损率均基本先减后增，在多数条件下当填料质量分数为0.6%时最小。质量分数0.6%填料的添加改善了PI涂层表面摩擦形成的转移膜质量，提高了转移膜硬度，其中碳纳米管添加的转移膜质量最佳，硬度增幅最大。

• Sn-0.3Ag-0.7Cu合金焊膏瞬时液相扩散焊接铜接头的界面组织及剪切性能

  孔子斌, 张宁, 贺新语, 夏晴, 袁鑫

  在两块紫铜基板之间均匀涂覆20 μm厚度Sn-0.3Ag-0.7Cu合金焊膏，在不同回流温度（240，260，280 ℃）和不同回流时间（0，1，2，3，4，8 h）下进行瞬时液相扩散焊试验，研究了不同工艺接头的界面组织和剪切性能。结果表明：在回流温度240 ℃下随着回流时间延长，接头界面的金属间化合物Cu6Sn5先增加后减少，形貌由扇贝状转变为层状；当回流时间为4 h时，焊缝中几乎填满Cu6Sn5，焊缝与母材界面处形成Cu3Sn金属化合物薄层，当回流时间为8 h时焊缝中出现较大孔洞，Cu3Sn金属化合物层厚度增加。界面金属间化合物层的厚度随回流时间延长或回流温度升高先增大后减小，其生长符合体扩散特征，扩散系数随回流温度升高而增大。接头的剪切强度随回流时间延长先升后降，当回流时间为4 h时剪切强度最高；回流温度对剪切强度影响不大。

• 反应体系pH对化学液相还原制备铂粉分散性的影响

  谭生, 廖磊, 刘云川, 万仕豪, 唐会毅, 吴保安, 黎学明

  将等体积的铂质量浓度为10 g·L?1的Na2PtCl6前驱体溶液滴加入质量分数1%的N2H4·H2O溶液中，通过NaOH溶液和HCl溶液控制反应体系pH（2.5～10），采用化学液相还原法制备铂粉，研究了铂粉的微观形貌、粒径分布和分散性随pH的变化规律。结果表明：控制反应体系pH为10时，铂粉颗粒粒径小，颗粒团聚呈絮状，粒径分布宽，累积分布占比90%的粒径D90与累积分布占比10%的粒径D10之差为4.48 μm；随着pH降低，铂粉粒径变大，颗粒分散性提高，粒径分布变窄；当pH为6～7时，铂粉粒径基本不变，分散性良好，粒径分布变宽；随着pH的继续降低，粒径变小，颗粒分散性降低，小颗粒团聚程度加剧，粒径分布变宽。当反应体系pH为8时，铂颗粒的分散性最佳，D90与D10之差仅为2.29 μm。随着pH的降低，铂粉的衍射峰强度明显减弱，半高宽变大，在碱性体系中制备的铂粉晶粒尺寸较大，而在酸性体系中晶粒尺寸较小。

• 矿用磨损链轮的堆焊再制造修复及修复后性能

  王亮

  采用富氩气体保护焊对矿用40CrNiMoA中碳调质钢链轮磨损表面进行双层堆焊修复，先采用JM100结构钢焊丝堆焊10 mm厚过渡层并进行400 ℃保温2～3 h回火处理再使用YD256耐磨药芯焊丝堆焊10～15 mm厚耐磨层，对堆焊修复试样进行350 ℃×3 h回火处理，对比未磨损新链轮，研究了堆焊修复链轮的显微组织、硬度、拉伸性能、冲击性能和耐磨性能。研究表明：堆焊修复层与母材之间冶金结合性能良好，无气孔、裂纹等缺陷；过渡层由大量针状铁素体和少量片状珠光体组成，晶粒细小且分布均匀；耐磨层由铁素体、珠光体、回火马氏体和颗粒状碳化物组成。堆焊修复试样的硬度、抗拉强度和冲击功分别为57.2 HRC，842 MPa，110 J，相比未磨损新链轮分别增大了9.6%，11.8%，26.4%。堆焊修复试样的摩擦磨损质量损失和磨粒磨损质量损失均较小，分别约为未磨损新链轮的32%，24%。堆焊修复链轮的力学性能和耐磨性更优。

