材料开发与应用

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本刊定位于“成为船舶及海洋工程材料技术交流平台，加强材料界学术交流，促进船舶行业和海洋工程领域技术创新和产业发展”。主要刊载各类金属材料、高分子聚合物材料、无机非金属材料、复合材料以及腐蚀与防护、失效分析、测试评价等技术相关的高水平论文。

主编：廖志谦

执行主编：马玉璞

副主编：全识俊

主管：中国船舶集团有限公司

主办：洛阳船舶材料研究所; 中国造船工程学会船舶材料学术委员会

编辑出版：《材料开发与应用》杂志社

ISSN 1003-1545

CN 41-1149/TB

2024年第39卷第2期

栏目

增材制造专栏
金属材料
非金属材料

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增材制造专栏

SLM增材制造铝合金和高温合金微流道磨粒流抛光工艺研究

李惠, 李微娜, 祁俊峰, 李敬洋, 张建超, 张建勋

2024, 39(2): 1-8,16.

[摘要](178) [PDF 12162KB](49)

摘要:
以激光选区熔化(SLM)技术为代表的金属增材制造技术,因固有的“粉末粘附”和“球化效应”等,使得制品的表面十分粗糙,难以满足使用要求。为解决SLM微流道粗糙内孔表面的精加工难题,本研究采用磨粒流抛光技术对SLM制备的AlSi10Mg和GH4169微流道内表面进行抛光,并研究了磨粒流工艺对微流道内孔表面粗糙度和尺寸精度的影响。结果表明,经磨粒流处理后,SLM增材制造铝合金和高温合金的内孔表面质量均得到有效改善,微流道内孔表面的粗糙度下降幅度在50 %以上;流道内孔表面干净无多余物附着;流道尺寸精度保持较高水平。因此,磨粒流工艺是SLM增材制造微流道结构零件的一种有效的抛光技术。

热压层合镁锂合金片材制备与组织性能研究

王威, 浦丽莉, 霍雨晗

2024, 39(2): 9-16.

[摘要](108) [PDF 8845KB](32)

摘要:
采用自行设计制备的LAY821合金,通过挤压和轧制工艺获得热压层合增材制造用LAY821合金片材,并对挤压和轧制变形方式下合金的显微组织和力学性能进行研究,为拓展Mg-Li合金在增材制造领域的应用,提供一定的理论与技术支持。分别用金相显微镜、扫描电镜观察合金的微观形貌,使用能谱仪检测相的成分,X射线衍射仪(XRD)分析合金的相组成,通过拉伸试验测试合金的力学性能。结果表明,LAY821合金主要由α-Mg、β-Li相与分布于晶界和α-Mg相中的Al₂Y颗粒构成。经过挤压、轧制和中间退火处理后,合金形成均匀的双相等轴晶结构,平均粒径由11.6 μm减小至7.0 μm。Al₂Y颗粒呈弥散分布,平均粒径由2.2 μm减小至1.0 μm,XRD检测结果未发现任何新相。合金的极限抗拉强度最高达到290.26 MPa,硬度提高到54.74HV,伸长率达30 %以上。力学性能的改善得益于细化的等轴晶结构和Al₂Y颗粒的弥散强化作用。LAY821合金片材设计用于热压层合增材制造,制备过程中组织结构可控,其力学性能未产生明显的各向异性。

船舶铝合金增材制造技术的研究现状及展望

王浩, 刘坤, 吴红, 周军波, 李杰, 张清林

2024, 39(2): 17-27,43.

[摘要](166) [PDF 14892KB](40)

摘要:
增材制造技术在船舶装备制造领域极具发展前景,轻量化、低损耗的制造模式大大地提高了能源及材料利用率。受限于铝合金自身冶金特性和增材制造工艺,铝合金构件在增材制造过程中易产生气孔、开裂等冶金缺陷,影响船舶装备的质量安全和可靠性。本研究主要概述了船舶铝合金电弧熔丝增材、选区激光熔化和摩擦搅拌沉积三种增材制造工艺及冶金缺陷控制方面的研究现状及进展,并对船舶铝合金增材制造技术的未来发展方向进行了展望,为船舶铝合金增材制造技术的发展及铝合金构件的缺陷控制提供参考。

大型激光粉末床熔融金属增材制造装备研究与探讨

程锦泽, 关凯, 杨书业, 刘斌, 姜欢欢

2024, 39(2): 28-36.

