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Effects of hot-pressing parameters on microstructure and mechanical properties of composites synthesized by Al-TiO_(2) in-situ reaction

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中国科学:技术科学英文版 2023年第9期66卷 2725-2734页

作者： LIU Yin CHEN WanQi GU LiMing LI xiaoNan ZAN YuNing WANG QuanZhao WANG Dong xiao bolv MA ZongYi School of Materials Science and Engineering University of Science and Technology of ChinaShenyang 110016China Key Laboratory of Nuclear Materials and Safety Assessment Institute of Metal ResearchChinese Academy of SciencesShenyang 110016China Shi-changxu Innovation Center for Advanced Materials Institute of Metal ResearchChinese Academy of SciencesShenyang 110016China Nuclear Equipment Division Beijing Institute of Nuclear EngineeringChina Nuclear Power Engineering Co.Ltd.Beijing 100840China

As a classic in-situ reaction, the Al-TiO_(2) reaction is expected to prepare aluminum matrix composites with high thermal stability.In this study, it was found that the preparation method of ensuring sufficient reaction using higher temperatures in previous studies was not conducive to acquiring optimized high-temperature strength. With the increase of hot-pressing temperature and the extension of holding time, the in-situ reaction became more thorough, but the strength of the composites first increased and then decreased. Coarsening of the microstructure at high temperatures would lead to degradation of strength and controlling the in-situ reaction process by the hot-pressing parameters could optimize the mechanical properties of the composites. Strengthening mechanisms at room and high temperatures were studied, and it was found that the load-transfer and Orowan strengthening mechanisms are the main strengthening effects at room temperature, while the pinning effect of fine particles became more crucial at elevated temperatures. As a result, the coarsening of the reinforcing phases was more detrimental to the hightemperature strength. Therefore, an insufficient in-situ reaction led to more excellent mechanical properties, and the composite hot-pressed at 605℃ and held for 2 h exhibited the highest strength, which was 367 MPa at room temperature and 170 MPa at 350℃.

关键词： metal matrix composites high energy ball milling high-temperature properties nanoparticles in-situ reaction

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纳米碳/铝复合材料强韧化研究现状及展望

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中国材料进展 2024年第3期43卷 181-194,229页

作者：马凯刘振宇肖伯律马宗义中国科学院金属研究所师昌绪创新材料研究中心辽宁沈阳110016

以碳纳米管、石墨烯为代表的超高性能纳米碳,具有优越的力、热、电等综合性能,是复合材料的理想增强体,以纳米碳为强化相少量加入到铝中,有望开发出高强、高模、低热膨胀的复合材料,并使复合材料保持轻质、易加工等特性,在航空、航天、... 详细信息

以碳纳米管、石墨烯为代表的超高性能纳米碳,具有优越的力、热、电等综合性能,是复合材料的理想增强体,以纳米碳为强化相少量加入到铝中,有望开发出高强、高模、低热膨胀的复合材料,并使复合材料保持轻质、易加工等特性,在航空、航天、国防等领域具有重大的应用前景,因而以纳米碳/铝为代表的新一代铝基复合材料备受关注。然而,碳纳米管等纳米碳易团聚,与铝等大多数金属并不浸润,且容易分布在晶界上诱导显著的晶粒细化,使得复合材料的强韧性等关键性能指标提升困难,或者使强度提高的同时使塑韧性下降显著,限制了其工程应用潜力。综述近年来国内外研究者在纳米碳/铝复合材料强韧化方面的策略和方法,包括纳米碳分散、界面和构型调控等,以期推动新一代轻质高强纳米碳/铝复合材料的发展,支撑国家未来重大工程应用。

关键词：纳米碳/铝复合材料强韧化分散界面构型

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Fabrication of high strength carbon nanotube/7055Al composite by powder metallurgy combined with subsequent hot extrusion

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Science China(Technological Sciences) 2021年第5期64卷 1081-1091页

