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高Nb锆合金在含氧蒸汽中耐腐蚀性能恶化的机理

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金属学报 2024年第4期60卷 509-521页

作者：黄建松裴文徐诗彤白勇姚美意胡丽娟谢耀平周邦新上海大学材料研究所上海200072

为探究高Nb锆合金在含氧蒸汽中耐腐蚀性能恶化的机理,研究了Zr-0.75Sn-0.35Fe-0.15Cr-1.0Nb(质量分数,%)合金在除氧(DE)、300μg/kg溶解氧(DO)、1000μg/kg DO的400℃、10.3 MPa过热蒸汽中的腐蚀行为,采用SEM、TEM和XPS分析了氧化膜的... 详细信息

为探究高Nb锆合金在含氧蒸汽中耐腐蚀性能恶化的机理,研究了Zr-0.75Sn-0.35Fe-0.15Cr-1.0Nb(质量分数,%)合金在除氧(DE)、300μg/kg溶解氧(DO)、1000μg/kg DO的400℃、10.3 MPa过热蒸汽中的腐蚀行为,采用SEM、TEM和XPS分析了氧化膜的显微组织和Nb元素价态。结果表明:Zr-0.75Sn-0.35Fe-0.15Cr-1.0Nb合金在400℃过热蒸汽中的耐腐蚀性能随着DO浓度升高而变差;合金在含氧蒸汽中耐腐蚀性能恶化的机理主要有2方面,一方面是DO加速了氧化膜中Nb元素的氧化,促进了Nb^(2+)向Nb^(5+)的转换;另一方面是DO促进了第二相氧化成m-Nb_(2)O_(5)以及非晶,进而促进了裂纹的萌生与生长,裂纹为O的扩散提供了快速通道,氧化膜显微组织的演化速率更快,最终加速了合金的腐蚀进程。

关键词：锆合金溶解氧腐蚀显微组织

Nb对锆合金LOCA淬火相变及力学性能影响的分子动力学研究

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稀有金属材料与工程 2024年第6期53卷 1654-1665页

作者：胡丽娟张鸿林王子璇强媛媛姚美意谢耀平上海大学材料研究所上海200072

失水事故(loss of coolant accident, LOCA)下锆合金中原β-Zr层的力学性能对核安全具有重大意义,Nb作为锆合金中重要的合金元素对其有重要影响。运用分子动力学方法研究了Zr-x Nb(x=0, 0.5, 1, 2.5,质量分数,%)合金在淬火过程中的相变... 详细信息

失水事故(loss of coolant accident, LOCA)下锆合金中原β-Zr层的力学性能对核安全具有重大意义,Nb作为锆合金中重要的合金元素对其有重要影响。运用分子动力学方法研究了Zr-x Nb(x=0, 0.5, 1, 2.5,质量分数,%)合金在淬火过程中的相变行为和淬火后的拉伸行为,分析了Nb对其力学性能的作用机制。结果表明,Nb淬火相变模拟过程产生了类似原β-Zr组织的层片状多晶,这种层片状多晶主要由fcc和hcp结构原子组成;多晶的bcc→fcc相变路径遵从Brain位相关系,bcc→hcp相变路径遵从P-S位相关系;在降温过程中,添加的Nb会通过增大锆合金hcp与bcc结构的自由能之差来增加β→α的相变阻力,从而稳定锆合金的β相;Zr、Zr-0.5Nb和Zr-1Nb合金模型中Nb促进了晶界处bcc相的生成,使得变形集中于晶界,导致晶界易发生断裂;而Zr-2.5Nb中,晶粒内部的Nb含量较高,易形成bcc相,从而协调变形,提高其塑性;此外Zr-2.5Nb中团簇呈弥散分布,这使得其整体强度得到提高。

关键词：锆合金分子动力学原β-Zr 淬火相变力学性能

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航天器复合材料桁架连接增强方法与验证

航天器工程 2024年第3期33卷 68-73页

作者：马超王志国张如变胡宗文刘良威陆晴陈红飞胡敏上海卫星工程研究所上海201109 上海复合材料科技有限公司上海201112 上海卫星装备研究所上海200240

大型航天器主承载复合材料桁架局部承受过大的轴向拉伸载荷时,存在接头与杆件拉脱破坏的风险。基于胶接桁架碳纤维分层破坏机理,提出了外套管增强胶接、锥面配合增强胶接和组合增强胶接3种连接增强方案,通过优化传力路径达到降低层间应... 详细信息

大型航天器主承载复合材料桁架局部承受过大的轴向拉伸载荷时,存在接头与杆件拉脱破坏的风险。基于胶接桁架碳纤维分层破坏机理,提出了外套管增强胶接、锥面配合增强胶接和组合增强胶接3种连接增强方案,通过优化传力路径达到降低层间应力的目的。针对3种连接增强方案,投产了相应的试件开展性能测试。经试验验证,胶接增强设计方法能够有效提高承载能力33%~66%,极限拉脱力达到200 kN,可为大型航天器主承载桁架研制提供参考。

关键词：航天器复合材料桁架胶接接头连接增强

热膨胀工艺制备不同厚度泡沫夹芯复合材料的低速冲击性能

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复合材料学报 2024年第3期41卷 1611-1625页

作者：闵伟程乐乐余木火孙泽玉东华大学材料科学与工程学院上海市轻质结构复合材料重点实验室民用航空复合材料协同创新中心上海201620

热膨胀工艺能够一体化成型各种泡沫夹芯复合材料。选择初始厚度为1 mm的可膨胀环氧泡沫预浸胶,通过控制模具型腔尺寸以控制不同成型压力制备4种不同厚度的泡沫夹芯板。以10 J和42 J冲击能量研究热膨胀工艺和芯材厚度对泡沫夹芯复合材料... 详细信息