[摘要](88) [PDF 8033KB](9)

摘要:
国产金属增材制造加工装备已在航空航天、军工、汽车、模具、高端医疗等先进研发制造领域获得广泛应用。伴随着大尺寸增材制造的需求逐渐增多,突破国产化大型金属增材制造装备及工艺技术的瓶颈,提高大体积、高品质金属零件增材制造成形加工的制造水平,在缓解金属增材制造成形范围、工艺质量和应用细分等方面将起到一定的促进作用。本研究结合目前大尺寸金属增材制造装备日趋广泛的市场需求,针对激光粉末床熔融金属增材制造装备的技术特点,探讨了大尺寸、多光束装备制造,以及使用成本与效率问题,并对具有“飞行打印”结构超大尺寸装备的技术思路进行了介绍。

金属材料

变形温度对06Cr23Ni13不锈钢低∑CSL晶界含量的影响

叶梦元, 李俊琛, 权伟, 李尚霖, 杜小平

2024, 39(2): 37-43.

[摘要](611) [PDF 6102KB](17)

摘要:
采用Gleeble-3500热模拟试验机研究了06Cr23Ni13不锈钢在应变速率为0.01 s^-1条件下,不同变形温度的热变形行为,探究了变形温度对06Cr23Ni13不锈钢低重合位置点阵(CSL)晶界含量变化的影响。结果表明,06Cr23Ni13不锈钢再结晶程度随着变形温度的升高而增大,当变形温度为1 150 ℃时,显微组织再结晶程度最高,奥氏体晶粒为等轴晶。利用Channel 5对不同变形温度条件下06Cr23Ni13不锈钢特殊晶界统计发现,低∑CSL晶界含量随着动态再结晶程度的升高呈先增大后减小的趋势,在1 150 ℃达到最大值。06Cr23Ni13不锈钢低∑CSL晶界主要由∑3、∑9和∑27晶界构成。

快速凝固AZ31镁合金的微观组织与力学性能

孙宇初, 陈云贵

2024, 39(2): 44-49.

[摘要](124) [PDF 15064KB](14)

摘要:
基于单辊快速凝固工艺,分析了不同辊速条件下AZ31镁合金的带材组织及其250 ℃热挤压棒材的力学性能。结果表明,带材截面微观组织存在的急冷定向凝固区和缓冷等轴晶区,是受温度梯度影响产生的微观组织分区现象;熔体冷却时裹气产生隔热区,导致带材微观组织均一度降低;在17.58 m/s最优辊速条件下,AZ31镁合金的250 ℃热挤压棒材的屈服强度和伸长率分别达到360 MPa和14.47 %。

敏化处理对825合金晶间腐蚀性能的影响

张恒坤, 罗先甫, 申澎洋, 张文利, 查小琴

2024, 39(2): 50-56.

[摘要](104) [PDF 8553KB](6)

摘要:
,采用50 %硫酸-硫酸铁晶间腐蚀试验及动电位极化曲线分析方法对敏化态825合金抗晶间腐蚀性能异常增强现象进行研究,采用金相(OM)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)观察形貌并分析其原因。结果表明:825合金在750 ℃下保温1 h得到的敏化态试样的腐蚀速率和腐蚀电流密度分别为固溶态试样的57 %和48 %;敏化态和固溶态试样的晶界均无析出物析出,晶界周边无贫铬区,材料无晶间腐蚀敏感性;但晶内析出的TiN及Ti(C,N)粒子与基体电位存在差异,易导致点腐蚀的发生。经过750 ℃保温1 h的敏化处理后,可得到晶粒大小均匀、内部析出的TiN及Ti(C,N)粒子分布更加均匀、材料抗晶间腐蚀性能增强的825合金。

新型冷轧耐硫酸、盐酸腐蚀钢组织性能研究

俞波, 张宜, 吴浩

2024, 39(2): 57-62.

[摘要](70) [PDF 8114KB](6)

摘要:
以一种新型冷轧耐蚀钢为研究对象,分析了Mo、Sb等元素对实验钢的显微组织,力学性能,耐硫酸、耐盐酸腐蚀等性能的影响。结果表明:实验钢添加Mo、Sb等元素后,铁素体晶粒尺寸只有6.24 μm,屈服强度为384 MPa,抗拉强度为459 MPa,伸长率为27.5 %;在力学性能与SPA-C产品相当的基础上,实验钢在硫酸腐蚀环境下的腐蚀速率为0.14 mg/(cm²·h),在盐酸腐蚀环境下的腐蚀速率为0.31 mg/(cm²·h),实验钢的耐腐蚀性能较传统SPA-C的提升显著。

热处理工艺对TiB95合金石油管材微观组织与力学性能的影响

许玲玉, 马博荣, 李冲, 宋德军, 陈春阳, 孙晓毅

2024, 39(2): 63-67,88.

