2023年, 第47卷, 第8期　
刊出日期：2023-08-20

  

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综述
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  激光熔覆层裂纹控制的研究进展

  王廷宣, 章健, 刘敬, 宋德琨

  机械工程材料. 2023, 47(8): 1-7,58. https://doi.org/10.11973/jxgccl202308001

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  激光熔覆技术是一种发展前景广阔的新型表面改性技术,既满足了材料表面特定性能的要求,又节约了大量的贵重元素。裂纹问题是制约激光熔覆技术广泛工业化应用与进一步发展的主要阻碍之一。介绍了激光熔覆层裂纹产生的原因,综述了裂纹的控制措施,包括熔覆层材料成分设计、设置过渡层、工艺参数优化、基体预热、外场(力)辅助等,最后对当前激光熔覆层裂纹控制措施中仍存在的问题进行了总结,并展望了未来的研究方向。
试验研究
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  铣削参数对镍基高温合金FGH4113A加工表面完整性的影响

  朱立华, 苏雷, 徐春, 肖磊, 魏冰, 计红军

  机械工程材料. 2023, 47(8): 8-17. https://doi.org/10.11973/jxgccl202308002

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  通过铣削试验分别研究了主轴转速(300,500,650,800,1 200 r·min^-1)、铣削进给量(0.030,0.045,0.060,0.075,0.090 mm·r^-1)和单道次铣削深度(0.20,0.35,0.50,0.65,0.80 mm)对FGH4113A镍基高温合金加工表面完整性的影响。结果表明:随着铣削进给量或单道次铣削深度的增大,加工表面的缺陷增多,表面粗糙度和硬度增大,表面残余应力逐渐由压应力转变成拉应力;随着主轴转速的增大,加工表面缺陷减少,表面粗糙度和硬度降低,残余压应力减小。在铣削速度超过800 r·min^-1、单道次铣削深度小于0.35 mm、进给量控制在0.045 mm·r^-1以下条件下,加工表面质量较好,表面粗糙度R_a在0.40 μm左右,残余应力为压应力,且无明显硬化层。
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  添加铁元素对Cu-10Al-4Ni粉末冶金合金组织和性能的影响

  寿德荣, 邓正华, 张朝阳

  机械工程材料. 2023, 47(8): 18-22. https://doi.org/10.11973/jxgccl202308003

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  以铜粉、铝粉、镍粉和铜包铁粉为原料,采用粉末冶金工艺制备含不同质量分数(0,1.6%,3.2%,4.8%,6.4%)铁元素的Cu-10Al-4Ni合金,研究了铁含量对合金显微组织和性能的影响。结果表明:未添加铁元素的合金组织由κ_Ⅲ相、α相和Al₄Cu₉相组成;当添加质量分数1.6%的铁元素后,合金中的κ_Ⅲ相增多,Al₄Cu₉相减少;当铁元素质量分数达到3.2%时,Al₄Cu₉相进一步减少,合金中析出κ_Ⅰ相和κ_Ⅱ相;随着铁含量继续增加,Al₄Cu₉相消失,κ_Ⅰ相增多,而κ_Ⅲ相开始减少。随着铁含量的增加,合金的烧结密度减小,硬度先降低后增加再降低,当铁质量分数达到3.2%时硬度最大;合金的屈服强度随铁含量增加呈波动变化,当铁质量分数达到4.8%时屈服强度最大。
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  晶粒尺寸对IF钢低周疲劳行为及疲劳后显微组织的影响

  魏晨羲, 李凯, 杨蔚涛, 祝向荣, 杨旗

  机械工程材料. 2023, 47(8): 23-28,38. https://doi.org/10.11973/jxgccl202308004

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  通过850,950 ℃退火制备得到平均晶粒尺寸分别为40,210 μm的IF钢,研究了晶粒尺寸对其低周疲劳行为和疲劳后显微组织的影响。结果表明:在疲劳循环过程中,细晶试验钢的初始平均峰值应力高于粗晶试验钢,随着循环次数增加,2种试验钢的平均峰值应力趋于相近;细晶试验钢始终表现为循环加工硬化,粗晶试验钢表现为初始循环硬化、循环饱和和二次循环硬化。经400周次疲劳循环后,细晶试验钢的显微组织由尺寸相近且分布均匀的位错胞组成,粗晶试验钢的显微组织主要由宏观驻留滑移带(Macro-PSB)和位错胞组成,Macro-PSB中包含较为细小的位错胞;粗晶试验钢具有较高的位错密度及相对显著的组织不均匀性。
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  低强度脉冲磁场下时效温度和时间对A356铝合金 组织和性能的影响