• 辅助快冷对冷金属过渡电弧增材制造H13钢块体组织及性能的影响

  赵璇, 王磊, 万占东, 林健, 符寒光

  采用冷金属过渡电弧增材制造技术沉积H13钢块体（5层15道），在沉积过程中分别辅以基板循水冷却（0 ℃和25 ℃水冷）和液氩随动喷射冷却（液氩冷却），研究了快冷对H13钢组织和性能的影响。结果表明：在未增加辅助冷却工艺的自然冷却方式下，沉积的H13钢晶粒粗大，马氏体-奥氏体（M-A）岛含量较多；水冷和液氩冷却时，冷速增大，晶粒细化，M-A岛数量减少，主体区与搭接区的M-A岛含量差值减小。在液氩冷却方式下H13钢的硬度最高，0 ℃水冷方式下次之，自然冷却方式下最低；随着冷却速率提高（从自然冷却转变为25 ℃水冷再到0 ℃水冷），H13钢的抗拉强度和断后伸长率均升高，主体区与搭接区的抗拉强度差值减小。H13钢块体搭接区组织均比主体区更粗大，M-A岛数量更多，硬度和抗拉强度更低，断后伸长率略大；冷却速率增大会降低不同区域组织和性能的差异。

• 铈含量对电弧增材制造2319铝合金构件组织及拉伸性能的影响

  孟筱灏, 余圣甫, 邓方斌, 陈颖

  以ER2319铝合金丝材为主丝、以含铈药芯铝丝为辅丝，采用双丝协同电弧增材制造工艺成形不同铈含量（质量分数分别为0.07%，0.23%，0.52%）2319铝合金大型圆筒构件，研究了铈含量对构件显微组织与拉伸性能的影响。结果表明：不同铈含量合金的组织均为α-Al基体和Al2Cu、Al11Ce3第二相，Al11Ce3相周围存在位错堆积现象。当铈质量分数增至0.23%时，合金中第二相Al2Cu、Al11Ce3增多且分布更均匀，晶粒细化，合金的屈服强度、抗拉强度和断后伸长率增大；当铈质量分数增至0.52%时，第二相数量减少，晶粒略微粗化，合金拉伸性能下降。添加铈后合金中形成Al11Ce3，因其与α-Al的平均错配度较小（小于12%）而促进异质形核，细化了晶粒。第二相沉淀强化对提升合金的强度起主要作用，晶界强化起次要作用。

• 酸蚀和碱蚀处理对激光粉末床熔融用球形纯钨粉表面形貌及性能的影响

  张小强, 刘家琴, 朱晓勇, 吴玉程

  分别采用氢氟酸酸蚀（酸法活化）和过氧化氢碱蚀（碱法活化）工艺对激光粉末床熔融用球形纯钨粉进行表面活化处理，研究了两种工艺对钨粉表面形貌及性能的影响。结果表明：酸法活化后钨粉颗粒仍为球形，表面局部出现纳米级凸起，表面未引入明显杂质；碱法活化后钨粉颗粒转变为类八面体结构，表面引入均匀致密、尺寸更小的纳米级凸起，表面存在钨氧化物。酸法与碱法活化后，50 g钨粉通过孔径2.5 mm漏斗的时间分别增至18.47，5.82 s，流动性相比未活化钨粉下降。酸法活化和碱法活化钨粉的激光吸收率（波长1 070 nm）分别为69.60%，72.15%，烧结试样的相对密度分别提高至95.97%和96.24%；激光吸收率和烧结致密性相比未活化钨粉均有所提高，其中碱法活化处理的性能提升效果更好。

• IN718合金多道激光熔化沉积熔池传热传质行为及其对组织影响的数值模拟

  阮江涛, 潘宏利, 王宇航, 肖霞

  以IN718合金为研究对象，考虑熔池质量、热源耗散、动量及固液相变建立三维多相流数值模型，通过单层三道激光熔化沉积试验进行了验证；采用建立的模型模拟了熔池的传热传质行为，结合试验结果分析了搭接区域重熔现象和温度梯度分布对显微组织的影响。结果表明：模拟得到单层三道激光熔化沉积层的最大高度和宽度与试验结果的相对误差小于6%，沉积层形貌与试验结果相似，验证了所建模型的有效性。在三道激光熔化沉积过程中熔池的最高温度先升后降再升。熔池横截面上熔体从熔池中心向两侧流动，第一道熔池横截面流场关于熔池中轴线对称，第二、三道熔池横截面流场向搭接方向倾斜；熔池纵截面流场前端形成顺时针涡流，中后端形成逆时针涡流，第二、三道熔池中后端涡流区域范围扩大，后端形成新的涡旋区。搭接区域由于发生重熔以及存在集中分布的非对称温度梯度，形成细小且沿最大热流方向（指向后续沉积位置）生长的柱状晶带。