作者： MA Kai LIU ZhenYu ZHANG XingXing xiao bolv MA ZongYi Shi-changxu Innovation Center for Advanced Materials Institute of Metal ResearchChinese Academy of SciencesShenyang 110016China School of Materials Science and Engineering University of Science and Technology of ChinaShenyang 110016China

Bimodal carbon nanotube reinforced 7055Al(CNT/7055Al) composites containing coarse grain bands and ultra-fine grain zones were fabricated by high energy ball milling, vacuum hot pressing followed by hot extrusion. The effect of extrusion temperature varied from 320℃ to 420℃ on the microstructure evolution and tensile properties were investigated. Microstructure observation indicates that the elongated coarse grain bands aligned along the extrusion direction after extrusion. The width of the coarse grain bands increased, and the length of the coarse grain bands increased firstly and then decreased with the increase of extrusion temperature. The grain size of the ultra-fine grain zones changed little after hot extrusion, but the ultra-fine grains coarsened after subsequent heat treatment, especially for the composite extruded at low temperature of 320℃. By observing the CNT distribution, it was found that the higher temperature extrusion was beneficial to the CNT orientation along the extrusion direction.Furthermore, a precipitated free zone formed at the boundary between the coarse grain band and the ultra-fine grain zone as the composite extruded at high temperature of 420℃. As the result of the comprehensive influence of the above microstructure, the tensile strength of the composite extruded at moderate temperature of 370℃ reached the highest of 826 MPa.

关键词： carbon nanotube aluminum matrix composite hot extrusion bimodal mechanical property

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选区激光熔融Al-30Si合金的微观组织和性能

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材料研究学报 2024年第1期38卷 43-50页

作者：秦艳利赵光普张昊倪丁瑞肖伯律马宗义沈阳理工大学理学院沈阳110158 中国科学院金属研究所沈阳110016

用选区激光熔融技术(SLM)制备Al-30Si合金,研究了去应力退火后样品的显微组织、力学性能和热物理性能。结果表明:SLM成形的Al-30Si合金样品经300℃/6 h退火后其室温抗拉强度为254±3 MPa,比铸态加工的Al-30Si合金的抗拉强度提高53.5%,... 详细信息

用选区激光熔融技术(SLM)制备Al-30Si合金,研究了去应力退火后样品的显微组织、力学性能和热物理性能。结果表明:SLM成形的Al-30Si合金样品经300℃/6 h退火后其室温抗拉强度为254±3 MPa,比铸态加工的Al-30Si合金的抗拉强度提高53.5%,硬度为176.89±8.5HV、比刚度为35.18 m^(2)/s^(2)。SLM成形样品温度为-100℃~200℃时的热膨胀系数为13.8×10^(-6)/℃~16.3×10^(-6)/℃,平均热导率为70.52 W·m^(-1)·K^(-1)。快速冷却的特性能够细化SLM成形样品的初晶Si颗粒,使成形Al-30Si合金具有较好的综合性能,其高比刚度和较低的热膨胀系数有望使服役于特殊环境的光机结构件保持高度的尺寸稳定性。

关键词：金属材料选区激光熔融 Al-30Si合金微观组织物理性能

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Microstructure and mechanical property evolution of friction stir welded(B4C+Al2O3)/Al composites designed for neutron absorbing materials

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Science China(Technological Sciences) 2020年第7期63卷 1256-1264页

作者： ZAN YuNing WANG BeiBei ZHOU YangTao JIA CunLei LIU ZhenYu WANG QuanZhao xiao bolv MA ZongYi Shenyang National Laboratory for Materials Science Institute of Metal ResearchChinese Academy of SciencesShenyang 110016China Key Laboratory of Nuclear Materials and Safety Assessment Institute of Metal ResearchChinese Academy of SciencesShenyang 110016China School of Materials Science and Engineering University of Science and Technology of ChinaShenyang 110016China