  潘浩, 杨帆, 宫美娜, 刘永珍, 周金鑫, 黄宇欣, 麻永林

  机械工程材料. 2023, 47(8): 29-33. https://doi.org/10.11973/jxgccl202308005

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  对A356铝合金进行T6热处理,在时效时施加33 mT低强度脉冲磁场,研究了时效温度(175,185 ℃)和时效时间(50,60,70 min)对A356铝合金显微组织和力学性能的影响。结果表明:在脉冲磁场作用下时效后,A356铝合金的二次枝晶间距随时效温度升高或时效时间延长而减小,共晶硅的长径比随时效时间延长先减小后增大;时效温度为185 ℃时共晶硅的直径和长径比较175 ℃时有所增大,但其数量减少;在脉冲磁场作用下时效后,A356铝合金的抗拉强度和屈服强度随时效时间延长或时效温度升高而增大;A356铝合金的热处理工艺可改进为540 ℃固溶60 min+175 ℃时效70 min,时效时施加33 mT脉冲磁场,该工艺处理后铝合金的拉伸性能满足使用要求。
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  防屈曲装置与试样间摩擦力对薄板 拉压疲劳寿命的影响

  郑程

  机械工程材料. 2023, 47(8): 34-38. https://doi.org/10.11973/jxgccl202308006

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  采用TC4钛合金薄板防屈曲装置,在不同扭矩(1.5~2.5 N·m)和不同应变水平(0.25%~1.0%)下对SAPH440钢薄板试样进行拉压疲劳试验,研究了摩擦力对薄板试样疲劳寿命的影响,验证了防屈曲装置的适用性。结果表明:在以弹性应变为主导的低应变水平(0.25%)下,试样的疲劳寿命随摩擦力的增大而略微降低;在以塑性应变为主导的中高应变水平(0.5%~1.0%)下,试样的疲劳寿命随摩擦力的增大而增大;应变水平为0.25%,0.5%时试样裂纹扩展区中段疲劳辉纹间距均值分别为0.45,0.86 μm,随着应变水平继续增大,疲劳辉纹变得不明显,出现了较为明显的二次裂纹。
新材料 新工艺
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  WC增强铁基合金粉芯热丝等离子弧熔覆层的制备及其组织和性能

  凌壮壮, 冯曰海, 夏杰

  机械工程材料. 2023, 47(8): 39-44,64. https://doi.org/10.11973/jxgccl202308007

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  采用电阻热与等离子弧双热源同步加热WC增强铁基合金粉芯丝材的方法制备WC增强铁基合金熔覆层,研究了不同热丝电流(0,40,50,60,70 A)下熔覆层的宏观形貌、显微组织和性能,获得了合适的热丝电流。结果表明:当热丝电流为50 A时,熔覆层的成形质量较好,稀释率最低,为51.77%;随着热丝电流的增大,熔覆层的平均晶粒尺寸先减小后增大,碳化物含量先增多后减少,当热丝电流为50 A时,组织以细小的奥氏体胞状晶为主,晶粒平均尺寸较小,为9.45 μm,并且碳化物含量最多;随着热丝电流的增加,熔覆层的平均硬度先升高后降低,磨损率和摩擦因数均先减小后增大,当热丝电流为50 A时,平均硬度最高,为403.1 HV,摩擦因数和磨损率均最小,分别为0.52和4.53×10^-6 mm³·N^-1·m^-1。
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  基于响应曲面法优化大气等离子喷涂Y₂O₃涂层工艺

  秦松, 周建桥, 杨佳霖, 李勇, 周奥, 夏光明

  机械工程材料. 2023, 47(8): 45-51,105. https://doi.org/10.11973/jxgccl202308008

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  以自制的高纯Y₂O₃粉为原料,借助大气等离子喷涂工艺在A6061铝合金表面制备Y₂O₃涂层,基于响应曲面法构筑了相应的响应曲面图,分析了喷涂电压(60~80 V)、喷涂电流(500~600 A)和喷涂距离(100~120 mm)的交互作用对涂层硬度和孔隙率的影响,优化了等离子喷涂工艺。结果表明:基于响应曲面法建立了涂层显微硬度和孔隙率的二次数学模型;模型预测Y₂O₃涂层的优化工艺参数为喷涂电压78 V、喷涂电流500 A、喷涂距离120 mm,涂层的显微硬度和孔隙率分别为633.28 HV和3.22%,与试验值的相对误差分别为1.92%和1.26%,验证了模型的准确性。优化工艺下制备的涂层表面粗糙度为5.733 μm,结合强度为25.6 MPa。
材料性能及应用
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  高产气井油管用13Cr-L80钢的腐蚀疲劳 裂纹扩展行为

