激光冲击强化对激光增材TC4钛合金组织和抗氧化性的影响

近年来,激光增材制造技术(3D打印)成为科学研究及工业应用领域的热点。为了研究激光冲击强化对增材制造TC4钛合金性能的影响,本文采用能量为5 J,波长为1 064 nm,脉宽为10 ns,光斑直径为3 mm的脉冲激光对3D打印TC4钛合金进行激光冲击强化,分析了激光冲击强化前后材料的显微硬度、显微组织、残余应力以及高温氧化性能。结果表明,经过激光冲击强化后,材料的显微硬度比激光冲击强化前提高了8%,影响层深度达到0.4 mm,强化区域的晶粒得到细化,位错增多,并产生形变孪晶;激光冲击强化的残余压应力数值高达472 MPa,材料的高温抗氧化性能也得到改善。     

3D打印技术形塑新军事革命

<正>蒸汽动力技术、电力技术以及数字化技术是人类社会进入到18世纪下半叶之后三大工业革命的标志。其中,以数字化技术为标志的第三次工业革命的最新发展,就是三维(3D)打印技术。现代二维(2D)打印是在平面上以墨粉喷印出文字与图像,三维打印则是在此基础上,通过特种技术将特种质材喷印出三维立体实物。目前发展的3D打印技术通过高能激光或电子束照射到质材使之逐层熔化并沉积生长,质材则为金属、树脂或陶瓷等。在将3D打印技术用于航空航天时,相应的材料通常为结构金属钛与M100钢等。与传统钢铁相比,金属钛具有比重     

316L不锈钢粉末光纤激光选区熔化特性

采用自行研制的光纤激光选区熔化快速成型设备,研究了选区激光熔化316L不锈钢粉末工艺参数、能量输入与样件致密度、表面形貌之间的关系以及微观组织特征。结果表明:扫描速度对成型效果影响最为显著;样件致密度随着激光能量密度提高有逐渐增大的趋势;能量密度作为选区激光熔化工艺的技术指标具有可操作性;表面形貌由激光功率与扫描速度比值所决定。深入探讨了能量输入、熔化凝固行为、激光功率与扫描速度比值与样件致密度、表面形貌的关系。结果表明:选区激光熔化凝固组织层内、层间熔合处为弧形,且为冶金结合,金相组织主要由柱状晶与等轴晶组成,层内靠近熔合线周围是柱状晶,而层间靠近熔合线附近主要是细小等轴晶,晶粒直径为1μm左右。     

基于高精度3D打印工艺的ICF调制靶

惯性约束聚变(ICF)中的瑞利-泰勒不稳定性(RTI)研究需要基于多种结构的调制靶,针对目前调制靶制备的工艺问题,采用双光子3D打印工艺制备了平面调制、平面复合调制及球壳型调制三种典型结构的调制靶,靶材料为光敏树脂(95%:C₂₃H₃₈N₂O₈,5%:C₄H₆O₂)。采用激光共聚焦显微成像分析了三种调制靶的实际结构参数,三种靶型的实测形貌及其参数与设计结构及参数具有良好匹配度。为进一步验证双光子3D打印新型工艺制备调制靶的可行性,实验团队在“神光Ⅱ”高功率激光实验装置上进行了纳秒激光打靶实验,结果显示靶表面的调制在激光直接驱动下受RTI的作用随时间呈增长趋势,初始峰谷值为4μm的调制在激光驱动2.5 ns后形成了长度达100μm的高密度射流,表明基于高精度3D打印工艺制备结构复杂的调制靶用于RTI研究具有较高可行性。     

稀土CeO_2对镍基纳米Al_2O_3激光熔覆复合涂层组织和性能的影响

采用激光熔覆技术在45钢基体上制备了不同CeO2含量的镍基纳米Al2O3复合涂层,对熔覆层进行了微观组织分析和显微硬度测试。结果表明,随着CeO2含量的增加,熔覆层组织由亚共晶向共晶组织转变;加入1.0%CeO2对镍基纳米Al2O3熔覆层的组织起到明显的细化和净化作用,枝晶生长的方向性减弱,组织趋向均匀,熔覆涂层的显微硬度值比未加稀土的涂层提高了60-95HV0.2。     

