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镁合金凝固过程三维枝晶形貌和生长取向研究进展:三维实验表征和相场模拟

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金属学报 2016年第10期52卷 1279-1296页

作者：荆涛帅三三汪明月郑启威清华大学材料学院先进成形教育部重点实验室北京100084 北京航空航天大学国际交叉研究中心北京100191

Mg作为一种典型的hcp结构金属,其枝晶形貌和生长取向受到多种因素的影响,目前针对镁合金中a-Mg枝晶生长模型的描述以及多样性的起源等问题的研究都比较缺乏,基于此,本文综述了本课题组在镁合金凝固微观组织结构三维表征方面取得的研究成... 详细信息

Mg作为一种典型的hcp结构金属,其枝晶形貌和生长取向受到多种因素的影响,目前针对镁合金中a-Mg枝晶生长模型的描述以及多样性的起源等问题的研究都比较缺乏,基于此,本文综述了本课题组在镁合金凝固微观组织结构三维表征方面取得的研究成果.借助同步辐射X射线微观断层扫描技术以及相场数值模型,研究了镁合金凝固过程中a-Mg(X)枝晶生长选择多样性的形成机理以及固溶合金元素(Al,Ca,Zn和Sn等)、固溶元素含量(溶质浓度)等因素对a-Mg枝晶生长选择和演化的影响.研究结果表明,固溶元素、固溶元素含量等因素都会对镁合金中a-Mg三维枝晶形貌和择优取向产生重要影响.在Mg-Ca和Mg-Al(hcp-fcc)合金中,枝晶倾向于以或为择优方向生长.在Mg-Sn(hcp-bct)合金中,等轴生长的枝晶沿着基面上和偏离基面的(X≈2)方向形成一种18次分支的结构,在Mg-Zn(hcp-hcp)合金中,a-Mg枝晶的择优取向会随着Zn含量的增加,从方向朝偏离基面的方向发生连续转变,并在转变的过渡区,发现了超支化的藻状枝晶结构,其原因可能是高各向异性Zn元素的引入带来的固/液界面自由能各向异性的变化.研究结果从一定程度上揭示了镁合金凝固过程中a-Mg枝晶生长形貌和分支结构选择多样性的规律.同时基于快速X射线成像技术率先开展了镁合金凝固过程三维微观结构演化原位表征研究,获得了镁合金凝固过程三维枝晶的生长演化过程.

关键词：镁合金凝固三维枝晶形貌相场模拟 X射线微观断层扫描

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无损检测在增材制造技术中的应用研究进展

科技导报 2020年第2期38卷 26-34页

作者：帅三三刘伟王江任忠鸣上海大学材料科学与工程学院省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室上海200444

论述了增材制造的特点及增材制造技术在国内外的发展和应用情况;分析了增材制造成型工艺过程中形成缺陷的类型及特征,同时结合各类无损检测方法的应用特点,介绍了针对增材制造制件的超声检测、计算机断层扫描、涡流检测和红外相机测量... 详细信息

论述了增材制造的特点及增材制造技术在国内外的发展和应用情况;分析了增材制造成型工艺过程中形成缺陷的类型及特征,同时结合各类无损检测方法的应用特点,介绍了针对增材制造制件的超声检测、计算机断层扫描、涡流检测和红外相机测量等多种无损检测方法,以及它们在增材制造制件检测中的适用性和优缺点;提出了未来增材制造制件无损检测应向无损检测新技术的应用、在线检测方法和无损检测方法标准的建立和完善等方向发展。

关键词：增材制造工艺缺陷无损检测在线检测

横向静磁场对激光熔化增材制造Al-12%Si合金凝固组织的影响

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金属学报 2018年第6期54卷 918-926页

作者：帅三三林鑫肖武泉余建波王江任忠鸣上海大学材料科学与工程学院省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室上海200072 西北工业大学凝固技术国家重点实验室西安710072

利用送粉式激光熔化3D打印工艺,研究了外加横向稳恒磁场对3D打印Al-12%Si合金构件凝固组织的影响。结果表明,在有/无横向稳恒磁场下,激光熔化单道薄壁试样的宏观凝固组织未发生明显改变,其主要以白亮带(以α-Al相为主)和灰暗区(以Al-Si... 详细信息

利用送粉式激光熔化3D打印工艺,研究了外加横向稳恒磁场对3D打印Al-12%Si合金构件凝固组织的影响。结果表明,在有/无横向稳恒磁场下,激光熔化单道薄壁试样的宏观凝固组织未发生明显改变,其主要以白亮带(以α-Al相为主)和灰暗区(以Al-Si共晶相为主)为基本单元叠加构成。而微观组织分析表明,无磁场时灰暗区内的初生α-Al相呈柱状枝晶形态,施加了0.35 T横向稳恒磁场后,试样灰暗区内的初生α-Al相全部转变为等轴枝晶形态,且枝晶臂发达。基于热电磁力及其Hartman无量纲数(用于表征稳恒磁场对金属熔体流动抑制作用的参数)估算分析表明,0.35 T稳恒磁场下,作用于初生α-Al枝晶上的热电磁力可达10~5N/m^3量级;Hartman数远大于10,表明激光熔化微小金属熔池中强烈的Marigoni以及热溶质对流一定程度上被抑制。分析认为,稳恒磁场下凝固组织灰暗区内α-Al相柱状枝晶向等轴枝晶的转变是固相中热电磁力(约10~5N/m^3)对枝晶的破碎作用导致,而等轴枝晶发达的枝晶臂则是横向稳恒磁场抑制熔体流动的结果。