  柳军, 李强, 余雷, 罗杰, 唐凯, 任国辉

  机械工程材料. 2023, 47(8): 52-58. https://doi.org/10.11973/jxgccl202308009

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  用复合磷酸盐完井液对取自13Cr-L80钢油管的紧凑拉伸试样进行预腐蚀处理,再进行疲劳裂纹扩展试验,通过分析疲劳裂纹扩展区形貌,研究了应力比(0.05~0.25)、加载载荷(10~14 kN)和载荷频率(0.6~1.8 Hz)对腐蚀疲劳裂纹扩展行为的影响。结果表明:随应力比增大,疲劳裂纹扩展区二次裂纹数量增多,13Cr-L80钢的裂纹扩展速率增大;随加载载荷增大,疲劳裂纹扩展区二次裂纹数量减少,裂纹扩展速率减小;载荷频率越高,疲劳裂纹扩展区二次裂纹数量越少,但裂纹尖端应变速率增大,裂尖变形更充分,导致裂纹扩展加快,试验中止时的循环次数减少。
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  水淬预处理对铁道机车用轴承钢组织与力学性能的影响

  张晶, 赵晓磊, 胡素芬

  机械工程材料. 2023, 47(8): 59-64. https://doi.org/10.11973/jxgccl202308010

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  对铁道机车用轴承钢锻坯进行水淬预处理,再分别对锻坯和水淬预处理钢进行奥氏体化+等温淬火处理,研究了水淬预处理对轴承钢显微组织和力学性能的影响。结果表明:轴承钢锻坯的显微组织为珠光体+铁素体,水淬预处理后组织变为马氏体+少量铁素体;奥氏体化+等温淬火处理后,锻坯和水淬预处理钢中都出现了细长贝氏体板条束和块状马氏体/奥氏体(M/A)岛,水淬预处理钢中的贝氏体板条束更细小,M/A岛数量更多且尺寸更小;奥氏体化+等温淬火处理后,水淬预处理钢的抗拉强度和屈服强度较锻坯分别提高了8.68%和17.07%,冲击功也高于锻坯,但两者的断后伸长率相近。
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  喷丸处理对S31035奥氏体耐热钢抗高温水蒸气氧化行为的影响

  李玉, 何思凡, 刘光明, 杨首恩, 柳志浩, 李富天

  机械工程材料. 2023, 47(8): 65-71. https://doi.org/10.11973/jxgccl202308011

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  对S31035钢进行喷丸处理,再在665 ℃下进行高温蒸汽氧化试验,研究了喷丸处理对该钢抗高温水蒸气氧化行为的影响。结果表明:未喷丸试样在氧化100 h后即出现明显的氧化物衍射峰,氧化3 000 h后形成双氧化物层,氧化膜厚度约为8.07 μm;喷丸试样在氧化1 000 h后才出现微弱的(Fe,Cr)₂O₃衍射峰,在氧化3 000 h后表面氧化膜仍然较薄,厚度仅为0.45 μm;在氧化过程中,喷丸试样的氧化速率常数比未喷丸试样低3个数量级,抗水蒸气氧化性能较好;喷丸处理细化了表层晶粒,为铬元素扩散提供了更多通道,使表面形成Cr₂O₃保护膜而提高了该钢的抗高温水蒸气氧化性能。
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  不同球磨时间制备9Cr氧化物弥散强化钢的显微 组织与拉伸性能

  谢锐, 吕铮, 王晴, 刘春明

  机械工程材料. 2023, 47(8): 72-78. https://doi.org/10.11973/jxgccl202308012

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  采用雾化法制备Fe-9Cr-1.5W-0.3Ti-0.3Y合金粉,经不同时间(12,20 h)球磨处理后,使用热等静压工艺制备9Cr氧化物弥散强化(ODS)钢,研究了9Cr-ODS钢的显微组织与拉伸性能。结果表明:雾化合金粉末为规则球状α-Fe相合金粉,平均粒径为47.83 μm,晶粒尺寸约为20 μm;球磨20 h后,合金粉末的平均粒径和晶粒尺寸均明显下降,分别为30.50 μm,12 nm;随着球磨时间的延长,制备的9Cr-ODS钢的晶粒尺寸减小,析出相含量增加;延长球磨时间有利于提高9Cr-ODS钢的室温和高温抗拉强度,但不利于提高高温韧性。
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  氟碳封孔剂封孔处理对8YSZ热障涂层电化学腐蚀及抗盐雾腐蚀性能的影响

