镁空气电池由于低成本、高能量密度、高电化学当量等优点,在绿色清洁能源中备受关注。镁空气电池的研究发展仍受到极大阻碍,主要原因在于镁合金在应用过程中存在电池放电电压低、阳极利用效率低、自腐蚀速率大等问题。造成这些问题的原因在于镁合金本身存在的负差数效应、放电产物钝化、合金组织不均匀等。围绕镁空气电池阳极材料,首先对镁合金的阳极反应机理和存在的问题进行了总结,然后分别从合金化、塑性加工工艺、热处理工艺三方面综述了镁合金电化学性能的改善方法,最后展望了镁空气电池阳极材料的未来发展方向。

TZM合金具有熔点高、强度大、线膨胀系数小、耐蚀性强以及高温力学性能良好等特点,是应用最为广泛的钼合金之一,在许多领域具有不可替代的作用。本文从TZM合金的研究现状出发,在钼合金热加工成型与强化理论基础上,综述了TZM合金的制备方法、力学性能的调控方法、显微组织的调控以及研究的最新进展。介绍了调控策略,如改变掺杂和烧结工艺,合金元素和第二相调控。此外,还讨论了这些界面与TZM合金性能之间的关系。最后,结合强韧化机理对TZM合金的未来研究方向与开发进行了展望。

通过光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和万能材料试验机等研究了固溶处理对Mg-2.0Zn-0.4Mn-xAl合金微观组织和性能的影响,借助质量损失实验和电化学实验研究了合金在3.5% NaCl溶液中的耐腐蚀性能。结果表明:合金中第二相的数量及尺寸随着Al含量的增加而增加,第二相组成由纳米级棒状MgZn₂相和椭圆状Mg₂(Zn,Al)₁₁相(0~4 mass% Al)向Mg₁₇Al₁₂相(6 mass% Al)转变。当Al含量为4.0 mass%时,合金具有较好的综合力学性能和耐蚀性能,其极限抗拉强度、屈服强度及伸长率分别为(180.1±3.1) MPa、(124.7±2.8) MPa和(16.7±1.5)%,在3.5% NaCl溶液中浸泡72 h后,合金的静态腐蚀速率和析氢腐蚀速率分别为(0.822±0.056) mm/y和(0.790±0.045) mm/y。

采用透射电镜和万能材料试验机研究了双级时效处理中终时效对7475铝合金微观组织和力学性能的影响。结果表明:当一级时效工艺为120℃×5 h及终时效工艺为160℃×14 h时,合金基体析出相数量多,且细小弥散,晶界无沉淀析出带较窄,晶界析出相且呈断续分布;此时合金的抗拉强度、屈服强度和伸长率最佳,分别为509 MPa、463 MPa和12.4%,与未处理的合金相比,抗拉强度、屈服强度和伸长率分别提高了4.5%、9.2%和11.7%;终时效温度为160℃时,随着终时效时间的延长,合金的强度先增后减,但变化幅度不大;终时效温度大于等于165℃时,随着终时效时间的延长,合金的强度显著降低,这是由于晶界无沉淀析出带宽度显著变宽,基体析出相尺寸明显粗化所致。

对7075铝合金进行T6时效处理和不同电流密度(50~125 A/mm²)、不同通电时间(480~600 ms)的脉冲电流处理(EPT),采用扫描电镜、透射电镜及万能试验机等研究了合金经不同工艺处理后的显微组织和力学性能。结果表明:与传统的T6时效处理相比,采用合适的电流密度和通电时间的脉冲电流处理,合金的析出相数量、尺寸减小,但能提高位错密度和亚晶数量;且随电流密度和通电时间的增加,第二相回溶数量和亚晶数量不断增加,但位错密度随着电流密度的增加先增大后减小,随着通电时间的增加而不断减小。合金的抗拉强度和伸长率随电流密度和通电时间的增加均为先升高后降低,经固溶+EPT (470℃×3 h+100 A/mm²×560 ms)后合金的抗拉强度和伸长率达到最高,分别为555 MPa和18%,与T6时效处理相比,抗拉强度下降了2.6%,但伸长率提高了100%。脉冲电流处理的合金的强化机制是固溶强化、位错强化和细晶强化的复合强化机制。