关键词：增材制造横向静磁场 Al-12%Si合金 CET转变热电磁力

X-ray成像技术表征金属凝固组织及其演化过程研究进展

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中国材料进展 2019年第1期38卷 68-76页

作者：帅三三王江任忠鸣上海大学材料科学与工程学院省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室上海200444

X-ray具有较强的穿透性,可以穿透一定厚度的金属块状材料(毫米级的重金属,如钢、镍基合金等和厘米级的轻质金属,如铝、镁合金等),因而可以用来对其进行成像,获得其内部二维和三维微观结构。X-ray成像技术对被表征物体的成像是非破坏性的... 详细信息

X-ray具有较强的穿透性,可以穿透一定厚度的金属块状材料(毫米级的重金属,如钢、镍基合金等和厘米级的轻质金属,如铝、镁合金等),因而可以用来对其进行成像,获得其内部二维和三维微观结构。X-ray成像技术对被表征物体的成像是非破坏性的(non-destructive),因而在一定的时间和空间分辨率条件下,还可以对金属材料成形过程的组织演化实时观测,实现对金属材料成形过程宏/微观结构演化的原位表征。第三代同步辐射光源可以产生高通量、高能量、高分辨率以及高相干性的X-ray光束,利用它可以实现对金属材料从宏观(厘米级)到微观(微米、亚微米、纳米级)结构及其演化过程快速、准确的测量表征。X-ray成像技术已经成为研究金属凝固科学问题的有力手段。简介了X-ray成像技术的基本原理,综述了X-ray成像技术在金属凝固组织三维(3D)表征和组织演化过程二维和四维(3D+时间)原位表征中的应用。最后对未来X-ray成像技术在金属材料凝固领域的应用前景进行了展望。

关键词： X-ray成像同步辐射金属凝固原位表征微观结构演化

航空发动机叶片用陶瓷型芯的光固化增材制造研究现状

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航空制造技术 2022年第1期65卷 67-76页

作者：陈超越殷宇豪徐松哲帅三三胡涛王江任忠鸣上海大学材料科学与工程学院上海200444 上海大学中欧工程技术学院上海200444 上海大学机电工程与自动化学院上海200444

随着对高推重比和高效率航空发动机日益增长的需求,发动机叶片正朝着复杂空心结构的方向发展,而这对高性能复杂结构的陶瓷型芯提出了更高的要求。与此同时,基于光固化原理的增材制造技术可以实现无模具条件下的高精度、快速以及综合性... 详细信息

随着对高推重比和高效率航空发动机日益增长的需求,发动机叶片正朝着复杂空心结构的方向发展,而这对高性能复杂结构的陶瓷型芯提出了更高的要求。与此同时,基于光固化原理的增材制造技术可以实现无模具条件下的高精度、快速以及综合性能优异的陶瓷型芯制备。然而,目前基于光固化增材制造的陶瓷型芯制备工艺依旧面临控制尺寸精度、优化脱脂烧结工艺和控制裂纹变形等问题。因此,在介绍适用于陶瓷零件制备的光固化增材制造技术原理和特点的基础上,探讨了光固化陶瓷浆料制备及烧结工艺的研究进展,并着重介绍光固化陶瓷型芯的综合性能。最后,介绍了光固化型芯/型壳在航空发动机叶片精密铸造中的应用实例,并对进一步的应用前景进行了展望。

关键词：光固化增材制造陶瓷型芯浆料矿化剂陶瓷烧结

基于Laval喷嘴的层流气雾化法工艺参数探索及粉末性能研究

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稀有金属材料与工程 2023年第4期52卷 1369-1379页

作者：沈鹭宇陈超越黎兴刚帅三三徐松哲胡涛金小礼李山青王江任忠鸣上海大学材料科学与工程学院、省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室上海200444 南方科技大学前沿与交叉学科研究院广东深圳518055 宝山钢铁股份有限公司中央研究院上海201900

基于Laval喷嘴的层流气雾化技术可以高效制备高性能金属粉末,但目前对这种技术的各项工艺参数及粉末性能尚未有系统性研究。本工作使用基于Laval喷嘴的层流气雾化制粉设备制备了AlSi10Mg合金粉末,同时使用传统分析方法和X射线计算机断... 详细信息