宏微观耦合模拟熔池不同区域中枝晶竞争生长过程

针对熔化焊过程建立了宏微观耦合模型,模拟了熔池内不同区域凝固过程中随机取向枝晶的竞争生长过程. 通过宏观三维有限元模型计算熔池中瞬态的传热传质过程,利用双线性插值算法将凝固参数传递给微观组织模型. 采用元胞自动机法模拟随机取向的枝晶在熔池凝固条件下的竞争生长过程. 模拟结果表明,所建立的微观模型能够精确模拟任意生长取向的枝晶. 凝固条件中最大温度梯度方向对枝晶竞争过程有明显选择作用,生长方向与最大温度梯度方向相同或接近的枝晶在竞争中具有更大优势. 焊缝中的晶粒组织由枝晶簇发展形成,晶粒组织的形貌演变取决于相邻枝晶簇之间的竞争过程,具有择优取向的枝晶簇会逐渐排挤非择优取向的枝晶簇并最终将其阻挡在凝固组织内部,宏观晶粒的取向与其内部枝晶簇的生长方向并不一定相同. 熔池中心线附近区域在焊接过程中具有更小的温度梯度、更大的凝固速率以及更大的局部冷却速率,凝固后可以获得更加细小的焊缝枝晶组织. 枝晶间距的模拟结果与相应凝固条件下的试验数据符合较好. 关键词： 焊接熔池 枝晶形貌 竞争生长 元胞自动机     

铝合金表面激光沉积AlCrFeCoNiCu涂层的组织及耐蚀性能

为了提高铝合金表面的力学和耐腐蚀性能,利用激光沉积技术在铝合金表面制备了AlCrFeCoNiCu高熵合金涂层。使用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱分析仪(EDS)、显微硬度计和电化学工作站,研究了涂层的相结构、微观组织、元素分布、硬度及耐腐蚀性能。结果表明,涂层与基材结合良好,基材中Al元素在熔池搅拌作用下上浮,使沉积层呈FCC相和BCC相;显微组织为典型的枝晶结构,Cu元素在枝晶间富集;涂层平均显微硬度为528HV_(0.2),约是基材的5倍;AlCrFeCoNiCu涂层在3.5% NaCl溶液中的腐蚀特征为点蚀和晶间腐蚀,耐腐蚀性优于基材。激光沉积制备的AlCrFeCoNiCu高熵合金可以改善铝合金表面性能。     

激光立体成形中熔池凝固微观组织的元胞自动机模拟

本文通过采用自适应网格技术, 将激光立体成形的宏观温度场模型和凝固微观组织的低网格各向异性元胞自动机模型(cellular automaton, CA)结合, 建立了适用于激光立体成形的集成数值模型. 模型包括基材的温度场分布, 熔池形貌和熔凝过程的凝固微观组织. 模拟了激光扫描速度为15 mm/s时, 激光作用在Fe-C单晶基材上形成熔池的形状以及熔池内凝固微观组织. 计算结果揭示了熔池内固液界面从平界面失稳到胞\枝晶的非稳态凝固过程, 并得到了平界面组织形成的白亮带. 白亮带上方形成了外延生长的枝晶列.     