为了开发相变热滞窄、形状记忆性能良好的Ti-Ni基多元形状记忆合金,采用示差扫描量热仪和拉伸试验对比研究了退火态Ti-45Ni-5Cu和Ti-45Ni-5Cu-0.3Cr形状记忆合金的相变行为、拉伸性能和形状记忆行为。结果表明:350~700℃退火态Ti-45Ni-5Cu和Ti-45Ni-5Cu-0.3Cr合金冷却、加热时的相变类型相同,皆为B2⇆ΔB19′(B2-母相,CsCl型结构;B19′-马氏体,单斜结构);室温下,两种合金的拉伸曲线特征类似,皆呈现形状记忆效应(SME);随变形温度升高,两种合金均发生SME→SE (超弹性)转变。与Ti-45Ni-5Cu合金相比,Ti-45Ni-5Cu-0.3Cr合金的马氏体相变温度较低,相变热滞较窄,抗拉强度较低,伸长率较高,形状记忆平台应力较高,SME→SE转变温度较低。350~700℃退火态Ti-45Ni-5Cu-0.3Cr合金在60℃变形时SE较优。650℃退火态Ti-45Ni-5Cu-0.3Cr合金的塑性最好,伸长率达67.6%。

WMoNbCrTi高熵合金是一种极具应用潜力的高温结构材料,添加Si有望提高其综合力学性能。以高能球磨粉末为原料,采用放电等离子烧结技术制备了WMoNbCrTiSi_x(x=0、0.1、0.25和0.5)高熵合金,研究Si含量对其微观组织和力学性能的影响。结果表明:加入Si后高熵合金的组织由BCC固溶体、Laves相和硅化物组成。当x=0.1时,Si主要形成Ti₅Si₃,当x=0.25时,大部分Si与Ti形成Ti₅Si₃,少部分Si与Nb形成Nb₃Si,当x=0.5时,Si主要形成Ti₅Si₃、Nb₃Si和Cr₃Si。当x从0增加到0.5时,WMoNbCrTiSi_x高熵合金的硬度由9.84 GPa增加到13.46 GPa,断裂韧性从6.68 MPa·m^1/2下降到4.72 MPa·m^1/2。WMoNbCrTiSi高熵合金中的硅化物提高了硬度,降低了断裂韧性。当x从0增加到0.5时,最大压缩应变由9.1%提高到13.2%,压缩断裂强度由1758 MPa提高到2448 MPa,这主要是由于晶粒细化和硅化物的共同作用所致。

为了有效利用高丰度稀土,在重稀土扩散源Dy₆₀Co₄₀中添加Ce、La以取代Dy。研究了不同的Ce、La添加量对Dy₆₀Co₄₀晶界扩散烧结Nd-Fe-B磁体性能的影响。结果表明:Dy₃₀Ce₃₀Co₄₀、Dy₃₀(Ce_0.4La_0.6)₃₀Co₄₀晶界扩散均能大幅提升Nd-Fe-B磁体的矫顽力,分别为1509和1527 kA/m,相比原始Nd-Fe-B磁体的矫顽力分别提高了31.7%和33.2%,且剩磁和最大磁能积下降不明显。微观组织研究表明,Ce主要分布在晶界相中形成富Ce相,不利于Dy的扩散;而La的添加限制了Ce进入主相晶粒,促进了Dy的扩散,从而进一步提高了磁体的矫顽力。热稳定性研究发现,Ce、La的添加均能提高磁体的热稳定性,但是其提升效果均没有Dy₆₀Co₄₀扩散磁体明显,这与形成了低磁晶各向异性场的Ce₂Fe₁₄B和La₂Fe₁₄B相有关。