基于Laval喷嘴的层流气雾化技术可以高效制备高性能金属粉末,但目前对这种技术的各项工艺参数及粉末性能尚未有系统性研究。本工作使用基于Laval喷嘴的层流气雾化制粉设备制备了AlSi10Mg合金粉末,同时使用传统分析方法和X射线计算机断层扫描技术分别研究了雾化气体压力以及导流管内径对粉末整体形貌、三维形貌、球形度、粒度分布、物理性能及内部缺陷的影响,并结合数值模拟进行机理性解释。结果表明,基于Laval喷嘴的层流气雾化技术制备的AlSi10Mg粉末性能较好,由于在较高的雾化气体压力和较窄的导流管内径条件下气液流量比更高,金属熔体更易发生破碎,故制备的粉末球形度更好,粒度分布较窄,细粉收得率可接近50%,不规则粉末及空心粉较少。

关键词：层流气雾化 AlSi10Mg合金粉末工艺参数 X射线计算机断层扫描数值模拟

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激光增材制造钛铝系金属间化合物的研究现状

航空制造技术 2022年第17期65卷 14-32页

作者：王江曹庭玮陈超越赵睿鑫徐松哲胡涛帅三三任忠鸣上海大学省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室上海200444

随着我国工业技术的不断发展,发动机材料已经成为制约我国航空技术发展的壁垒。降低能源损耗,提高使用温度成为诸多发动机材料的发展方向。TiAl合金具有密度低、抗氧化性能好、比强度高等优点,是极具潜力的低压涡轮发动机备选材料。为... 详细信息

随着我国工业技术的不断发展,发动机材料已经成为制约我国航空技术发展的壁垒。降低能源损耗,提高使用温度成为诸多发动机材料的发展方向。TiAl合金具有密度低、抗氧化性能好、比强度高等优点,是极具潜力的低压涡轮发动机备选材料。为探究激光增材制造技术所制备的TiAl合金在航空发动机上的应用前景,详细介绍了激光增材制造所需TiAl粉末和相关的激光增材制造技术,以及利用激光增材制造技术制造TiAl合金的研究现状。分析了使用激光增材制造技术制造TiAl合金的优势以及存在的缺点,提出了目前激光增材制造TiAl合金还需要深入研究的问题。

关键词：金属间化合物金属粉末激光增材制造(LAM) 激光定向能量沉积激光粉床熔化航空航天

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磁场下金属凝固过程形核行为的研究现状

铸造技术 2022年第9期43卷 699-712,I0026页

作者：帅三三温烁凯郭锐王江任忠鸣上海大学省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室上海200444 上海大学材料科学与工程学院上海200444

凝固过程显著影响着材料的微观组织和成分分布,从而影响产品最终性能。形核作为凝固过程的初始阶段,极大地影响了后续相的生成次序、相组成、晶粒大小及分布,对材料的最终性能有不可忽视的影响。磁场是凝固过程的重要调控手段,磁场下的... 详细信息

凝固过程显著影响着材料的微观组织和成分分布,从而影响产品最终性能。形核作为凝固过程的初始阶段,极大地影响了后续相的生成次序、相组成、晶粒大小及分布,对材料的最终性能有不可忽视的影响。磁场是凝固过程的重要调控手段,磁场下的金属形核研究对于通过磁场调控金属凝固过程微观组织研究具有重要意义。目前关于磁场对形核行为的影响研究较为有限,多以对宏观现象的观测为主,局限于定性解释,缺乏对微观尺度的异质形核现象和磁场作用机理的深入探究。本文综述了金属凝固过程形核理论、模型及形核过程的研究现状,详细介绍了磁场下金属凝固过程形核行为的研究进展,并提出了磁场作用下形核研究的发展方向。

关键词：金属凝固异质形核磁场形核过冷度界面结构

在磁场中加热对单晶铝力学性能和位错密度的影响

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上海金属 2022年第1期44卷 56-61,66页

作者：施可琢帅三三雷力明王江任忠鸣上海大学材料科学与工程学院上海200444 上海大学省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室上海200444 中国航发上海商用航空发动机制造有限责任公司上海200241

施加磁场能改善固态金属的力学性能,但性能改善的机制还不清楚。为研究交变磁场和静磁场对固态金属力学性能的影响,分别将单晶铝在施加和不施加交变磁场的条件下于250和325℃加热6 h随后空冷。检测了单晶铝的力学性能和位错密度,并在静... 详细信息

施加磁场能改善固态金属的力学性能,但性能改善的机制还不清楚。为研究交变磁场和静磁场对固态金属力学性能的影响,分别将单晶铝在施加和不施加交变磁场的条件下于250和325℃加热6 h随后空冷。检测了单晶铝的力学性能和位错密度,并在静磁场中测定了硬度。结果表明:与未施加交变磁场在250℃加热的单晶铝相比,施加0.1 T交变磁场在相同温度加热的单晶铝屈服强度和断后伸长率分别提高了49.3%和24.7%,这是位错密度提高引起的位错强化和磁致塑性所致;当静磁场强度从0增加到0.6 T时,单晶铝的位错蚀坑数量增加了33%,硬度从28.0 HV0.1降低到了24.6 HV0.1。静磁场和交变磁场均影响单晶铝的力学性能,这与位错密度的变化有关,而自由基对中电子自旋状态的改变是位错密度变化的主要原因。

关键词：磁场单晶铝磁致塑性位错密度