激光熔覆Al2O3/Fe901复合涂层的强化机制及耐磨性

为提高金属材料表面涂层的耐磨性,采用激光熔覆工艺制备了Al_2O_3增强Fe901金属陶瓷复合涂层,研究了Al_2O_3陶瓷增强相对Fe基熔覆层组织与性能的影响。利用扫描电镜和X射线衍射仪检测了复合涂层的微观组织和物相;采用显微硬度仪和摩擦磨损试验机分析了复合涂层的显微硬度与耐磨性。结果表明:Fe901涂层的组织以柱状枝晶和等轴枝晶为主,添加的Al_2O_3可促使涂层组织转变为均匀的白色网状晶间组织及其包裹的细小黑色晶粒;复合涂层中的Al_2O_3陶瓷颗粒表面发生微熔,与Fe、Cr结合生成Fe3Al及(Al,Fe)4Cr金属间化合物,起到增加Al_2O_3陶瓷颗粒与金属黏结相结合强度的作用;当Al_2O_3陶瓷颗粒的质量分数为10%时,复合涂层的显微硬度较Fe901涂层增加了16.4%,复合涂层的摩擦磨损质量损失较Fe901涂层降低了50%;添加适量的Al_2O_3陶瓷有助于提高涂层的显微硬度及耐磨性。     

基于神经网络的选区激光熔化残余应力预测

当前对选区激光熔化产生的残余应力预测方法主要为数值模拟,但由于设备、环境、粉末等因素差异性较大,且具有较大不确定性,很难建立符合实际情况的数值模拟模型。利用神经网络在预测多变量、复杂线性信息处理方面能力强的特点,建立适用于预测316L不锈钢粉末选区激光熔化残余应力的模型。使用选区激光熔化技术打印相当数量的不同工艺参数的试样,采用超声波检测其内部残余应力作为神经网络的训练样本,并使用这些样本对神经网络模型进行训练,获得具有预测功能的神经网络,将验证样本的工艺参数输入神经网络,计算出预测的残余应力值,与实际检测值进行对比。实验结果表明,预测值与实际测量值偏差较小,验证了所提方法的有效性。采用神经网络预测残余应力的方法,可以快速确定不同选区激光熔化工艺参数对应的残余应力,避免设置残余应力较高的工艺参数,有效缩短制备高质量工件试样的周期,降低成本。     

多孔材料在压缩载荷作用下的剪切破坏模式分析

压缩行为是工程材料最为基本的力学性能之一. 本文通过简化结构模型分析了各向同性的三维网状高孔率多孔材料在压缩载荷作用下的破坏模式,其中包括单向压缩、双向压缩和三向压缩等三种承载情形. 在此基础上,得出了这种多孔体受压破坏源于剪切断裂模式时名义主应力与孔率之间的数理关系. 结果表明,该类材料承受压缩载荷时的破坏模式与其材质的种类有关,脆性材质多孔体的孔棱呈拉断破坏模式,而韧性材质多孔体的孔棱则可能出现剪切断裂的破坏模式. 对应得出的强度设计判据可为该类材料在这种承载破坏模式下的应用提供参考.     

Compressive fracture characteristics of Zr-based bulk metallic glass

The compressive fracture characteristics of Zr-based bulk metallic glass under uniaxial compression tests are studied.The zigzag rheological behavior is observed in the compression stress-strain curves of amorphous alloys.At room temperature the uniaxial compression fracture takes place along the plane which is at a 45-degree angle to the direction of the compressive stress.The microstructure of a typical fracture pattern is the vein network.A unique,finger-like vein pattern is found to exist at the fractur...     

基于元胞自动机方法的定向凝固枝晶竞争生长数值模拟

通过耦合温度场模型、溶质扩散方程以及枝晶生长动力学方程等重要因素,建立了一种改进的元胞自动机模型.该模型通过采用偏心算法消除网格各向异性,实现了二维尺度上任意角度枝晶生长的模拟,同时适用于模拟三维尺度上枝晶的生长过程.利用建立的模型开展了定向凝固枝晶竞争生长过程的数值模拟.为了体现本模型的有效性,模拟了透明合金的竞争生长过程,并与实验结果符合良好.镍基高温合金汇聚竞争和发散竞争的模拟结果清楚地展现了不同抽拉速度和枝晶优先生长角度下枝晶的竞争生长过程,并且模拟结果与理论模型相符合.三维枝晶生长的模拟结果表明本模型可以用来模拟三维枝晶一次臂间距的调整过程.     