采用放电等离子烧结法制备了Mo-12Si-8.5B合金,通过高温真空摩擦磨损试验仪测试Mo-12Si-8.5B合金与SiC配对副在25~1000℃区间内的干摩擦学性能。结果表明:温度对Mo-12Si-8.5B/SiC配对副的摩擦系数和磨损率影响较大,其原因与在不同温度下SiC表面的分解、碳的石墨化以及摩擦副表面生成的氧化物共同作用有关,在600℃时Mo-12Si-8.5B合金的摩擦系数达到最小值,为0.36,在800℃时磨损率最小,为0.74×10^-6mm³/(N·m)。此外,在25~400℃范围内,Mo-12Si-8.5B合金的磨损机制主要为粘着磨损和剥层磨损,在高温600~1000℃范围内,则以粘着磨损和氧化磨损为主。

利用Gleeble-3800热/力模拟机研究了Nb-V-Ti-N微合金钢的动态连续冷却转变规律,并探讨了再结晶区变形后冷速对其组织及性能的影响。结果表明:当冷速由0.1℃/s增大至30℃/s时,实验钢发生铁素体、珠光体、贝氏体和马氏体相变,冷速区间分别为0.1~30℃/s、0.1~8℃/s、3~30℃/s和15~30℃/s;随着冷速的增大,铁素体、珠光体和贝氏体相变温度分别由785、682和498℃降低到625、553和415℃,而马氏体相变温度则由342℃升高为365℃。当冷速由3℃/s增大至8、20和30℃/s时,钢中大角度晶界占比由0.734不断减少到0.509;平均有效晶粒尺寸先由10.62μm减小到7.46μm后增大到9.61μm,最小值在20℃/s获得;平均KAM值先由0.419°略降低到0.407°后升高到0.691°,最小值在8℃/s获得。此外,当冷速由0.1℃/s增大至30℃/s,实验钢的显微硬度由(197±23.3) HV0.1逐渐增加到(316±11.8) HV0.1,屈服强度由(475±67.1) MPa增加到(818±33.9) MPa。分析可知,为了获得良好的强度-韧性配合,实验钢再结晶区变形后适宜的冷速为8℃/s。

利用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)及万能拉伸试验机等研究了卷取温度对12Cr1MoV耐热钢热轧组织演变和力学性能的影响。结果表明:随着卷取温度的升高,试验钢的抗拉强度和屈服强度均降低,断后伸长率提高;只有在660℃卷取时,试验钢应力-应变曲线呈现连续屈服,其他卷取温度下,均出现了屈服平台;710℃卷取时,12Cr1MoV耐热钢具有最优的综合力学性能,其抗拉强度为689 MPa,屈服强度为597 MPa,断后伸长率为17%。试验钢的强韧化是由细晶强化、相变强化和析出强化等多种强化机制综合作用的结果;只有合适的卷取温度,才能同时发挥出相变强化和析出强化的作用,最终使试验钢获得优异的综合力学性能。

采用电化学充氢方法研究了氢对铁素体/贝氏体双相X70管线钢拉伸和疲劳性能的影响;采用扫描电镜(SEM)和电子背散射(EBSD)技术观察了拉伸和疲劳断口的形貌及疲劳断口处的组织。结果表明:氢对双相X70管线钢的强度影响不大,但显著降低钢的塑性,特别是断后伸长率;充氢后拉伸断口由塑性的韧窝断裂转变为脆性准解理断裂;氢显著加速钢疲劳裂纹萌生和裂纹扩展速率,降低疲劳寿命;氢加速位错等缺陷在晶界及铁素体/贝氏体界面处的聚集,导致断裂模式发生变化,从而降低钢的塑性和疲劳寿命。

采用光学显微镜、扫描电镜和显微硬度计等研究不同冲裁温度(600~800℃)对BR1500HS硼钢齿轮形落料件的微观组织、光亮带宽度、尺寸精度和最大冲裁力的影响。结果表明:冲裁温度为600℃时落料件的室温组织为铁素体、珠光体和贝氏体的混合组织;冲裁温度为650℃时室温组织为铁素体、贝氏体和少量马氏体的混合组织;冲裁温度为700~800℃时室温组织为完全马氏体组织,硬度较高,稳定在550 HV0.1左右。综合考虑落料件的尺寸精度、断面质量、最大冲裁力以及微观组织,齿轮形落料件的最优热冲裁温度为800℃,此时落料件的显微组织为完全马氏体组织,耐磨性较好,强度与硬度较高,落料件光亮带宽度最大,断面质量最好,最大冲裁力最小,可满足精密齿轮零件的技术要求。