[摘要](86) [PDF 6484KB](9)

摘要:
为满足苛刻油、气开采环境下对钛合金油井管的需求,开发了TiB95合金,该合金为Al-Mo-Zr系合金。采用金相显微镜、拉伸试验机、冲击试验机和扫描电镜等研究了不同热处理工艺的TiB95合金管材的金相组织、力学性能和冲击断口形貌。研究结果表明:TiB95合金管材在相同热处理温度下(900 ℃),冷却速率较慢(炉冷)时组织较粗大,强度较低,韧性较高;在相同冷却速率下(空冷),热处理温度较高时(960 ℃),α相形态发生改变,强度降低,伸长率升高,韧性显著提高。TiB95合金管材采用960 ℃、90 min、空冷热处理工艺处理时,可以获得较高的强韧性匹配。TiB95合金管材不同热处理工艺下的冲击断口形貌均为韧窝,为韧性断裂。

高能球磨法制备Cu-10%Sn合金的组织结构与烧结性能

何秋梅, 侯建明

2024, 39(2): 68-74.

[摘要](80) [PDF 11250KB](6)

摘要:
采用高能球磨法制备Cu-10 %Sn合金粉体,然后压制成型并烧结成块体材料。运用 XRD、SEM 等方法研究Cu-10 %Sn合金在高能球磨和烧结过程中的组织结构与性能变化。结果表明:在球磨初期,Sn与Cu原子会结合为亚稳定相Cu₆Sn₅,但随着球磨时间的延长Cu₆Sn₅又会发生分解,分解出来的Sn将固溶到Cu晶格内。经40 h高能球磨,Cu-10 %Sn合金粉体形成了结构稳定的单一的过饱和固溶体,同时从大块的厚片状结构转变成为细小均匀、表面光整的颗粒状结构,平均粒径为30 μm,合金中Cu的晶粒尺寸约为26 nm,且Sn和Cu元素呈高度弥散分布状态。该球磨粉体制成的块体材料在750 ℃下烧结时具有较好的综合性能:粉末颗粒之间形成的冶金结合较好,块体试样尺寸基本稳定,开孔率合理,显微硬度相对较高。

粉状乳化炸药在铝-钢及钛-钢爆炸焊接中的可行性分析

蒋晓博, 李军, 韩刚, 刘金涛

2024, 39(2): 75-80.

[摘要](89) [PDF 1829KB](3)

摘要:
采用粉状乳化炸药进行铝-钢、钛-钢爆炸焊接试验,通过力学性能(常温剪切、高温剪切、常温黏结、高温黏结、侧弯等)及界面形貌(波高、波长、界面未包裹化合物尺寸等)金相分析,确定粉状乳化炸药在铝-钢、钛-钢爆炸焊接中的应用可行性。

12CrNi5MoV锻钢应变补偿型高温本构模型

黄冬, 魏梦飞, 张玉祥, 蒋颖, 程彬

2024, 39(2): 81-88.

[摘要](107) [PDF 7101KB](9)

摘要:
为优化12CrNi5MoV锻钢的锻造工艺和组织调控,使用Gleeble-3500热力模拟试验机,采用单道次压缩试验对12CrNi5MoV锻钢在变形温度为850~1 200 ℃,应变速率为0.1~0.001 s^-1下的热变形行为进行研究并建立高温本构模型。结果表明:在较高的温度和较低的应变速率下,12CrNi5MoV锻钢发生动态再结晶;在较低的温度和较高的应变速率下,12CrNi5MoV锻钢只部分发生或未发生再结晶。根据压缩曲线,建立了12CrNi5MoV锻钢的Arrhenius高温本构模型,其平均绝对相对误差为14.8 %;而考虑应变补偿建立的12CrNi5MoV锻钢的Arrhenius高温本构模型精度较高,其平均绝对相对误差为6.1 %,相关系数为0.991。

基于热加工图技术的10CrNi8MoV钢热加工工艺优化

万松林, 黄冬, 张玉祥, 蒋颖

2024, 39(2): 89-94,118.