Microstructures and Mechanical Properties of AlCrFeNiMo_(0.5)Ti_x High Entropy Alloys

Effects of Ti addition on the microstructures and mechanical properties of AlCrFeNiMo_(0.5) Ti_x(X = 0, 0.25, 0.4,0.5, 0.6, 0.75) high entropy alloys(HEAs) are investigated. All these HEAs of various Ti contents possess dual BCC structures, indicating that Ti addition does not induce the formation of any new phase in these alloys. As Ti addition X varies from 0 to 0.75, the Vickers hardness(HV) of the alloy system increases from 623.7 HV to766.2 HV, whereas the compressive yield stress firstly increases and then decreases with increasing X above 0.5.Meanwhile, the compressive ductility of the alloy system decreases with Ti addition. The AlCrFeNiMo_(0.5)Ti_(0.6) and AlCrFeNiMo_(0.5)Ti_(0.75) HEAs become brittle and fracture with very limited plasticity. In the AlCrFeNiMo_(0.5)Ti_x HEAs, the AlCrFeNiMo_(0.5) HEA possesses the highest compressive fracture strength of 4027 MPa and the largest compressive plastic strain of 27.9%, while the AlCrFeNiMo_(0.5)Ti_(0.5) HEA has the highest compressive yield strength of 2229 MPa and a compressive plastic strain of 10.1%. The combination of high strength and large plasticity of the AlCrFeNiMo_(0.5) Ti_x(X = 0, 0.25, 0.4, 0.5) HEAs demonstrates that this alloy system is very promising for engineering applications.     

相场法模拟多元合金过冷熔体中的枝晶生长

在二元合金相场模型研究的基础上，进行扩展获得了多元合金相场模型.以Al-Si-Mg三元合金为例，采用该相场模型实现了逼真地模拟多元合金凝固过程的等轴枝晶生长，得到了二次或更高次晶臂生长等复杂的枝晶形貌.随着第三组元Mg含量的减少，枝晶的二次枝晶越发达，枝晶中溶质的偏析越严重，枝晶尖端的生长速率和半径越大，与丁二腈-丙酮体系中枝晶尖端生长速率、半径随溶质浓度变化关系的理论计算和实验结果相符合.另外，枝晶初生晶臂中心的溶质浓度最低，在被二次晶臂包围的界面区域的溶质浓度最高；固液界面区域具有较大的浓度梯度，其中枝晶尖端前沿的梯度最大. 关键词： 相场法 多元合金 凝固过程 枝晶生长     

Creep deformation of single crystals of new Co–Al–W-based alloys with fcc/L12 two-phase microstructures

The creep deformation behaviour of single crystals of Co–Al–W-based alloys with γ?+?γ′ two-phase microstructures has been investigated in tension under a constant stress of 137?MPa in air at 1000°C as a function of the γ′ solvus temperature and the volume fraction of the γ′ phase. When described by the creep strain rate versus time curve, the creep deformation of Co–Al–W-based alloys consists of transition and accelerating regions without a steady-state region, as observed in many modern nickel-based alloys. However, the creep strength of the present Co–Al–W-based alloys is comparable with nickel-based superalloys of the first generation but is much weaker than those of the second and higher generations. Unlike in nickel-based superalloys, the so-called p (parallel)-type raft structure, in which the γ′ phase is elongated along the tensile axis direction, is formed during creep in Co–Al–W-based alloys, being consistent with what is expected from the positive values of lattice misfit between the γ and γ′ phases. As a result, of the alloys investigated, the best creep properties are obtained with the alloy possessing the highest volume fraction (85%) of the γ′ phase, which is far larger than usual for nickel-based superalloys (55–60%).     

Phase——field model of isothermal solidification withmultiple grains growth

This paper develops a new phase--field model for equiaxed dendrite growth of multiple grains in multicomponent alloys based on the Ginzberg--Landau theory and phase--field model of a single grain. Taking Al--Cu and Al--Cu--Mg alloys for example, it couples the concentration field and simulates the dendrite growth process of multiple grains during isothermal solidification. The result of the simulation shows dendrite competitive growth of multiple grains, and is reapplied to the process of dendrite growth in practical solidification.     