  聂振宇, 艾莉

  机械工程材料. 2023, 47(8): 79-85. https://doi.org/10.11973/jxgccl202308013

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  采用氟碳罩光漆作为封孔剂,对大气等离子喷涂质量分数8%氧化钇稳定氧化锆(8YSZ)热障涂层进行封孔处理,研究了封孔处理对涂层微观结构、电化学腐蚀性能及抗盐雾腐蚀性能的影响。结果表明:氟碳罩光漆因毛细现象而渗透进涂层,封孔后涂层表面粗糙度由未封孔的5.4 μm降低至0.8 μm,润湿角由未封孔的61.99°增大至70.58°;封孔后涂层的自腐蚀电位由未封孔的-0.308 V降低至-0.42 V,说明封孔剂相对于涂层为阳极性;封孔后涂层出现钝化现象,极化电阻增大,自腐蚀电流密度降低至1.26×10^-6 A·cm^-2,说明涂层腐蚀阻力提高;氟碳罩光漆在中性盐雾环境下对热障涂层有良好的封闭作用,能有效抑制Cl^-向涂层内部扩散。
物理模拟与数值模拟
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  TC17钛合金热变形行为及本构模型

  温飞娟, 温奇飞, 龙樟, 宋檬, 曹立清

  机械工程材料. 2023, 47(8): 86-92,99. https://doi.org/10.11973/jxgccl202308014

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  对TC17钛合金进行不同温度(600~950 ℃)和不同应变速率(0.001~10 s^-1)的热压缩试验,研究了TC17钛合金的热变形行为,建立了TC17钛合金多元线性回归本构模型,并进行了试验验证。结果表明:TC17钛合金的流变应力随变形温度的升高而减小,随应变速率的增大而增大;在低温段(600~850 ℃)变形时,真应力-真应变曲线整体上呈应变软化特征,在高温段(850~950 ℃)变形时,则呈稳态流动特征,流变应力软化现象不明显;由TC17钛合金多元线性回归本构模型得到的流变应力的计算值与试验值较为接近,模型具有较高的预测精度。
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  湿热环境下复合材料加筋壁板压缩屈曲与后屈曲行为的有限元模拟

  李乐坤, 张铁军, 支乐, 魏小龙, 王博

  机械工程材料. 2023, 47(8): 93-99. https://doi.org/10.11973/jxgccl202308015

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  制备了CCF300碳纤维/BA9916-II环氧树脂复合材料加筋壁板,研究了该加筋壁板在干态和湿热状态下的压缩行为;建立加筋壁板有限元模型,使用经验公式对湿热环境下的材料参数进行修正,通过模拟分析了不同状态加筋壁板的压缩屈曲与后屈曲行为,并进行了试验验证。结果表明:加筋壁板在干态与吸湿状态下均有较强的后屈曲承载能力;湿热环境会对加筋壁板稳定性与承载能力造成较大负面影响,随吸湿时间延长,其屈曲及破坏载荷均呈先快后慢的下降趋势;模拟得到干态加筋壁板的屈曲载荷和破坏载荷与试验结果的相对误差分别为3.1%和5.2%,吸湿饱和态下的相对误差分别为5.6%和6.9%,误差较小,证明了所采用模拟方法的准确性和所建立有限元模型的合理性。
失效分析
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  柴油加氢循环20碳钢管道脆性爆裂原因

  王明, 王琼琦, 钟继如, 关凯书

  机械工程材料. 2023, 47(8): 100-105. https://doi.org/10.11973/jxgccl202308016

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  某化工厂柴油加氢循环20碳钢管道发生脆性爆裂。对该管道残片分别进行去应力退火处理和去氢处理,通过与未处理原始状态残片的显微组织和力学性能进行对比,并结合化学成分检测和断口形貌观察等方法对管道爆裂原因进行了分析。结果表明:管道材料在长时间服役后发生应变时效脆化,导致管道脆性爆裂;管道材料的氮元素含量相对偏高,且晶粒出现较大的变形,是发生应变时效脆化的主要原因。
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  超临界机组小汽轮机轴封回汽管道断裂原因

  吴跃

  机械工程材料. 2023, 47(8): 106-110. https://doi.org/10.11973/jxgccl202308017

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  某超临界机组小汽轮机轴封回汽管道运行8.1×10⁴ h时发生断裂。采用宏观形貌观察、金相检验、硬度检测、力学性能试验等方法分析了该回汽管道断裂的原因。结果表明:回汽管道所用TP304H奥氏体不锈钢的抗晶间腐蚀能力差,且在冷弯后未进行固溶处理,造成弯头处位错密度和残余应力增加,从而加速了含铬化合物的析出,形成了晶间贫铬区;在腐蚀环境及残余应力等因素综合作用下,管道内外表面萌生晶间腐蚀裂纹,裂纹沿贫铬区被弱化的晶界不断扩展,最终导致回汽管道发生晶间腐蚀断裂。