[摘要](85) [PDF 11388KB](10)

摘要:

采用Gleeble-3500热力模拟机对10CrNi8MoV钢进行高温压缩试验,获得其在不同温度、应变速率和应变值下的流变应力值,并建立了10CrNi8MoV钢的热加工图。结果表明:10CrNi8MoV钢较合适的热变形区域有2个,分别为变形温度在1 020~1 100 ℃、应变速率为0.001~0.1 s^-1的中高温、中低应变速率区和变形温度在1 150~1 200 ℃、应变速率为3~10 s^-1的高温、高应变速率区;10CrNi8MoV钢在上述2个工艺区域发生变形时均能获得均匀细小的再结晶组织。

非金属材料

基于单宁酸负载的自预警-自修复双重功能防腐涂层

马菱薇, 杨雪婷, 郑凯宁, 王金科, 王悦, 杨昊

2024, 39(2): 95-105.

[摘要](139) [PDF 11501KB](23)

摘要:
通过一步合成法制备了负载单宁酸(TA)的显色、缓蚀双功能介孔二氧化硅纳米填料(TA-MSNs),将其掺杂到环氧涂层中,探究涂层的自预警和自修复性能。首先对TA的显色性能及缓蚀性能进行了表征,接着对TA-MSNs纳米填料的形貌结构以及TA的释放行为规律进行了探究,并综合分析纳米填料添加量对涂层自预警及自修复性能的影响规律。盐雾实验结果表明,涂层的自预警效果与填料含量呈正相关,5 %(w)以上的TA-MSNs添加量可赋予涂层明显的显色性能。电化学阻抗谱和表面分析结果表明,TA-MSNs在涂层中的含量为5 %时,破损涂层的低频阻抗模值比纯环氧破损涂层高出2个数量级。当涂层破损时,涂层中释放的TA分子能够与钢铁腐蚀形成的Fe³⁺发生络合,产生蓝黑色预警金属腐蚀,同时络合物可形成金属表面保护膜层,抑制了腐蚀反应的进一步发展。综上,添加5 % TA-MSNs的环氧涂层具有优异的自预警和自修复效果。

防护涂层对固体浮力材料耐静水压性能的影响

刘志, 王效军

2024, 39(2): 106-110.

[摘要](97) [PDF 6337KB](9)

摘要:
潜器上的浮力材料在涂装防护涂层后,在海洋环境试验中经常会出现凹陷开裂等问题,因此对涂装不同种类涂层的浮力材料的耐全方位静水压性能进行了研究。结果表明:涂层种类对材料的影响较小;包覆涂层后,浮力材料的耐静水压性能下降,使用水深变浅;提出了表面涂装防护涂层的固体浮力材料在静水压作用下的破坏机理。

6061 铝合金/碳纤维复合材料板的热冲压制备工艺及其接头性能研究

刘旺, 田丰, 魏建辉, 朱彬, 周和乐子, 周华民

2024, 39(2): 111-118.

[摘要](90) [PDF 6440KB](5)

摘要:
复合材料结构件作为轻量化船舶的重要组成部分,其接头性能的稳定对船舶本身的安全性和运输效益都具有重要意义。采用铝合金和碳纤维增强聚合物复合材料制造船舶夹板、龙骨等结构件,在大幅减重的同时,既增强整体强度又平衡复合材料整体韧性,并具有高的碰撞吸能能力。为了探索采用热冲压工艺对铝合金和碳纤维增强聚合物复合材料进行冲压-黏结的可行性,研究了6061铝合金的不同表面处理工艺、冲压-黏结阶段不同的保压时间、预浸料的不同表面改性处理工艺对铝合金/碳纤维复合材料板的接头性能的影响。剥离实验的结果表明:铝合金经过打磨、打磨+碱洗、打磨+酸洗的6061铝合金/碳纤维复合材料板的接头搭接剪切强度分别为2.50 MPa、4.30 MPa和4.60 MPa,相较于铝合金未处理的接头分别提升了155.1 %、338.8 %和369.4 %;在冲压-黏结阶段,保压时间低于60 s时,接头搭接剪切强度迅速增大至4.90 MPa,保压时间超过60 s后,接头搭接剪切强度急剧下降后又缓慢上升,并维持在3.92~4.34 MPa;预浸料表面喷涂氧化石墨烯的接头搭接剪切强度为5.98 MPa,与预浸料未处理的接头相比提高了30.0 %。

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