(B4C+Al2O3)/Al composite designed for the dry storage of spent nuclear fuels was fabricated and then subjected to friction stir welding, at a welding speed of 100 mm/min and rotation rates of 400–800 r/min. Sound joints were obtained under all welding parameters;however, significant softening occurred in the nugget zone(NZ) for all the joints. Therefore, all the joints exhibited significantly decreased strength at both room temperature and high temperature compared with the base metal, with the joints fracturing in the NZs. Rotation rate exhibited no obvious effect on the tensile strength of the joints, but led to increased elongation as the result of the broadened NZs. The detailed microstructural examinations indicated that the welding thermomechanical effect broke up the near 3D amorphous Al2O3 netlike structure distributed at the Al grain boundaries, caused the coarsening of Al grains, and the agglomeration and crystallization of amorphous Al2O3, thereby resulting in the softening of the NZs and the reduction in the joint strength. Consequently, inhibiting the breakup and crystallization of 3D amorphous Al2O3 netlike structure is the key factor to improve the joint strength of the(B4C+Al2O3)/Al composite.

关键词： particle reinforced Al matrix composites neutron absorber materials FSW mechanical properties high-temperature strength

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颗粒增强铝基复合材料热等静压近净成形有限元模拟

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精密成形工程 2024年第4期16卷 1-9页

作者：冯效铭张峻凡王东肖伯律马宗义中国科学院金属研究所师昌绪先进材料创新中心沈阳110016 中国科学技术大学材料科学与工程学院沈阳110016

目的建立可靠的模拟方法,以更高效地预测颗粒增强铝基复合材料(PRAMC)粉末热等静压中的形状变化和不同部位致密度的差异,解决传统实验试错方法适用性差且费时费力的问题,满足批量应用的需求。方法以45%(体积分数)SiCp/6092Al复合材料为... 详细信息

目的建立可靠的模拟方法,以更高效地预测颗粒增强铝基复合材料(PRAMC)粉末热等静压中的形状变化和不同部位致密度的差异,解决传统实验试错方法适用性差且费时费力的问题,满足批量应用的需求。方法以45%(体积分数)SiCp/6092Al复合材料为研究对象,构建了能预测粉末热等静压成形过程的有限元模型。使用Gurson-Tvergard-Needleman(GTN)模型作为粉末本构模型,建立了粉末尺度的代表性体积单元(RVE)对GTN模型进行修正。结果通过对比GTN模型计算结果与实验结果,发现修正后的GTN模型能更准确地预测模型的最终变形尺寸,与修正前相比,相对误差降低了1.6%~2.9%。使用修正后的GTN模型对杯形回转体零件的热等静压成形过程进行预测,最终形状的计算结果与实验结果的相对误差仅为0.2%~3.1%,致密度分布的相对误差在0.5%以内。在探究包套厚度对热等静压过程的影响时发现,随着包套厚度的增大,热等静压过程中的屏蔽作用增强,内部粉体致密度下降。结论为PRAMC热等静压近终形制备的形状和致密度控制问题提供了有限元预测工具,辅助优化了热等静压工艺和包套设计,降低了颗粒增强铝基复合材料热等静压近净成形过程开发的试错成本。

关键词：颗粒增强铝基复合材料粉末冶金体积代表单元 GTN模型近净成形

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双模CNT/Al复合材料变形过程的代表性体积单元模拟

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精密成形工程 2024年第4期16卷 71-78页

作者：石礼硕朱智吴迪张峻凡肖伯律马宗义沈阳航空航天大学材料科学与工程学院沈阳110136 中国科学院金属研究所师昌绪先进材料创新中心沈阳110016

目的研究双模CNT/Al复合材料在塑性加工过程中的微观结构演变行为。方法通过ABAQUS/Python二次开发,对双模CNT/Al复合材料代表性体积单元(RVE)进行参数化建模,并基于显式动力学求解器和欧拉-拉格朗日耦合技术,对双模CNT/Al复合材料RVE... 详细信息