采用电子背散射衍射(EBSD)和扫描电镜(SEM)分析了正火工艺处理的EH36船板钢织构、再结晶和疲劳断口。并通过拉伸试验、疲劳裂纹扩展速率试验、疲劳断裂韧性试验及数值模拟等研究了正火工艺处理的EH36船板钢的疲劳裂纹扩展行为、疲劳断裂机理以及外载和应力比对应力强度因子幅值的影响。结果表明:EH36船板钢具有较强的{110}和{111}塑性织构成分,平均晶粒尺寸为8.2μm,变形晶粒所占比例为4.1%,伸长率为33.3%。通过双对数线性拟合得到应力比为0.03和0.1下的疲劳裂纹扩展寿命预测公式分别为da/dN=1.07×10^-9(ΔK)^3.49和da/dN=1.96×10^-9(ΔK)^3.35。通过J积分法计算出正火处理的EH36船板钢的疲劳断裂韧性K_{J0.2BL (30})为387 MPa·m^1/2。试验钢的疲劳断裂机制是解理穿晶断裂和微孔生长聚合断裂的混合断裂机制。多参数模拟表明在最大外载一定时,相同疲劳裂纹长度下的应力强度因子幅值随着应力比的增加而减小;在疲劳裂纹长度与标准紧凑拉伸试样的长度比值为0.62时,可作为试验钢即将进入瞬断区的判据。

G20CrNi2Mo轴承钢工件易出现带状组织,降低其疲劳性能和服役寿命。为掌握带状组织的形成原因和消除方法,采用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、电子探针(EPMA)和电子背散射衍射(EBSD)等表征分析了保温工艺对G20CrNi2Mo轴承钢带状组织成分和结构的影响。结果表明:G20CrNi2Mo轴承钢形成带状组织的原因是C元素的偏析,部分区域贫C导致其马氏体相变所需的临界冷却速率增加,随后在锻造冷却时此区域先共析形成了铁素体带;通过高温长时保温可以促进C元素的扩散,进而消除带状组织。对于渗碳/氮热处理过程,当处理温度≥820℃时,带状组织可完全消除。而当处理温度≤820℃时,可通过940℃保温3 h的正火预处理将带状组织提前消除,其在后续的渗碳/氮热处理过程中不再出现。

通过热模拟实验研究了变形温度和变形量对含铌HRB400E微合金化钢筋组织和力学性能的影响。结果表明:当变形温度为850℃,第二道次变形量为35%时,试验钢的屈服强度为562.14 MPa,抗拉强度为645.78 MPa,伸长率为32%,平均晶粒尺寸为8.7μm,组织比较均匀,综合力学性能最佳。这主要是因为在此条件下实验钢的第二相析出物细小弥散,不仅可以起到显著的沉淀强化作用,而且为后续铁素体相变提供更多有利形核点,实现了细化晶粒的目的,明显改善了试验钢的力学性能。

在不同氨水浓度的电解液中,采用液相等离子体渗透技术在38CrMoAl钢表面制备了渗氮层。采用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)等对渗氮层的显微组织、相组成进行了观察和分析,并采用Parstat2273电化学工作站测试了渗氮层的耐蚀性能,并对其显微硬度和耐磨性进行了测试,研究了氨水浓度对38CrMoAl钢液相等离子体渗氮显微组织与性能的影响。结果表明:随着氨水浓度的增大,渗氮层中的白亮层厚度呈增加趋势,分布着针状的氮化物和细小碳化物的扩散层厚度和渗氮层最大显微硬度值呈先增加后降低的趋势;当氨水浓度为60%时,渗氮层厚度达160μm,其中扩散层为112μm,渗氮层硬度最高为1023 HV0.1,约是基体硬度的3.5倍;渗氮层主要以Fe₂N、Fe₃N相等为主;渗氮层的耐磨性能和耐腐蚀优于基体。