Fatigue strength of structural materials at sonic and ultrasonic loading frequencies

Experimental data on the influence of sonic and ultrasonic frequency loading on the fatigue strength of steels, and titanium, aluminium, and nickel-based alloys tested with longitudinal and transverse vibrations at room temperatures are discussed. Results of fatigue tests in liquid nitrogen at low (16 Hz) and high (3 kHz) loading frequencies are also given for a number of materials. The influence of the loading-cycle asymmetry on fatigue strength is studied for structural materials tested at 10 kHz frequency loading with a mean tensile and compressive stress. Limiting amplitude curves are plotted. Measurements of the energy dissipation in materials were carried out during fatigue tests with symmetrical and asymmetrical loading cycles at high-frequency with large amplitude longitudinal vibrations of the specimen. Measurements of the amplitude dependency of the energy dissipation and dependency of the energy dissipation obtained during continuous loading by fatigue tests were also made.     

液态三元Fe-Cr-Ni合金中快速枝晶生长与溶质分布规律

采用落管方法实现了液态三元Fe-Cr-Ni合金的深过冷与快速凝固,合金液滴的冷却速率和过冷度均随液滴直径的减小而迅速增大.两种成分合金近平衡凝固组织均为粗大板条状α相.在快速凝固过程中,不同直径Fe_(81.4)Cr_(13.9)Ni_(4.7)合金液滴凝固组织均为板条状α相,其固态相变特征很明显,随着过冷度增大,初生δ相由具有发达主干的粗大枝晶转变为等轴晶.Fe_(81.4)Cr_(4.7)Ni_(13.9)合金液滴凝固组织由α相晶粒组成,随着过冷度增大,初生γ相由具有发达主干的粗大枝晶转变为等轴晶,其枝晶主干长度和二次分枝间距均显著下降,晶粒内溶质的相对偏析度也明显减小,溶质Ni的相对偏析度始终大于溶质Cr.理论计算表明,与γ相相比,δ相枝晶生长速度更大.在实验获得的过冷度范围内,两种Fe-Cr-Ni合金枝晶生长过程均由热扩散控制.     

Mn-Cu系高阻尼合金的凝固组织控制及阻尼特性的改善

Mn—Cu系阻尼合金兼有较高的阻尼特性和良好的力学性质，因而具有较大的实用前景。这类合金通常经过铸造，塑性加工和热处理来获得要求的性能和组织。加工后的Mn—Cu合金存在一个特定温度，在此温度以上合金的阻尼性能将会消失，因而影响了合金的在较高温度下的使用。该温度和合金的Mn含量有关，然而提高合金的Mn含量有会降低合金的加工性及力学性能。一般Mn-Cu合金的热处理都是利用400℃附近的时效来获得相分解后的局部高Mn组织。但是目前的时效处理后的Mn—Cu阻尼合金的最高使用温度只在80℃以下。为解决Mn—Cu阻尼合金使用温度的局限性，本研究选用凝固过程控制的方法在铸造组织中来获得较大幅度的Mn含量分布。从而在Mn-Cu合金得到较高的高阻尼特性温度。本工作利用铸型温度控制的方法，将M2052（Mn-20Cu-5Ni-2Fe）合金在250～0．1K／s冷却速度范围内控制凝固。随凝固冷却速度的降低在合金的铸态组织中观察到二次枝晶间距和晶粒尺寸的明显增大。同时还发现缓冷凝固的合金的成分比快冷凝固有较大的分布幅度。铸态下的合金阻尼性能评价也证实了凝固冷却速度对合金的凝固组织有很大的影响。尽管铸态组织的合金的高温阻尼性能并没有很大的改善，然而通过对铸态组织实施时效处理后发现缓冷凝固合金的高温阻尼性能有很大的改善。凝固冷却速度对时效处理后合金的阻尼性能有明显的影响。实验结果表明0．1K／s的冷却速度下缓慢凝固的合金在时效处理后高阻尼特性可持续高达120℃．