目的研究双模CNT/Al复合材料在塑性加工过程中的微观结构演变行为。方法通过ABAQUS/Python二次开发,对双模CNT/Al复合材料代表性体积单元(RVE)进行参数化建模,并基于显式动力学求解器和欧拉-拉格朗日耦合技术,对双模CNT/Al复合材料RVE模型的单向压缩过程和挤压过程进行数值模拟分析。结果单向压缩模拟结果显示,结构心部异质区两侧的等效塑性应变较大,结构边缘基体区域的等效塑性应变相对较小;最大等效应力位于结构边角处的基体区域,而结构心部异质区的等效应力则相对较小。通过对异质区材料和形态的影响规律进行分析发现,当异质区为粗晶材料时,其变形后的形态更趋于扁平,而当异质区为细晶材料时,其变形后的形态更接近椭圆。通过挤压过程的模拟,实现了对变形过程中双模组织结构变化的分析,模拟结果显示,材料表面与模具贴合良好,异质区随变形的进行被不断拉长,部分异质区由于拉伸程度过大,甚至出现了分离的情况。结论提出的模拟方法为双模CNT/Al复合材料的挤压变形工艺设计和变形后组织结构预测提供了有效手段。

关键词：双模CNT/Al复合材料 RVE自动化建模塑性变形数值模拟欧拉-拉格朗日耦合技术

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基于代表性体积单元的双模铝基复合材料性能拟实研究

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精密成形工程 2024年第4期16卷 36-44页

作者：庞雨婷张峻凡王文广肖伯律马宗义辽宁石油化工大学机械工程学院沈阳113001 中国科学院金属研究所师昌绪先进材料创新中心沈阳110016

目的研究双模铝基复合材料连续区(Continuous Region,CR)和非连续区(Discontinuous Region,DR)力学性能对材料整体力学性能的影响规律,以深入了解双模铝基复合材料的强韧化机理。方法基于Abaqus模拟软件,以双模CNT/Al为研究对象,建立了... 详细信息

目的研究双模铝基复合材料连续区(Continuous Region,CR)和非连续区(Discontinuous Region,DR)力学性能对材料整体力学性能的影响规律,以深入了解双模铝基复合材料的强韧化机理。方法基于Abaqus模拟软件,以双模CNT/Al为研究对象,建立了构型尺度的代表性体积单元(RVE)模型,采用GTN(Gurson-Tvergaard-Needleman)模型来描述双模CNT/Al中CR和DR的变形力学行为,通过定义力学性能参数来简化描述CR和DR复杂的力学性能。针对双模CNT/Al的CR和DR,分别设定力学性能参数HC和HD,并进行一系列的拉伸载荷模拟,研究HC和HD对双模复合材料整体力学性能的影响规律。通过与真实双模CNT/Al的力学性能进行对比,得到双模CNT/Al中CR和DR力学性能与均匀材料力学性能的差异,最后对双模CNT/Al在变形过程中的应力分布情况和断裂后的形貌进行分析。结果当HC小于4时,双模CNT/Al的抗拉强度随HD的增大而下降;当HC大于5时,双模CNT/Al的抗拉强度随HD的增大而增大;双模CNT/Al的屈服强度随着HD和HC的增大而增大,延伸率随着HD和HC的增大而降低。当HD或HC一定时,在HC=HD时,模型材料的延伸率最大。典型双模CNT/Al由“粗晶铝合金+CNT/超细晶Al复合材料”构成,与均匀结构的粗晶铝合金相比,其构型中粗晶铝合金的强度显著提升、塑韧性显著下降;与均匀结构的CNT/超细晶Al相比,其构型中的CNT/超细晶Al复合材料的强度小幅降低、塑韧性小幅提升。当HD大于HC时,裂纹优先在DR产生;当HD小于HC时,裂纹优先在CR区产生;当HD和HC接近时,裂纹产生的区域更加分散。结论建立了一种双模铝基复合材料的有限元模型,从数值上说明了双模CNT/Al复合材料微区与均匀材料的力学性能存在显著差异,为双模铝基复合材料的设计提供了参考。