• TC4钛合金表面激光熔覆CuNiFeTiAl高熵合金的组织及硬度

  南灏, 乔宇, 徐灏, 曹睿, 闫英杰

  在激光功率300～800 W、扫描速度2～6 mm·s?1、送粉速率5～35 g·min?1条件下，在TC4钛合金基板表面激光熔覆单道CuNiFeTiAl高熵合金，研究了熔覆合金的组织和硬度。结果表明：激光功率过高（800 W）时合金中出现贯穿性裂纹；扫描速度过低（2 mm·s?1）时合金内部出现开裂和过烧；送粉速率大于15 g·min?1时，合金内部萌生裂纹。当激光功率400 W、扫描速度4 mm·s?1和送粉速率15 g·min?1时，合金与基体形成良好冶金结合，未见裂纹、孔隙等缺陷，综合成形质量最佳，故确定为最佳工艺。在最佳工艺条件下，熔覆合金组织主要由等轴枝晶组成，枝晶干组织为（Fe，Ni）和（Al，Ni）固溶体，枝晶间形成富钛固溶体；合金与基板结合界面出现富钛的柱状晶过渡区。最佳工艺激光熔覆高熵合金的显微硬度约为TC4钛合金基板的1.85倍，界面过渡区硬度最高，达678.3 HV。

• FV520B马氏体不锈钢的GMAW增材制造工艺优化及性能

  白宇, 邓德伟, 胡冰, 梁盈, 田鑫, 刘雪龙, 陈轲, 张勇

  以焊接电流、焊接速度、摆动幅度为因素设计三因素三水平正交试验，采用熔化极气体保护焊（GMAW）增材制造技术，制备了FV520B马氏体不锈钢12层单道沉积试样，以硬度最大为指标确定优化工艺，研究了最优工艺下沉积试样的组织及性能。结果表明：对沉积试样硬度影响程度由大到小依次为焊接电流、摆动幅度、焊接速度，最佳工艺参数为焊接电流122 A、焊接速度5.5 mm·s?1、摆动幅度4 mm。最优工艺沉积试样的成形质量良好，未见开裂、气孔、脱层等缺陷，组织由板条马氏体、少量残余奥氏体和δ-铁素体组成。从沉积试样底部到顶部，晶粒先粗化后细化，马氏体含量先减少后增多，硬度和强度先降后升，断后伸长率先升后降。沉积试样底部、中部和顶部的断裂形式分别为脆性断裂、韧性断裂、韧性-脆性混合断裂。

• 水工闸门增材修复耐磨焊条堆焊层的组织及性能

  朱思思, 胡兴, 吴溢凡, 赵建华, 杨可

  设计了一种耐磨焊条，焊条药皮由还原铁粉、海泡石矿、钾长石、水玻璃、金红石、萤石、锰粉、纤维素、铝硅合金、硅铁合金及稀土硅铁组成，焊芯为0Cr13不锈钢丝，采用手工电弧焊对Q235钢进行水下三层多道堆焊试验，通过与普通焊条堆焊层对比，研究了耐磨焊条堆焊层的组织与耐磨性能。结果表明：耐磨焊条堆焊层中无裂纹等缺陷，其组织为板条马氏体和少量δ-铁素体，马氏体沿温度梯度方向生长形成柱状晶。与普通焊条相比，耐磨焊条堆焊层的马氏体晶粒尺寸更小、体积分数更高，δ-铁素体含量更少，显微硬度提高，摩擦因数和磨损率降低，耐磨性能更好。耐磨焊条堆焊层的磨损表面存在浅且粗细均匀的犁沟，局部伴有少量剥落、磨屑及微裂纹，主要磨损机制为轻度磨粒磨损。

• 深冷处理对冷金属过渡电弧增材制造5087铝合金组织和性能的影响

  张明华, 邓磊, 唐方, 魏馨雨, 农钰祥

  采用冷金属过渡（CMT）电弧增材制造技术制备5087铝合金薄壁件，并进行?196 ℃×24 h深冷处理，利用扫描电镜、X射线衍射和电子背散射衍射等方法研究了深冷处理对薄壁件显微组织和力学性能的影响。结果表明：深冷处理后，CMT电弧增材制造合金的气孔率下降，Al3Mg2第二相细化、数量增多且分布更均匀，位错密度增加；深冷处理使得合金中的柱状晶长宽比减小，等轴晶数量增加，整体晶粒细化。深冷处理后，合金强度和冲击韧性均未有明显变化，断后伸长率提高了31.6%，硬度提高了4.7%。塑性的提升主要源于位错密度增加及Al3Mg2第二相细化和均匀分布。