利用高频感应熔覆技术在35CrMo钢表面制备了镍基自润滑稀土复合涂层,并在不同温度下对其进行固溶处理。借助光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、维氏显微硬度计及摩擦磨损实验机等研究了不同温度固溶处理对涂层微观组织、显微硬度与耐磨性的影响。结果表明:固溶处理后,元素扩散充分,枝晶形式逐渐单一,界面处组织形态大都从柱状树枝晶转变为胞状树枝晶;850℃固溶处理后,复合涂层的主要物相为γ-(Ni,Fe)、Cr (Fe-Ni-Cr)、Ni₃Fe、TiC、Cr₂₃C₆与CrB相;平均显微硬度最高,达到867.7 HV0.2,摩擦系数、磨损量均较小,与固溶前的涂层相比分别降低17.21%与21.66%,相对耐磨性较大,为2.46。

为了获得00Cr12Ni11Mo1Ti2高强度不锈钢热加工图,优化其热加工工艺参数,采用Gleeble-3800型热模拟试验机,在变形温度为850~1150℃,应变速率为0.01~10 s^-1的条件下对试验钢进行了热压缩试验,研究了其热变形行为。构建了试验钢在峰值流变应力下的本构方程,并且基于动态材料模型构建了能量耗散图,并分别采用Prasad和Murthy两种失稳判据构建了试验钢的塑性失稳图。结果表明:00Cr12Ni11Mo1Ti2钢在能量耗散率低于0.3的变形区间内同样可以发生动态再结晶,在应变速率为1.0~10 s^-1,变形温度为850~1000℃的区间内,试验钢仅发生了部分动态再结晶且伴有大量的局部变形带产生,与Murthy准则预测的塑性失稳区更加吻合;在变形温度为1050~1150℃,应变速率为0.01~10.0 s^-1的区间内试验钢具有最佳的热加工性能,可获得细小均匀的原奥氏体晶粒组织。

针对304不锈钢窄间隙TIG (非熔化极惰性气体保护电弧焊)焊接焊缝晶粒粗大、接头拉伸性能较差等问题,采用将超声振动头施加在试板,在TIG焊接过程引入超声振动的方法对其进行焊接,研究了焊接接头的组织和力学性能。结果表明:引入超声振动后,在热力学和动力学综合作用下,焊缝熔深增加,焊缝区柱状晶向等轴晶转变速率提高,等轴晶占比增多,晶粒细化;与常规TIG相比,引入超声振动后改善了304不锈钢窄间隙焊接接头的焊缝组织,提高了其力学性能,焊缝区的硬度明显提高,接近于母材,焊接接头的抗拉强度和屈服强度也均高于常规TIG焊接接头,伸长率也得到提高;当超声振幅为40μm时,焊接接头的抗拉强度最高,为674 MPa,屈服强度也较高,为376 MPa,断后伸长率为25%。

受形成于接合界面的金属间化合物的影响,铝合金与镁合金的电阻点焊接头性能难以达到工程应用的要求。为了提高接头的性能、拓宽铝合金/镁合金点焊的应用,分别以腿径为4、6、8与10 mm的镁质铆钉为单元件对AZ31B镁合金与A6061铝合金进行电阻单元焊,并利用扫描电镜观察了接头界面区域的组织,研究了焊接电流和焊接时间对接头抗剪载荷的影响。结果表明:接头中的铆钉帽/上板铝合金、铆钉腿/上板铝合金、上板铝合金/下板镁合金界面处形成了反应物层,主要由Al₁₂Mg₁₇构成,其厚度因位置不同而有所不同。随焊接电流、焊接时间的增大,A6061/AZ61B-REW接头熔核直径增大,抗剪载荷呈先增大后降低的变化趋势;当采用10 mm腿径的铆钉,在焊接电流为25 kA、焊接时间为160 ms以及4.8 kN的电极压力进行焊接时,焊接接头的抗剪载荷最大,约为5.19 kN。