关键词：铝基复合材料有限元模拟双模结构代表性体积单元 GTN模型

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构型化石墨烯纳米片/2009Al复合材料热膨胀系数模拟

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金属学报 2024年第7期60卷 977-989页

作者：周丽张明远杨欣盛刘振宇王全兆肖伯律马宗义烟台大学机电汽车工程学院烟台264005 中国科学院金属研究所师昌绪先进材料创新中心沈阳110016

石墨烯纳米片/Al复合材料热特性与其微观组织密切相关,但尚缺系统性的从微观结构模拟到热学性能预测。本工作利用有限元软件ABAQUS建立了微观石墨烯纳米片/2009Al复合材料三维模型,分析了石墨烯纳米片分布形式、几何构型和体积分数对复... 详细信息

石墨烯纳米片/Al复合材料热特性与其微观组织密切相关,但尚缺系统性的从微观结构模拟到热学性能预测。本工作利用有限元软件ABAQUS建立了微观石墨烯纳米片/2009Al复合材料三维模型,分析了石墨烯纳米片分布形式、几何构型和体积分数对复合材料热膨胀系数的影响。结果表明,复合材料的热膨胀系数受石墨烯纳米片的分布形式影响较小。只有当石墨烯纳米片在基体内的分布形式为2簇时,热膨胀系数比其他分布形式小。石墨烯纳米片几何构型和体积分数对热膨胀系数影响明显。随着石墨烯纳米片体积分数的增加,复合材料热膨胀系数逐渐减小。与基体相比,当复合材料中石墨烯纳米片的体积分数为2.5%,且呈集聚分布时,热膨胀系数下降幅度最大,约为27%。通过与实验结果对比,验证了模型的正确性。

关键词：构型有限元模拟石墨烯纳米片/2009Al复合材料热膨胀系数

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Achieving a high-strength dissimilar joint of T91 heat-resistant steel to 316L stainless steel via friction stir welding

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International Journal of Minerals,Metallurgy and Materials 2023年第1期30卷 166-176页

作者： Zhiwei Wang Min Zhang Cong Li Fenglei Niu Hao Zhang Peng Xue Dingrui Ni bolv xiao Zongyi Ma CAS Key Laboratory of Nuclear Materials and Safety Assessment Institute of Metal ResearchChinese Academy of SciencesShenyang 110016China School of Nuclear Science and Engineering North China Electric Power UniversityBeijing 102206China Shi Changxu Innovation Center for Advanced Materials Institute of Metal ResearchChinese Academy of SciencesShenyang 110016China School of Materials Science and Engineering University of Science and Technology of ChinaShenyang 110016China

The reliable welding of T91 heat-resistant steel to 316L stainless steel is a considerable issue for ensuring the safety in service of ultrasupercritical power generation unit and nuclear fusion reactor,but the high-quality dissimilar joint of these two steels was difficult to be obtained by traditional fusion welding methods.Here we improved the structure-property synergy in a dissimilar joint of T91 steel to 316L steel via friction stir welding.A defect-free joint with a large bonding interface was produced using a small-sized tool under a relatively high welding speed.The bonding interface was involved in a mixing zone with both mechanical mixing and metallurgical bonding.No obvious material softening was detected in the joint except a negligible hardness decline of only HV~10 in the heat-affected zone of the T91 steel side due to the formation of ferrite phase.The welded joint exhibited an excellent ultimate tensile strength as high as that of the 316L parent metal and a greatly enhanced yield strength on account of the dependable bonding and material renovation in the weld zone.This work recommends a promising technique for producing high-strength weldments of dissimilar nuclear steels.

关键词： heat-resistant steel stainless steel friction stir welding dissimilar welding microstructure mechanical property

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