热膨胀工艺能够一体化成型各种泡沫夹芯复合材料。选择初始厚度为1 mm的可膨胀环氧泡沫预浸胶,通过控制模具型腔尺寸以控制不同成型压力制备4种不同厚度的泡沫夹芯板。以10 J和42 J冲击能量研究热膨胀工艺和芯材厚度对泡沫夹芯复合材料低速冲击性能的影响。通过ABAQUS有限元分析、超声C扫描对比试验数据分析了不同试样的损伤模式。通过冲击后压缩试验分析了不同试样的损伤容限。结果发现更高膨胀倍率的泡沫芯子,产生更低的膨胀力,泡沫夹芯板的抗冲击强度降低,但结构具有更优异的吸能效果。高能量和低强度的泡沫芯子都会导致蒙皮更高的损伤程度。试样在10 J能量冲击后的压缩强度衰减率为8.2%,而42 J能量冲击后的压缩强度衰减率达到38.2%。成型压力和芯子的厚度对泡沫夹芯板的损伤容限影响很小。研究确定了热膨胀工艺成型泡沫夹芯复合材料具有高的结构和抗冲击性能可设计性。

关键词：热膨胀工艺泡沫夹芯复合材料低速冲击有限元分析冲击后压缩

轻质高导电金属化碳纳米管薄膜的制备及其雷击防护性能

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复合材料学报 2024年第1期41卷 196-206页

作者：席佳琦戴亚光夏雷王玉琼杨文刚吕卫帮上海大学材料科学与工程学院上海200444 沈阳飞机设计研究所沈阳110035 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所先进纳米复合材料创新中心苏州215123

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)导电性差,无法满足飞机航行过程中的雷击防护需求。金属化碳纳米管薄膜具备轻质、高导电、高载流的特点,可应用于复合材料雷击防护。采用电化学沉积工艺成功制备了一种碳纳米管(CNT)/Cu复合薄膜,并对其... 详细信息

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)导电性差,无法满足飞机航行过程中的雷击防护需求。金属化碳纳米管薄膜具备轻质、高导电、高载流的特点,可应用于复合材料雷击防护。采用电化学沉积工艺成功制备了一种碳纳米管(CNT)/Cu复合薄膜,并对其微观结构、电学性能及载流失效行为进行了表征分析。结果表明,CNT/Cu复合薄膜柔性较好,具有明显的梯度结构,铜的含量在薄膜厚度方向上逐渐递减。复合薄膜电导率与Cu同一量级,比电导率为Cu的2倍,载流量及比载流量分别为商用铜网的1.4倍和7倍。复合薄膜中的CNT抑制了Cu在大载流作用下电迁移的发生,进而延长其载流失效时间。基于CNT/Cu复合薄膜制备了CFRP雷击防护试样,进行人工模拟雷击试验及高精度损伤分析,评估雷击防护效果。与商用铜网雷击防护材料相比,CNT/Cu复合薄膜质量减轻61%,且表现出更为优异的雷击防护性能。

关键词： CNT/Cu 复合材料电学性能金属化雷击防护无损分析碳纤维增强树脂基

碳材料螺纹连接结构应力分布影响因素及失效行为

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复合材料学报 2024年

作者：张光喜梅云杰储宇吉侯晓俞鸣明西北工业大学航天学院西安航天复合材料研究所上海大学复合材料研究中心中国航天科技集团有限公司

了解螺纹连接结构应力分布有助于预测连接件在实际工况下的损伤和失效行为。然而碳材料本身的脆性，以及受载时形变主要发生于内部螺纹的特性，常用的数字图像法（DIC）等应力分析手段并不适用。本文采用有限元仿真方法，对受载时的均... 详细信息

了解螺纹连接结构应力分布有助于预测连接件在实际工况下的损伤和失效行为。然而碳材料本身的脆性，以及受载时形变主要发生于内部螺纹的特性，常用的数字图像法（DIC）等应力分析手段并不适用。本文采用有限元仿真方法，对受载时的均质石墨螺柱-螺母内外连接结构进行研究。研究了弹性阶段，螺距P、螺纹咬合齿数n对结构应力变化的影响，并分析其损伤过程。结果表明：当螺纹咬合齿数值较小时，载荷分布较均匀，螺母的受载荷端面螺纹根部发生轻微应力集中。随着螺纹咬合齿数值的增加，连接部分螺纹根部的应力分布呈U型分布，两端螺纹承担更多应力，同时承载螺纹数量增加，导致螺纹连接强力提高。而螺距对于螺纹连接的整体应力分布影响较小。von Mises应力分布云图表明，螺母两端的应力集中最为严重，且随着载荷增加，内外螺纹根部的应力集中加剧，两端的螺纹区域将最先发生失效。

关键词：碳材料螺纹连接结构螺纹参数应力分布损伤行为

Hf对Zr-Al-Ni-Cu金属玻璃弛豫行为的影响

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稀有金属材料与工程 2024年第3期53卷 651-659页

作者：王兴华王广涛刘小龙孟润心刘小红上海应用技术大学机械工程学院上海200240 上海交大智邦科技有限公司上海200240

通过测定快淬态和退火态比热与温度的关系,研究了Hf元素对Zr_(70)Al_(7.5)Ni_(8)Cu_(14.5)(70Zr)、Zr_(55)Al_(10)Ni_(5)Cu_(30)(55Zr)和(Zr_(0.75)Hf_(0.25))_(65)Al_(7.5)Ni_(10)Cu_(17.5)(65Zr_(0.75)Hf_(0.25))厘米级金属玻璃焓和硬度弛豫的影响。结果显示:70Zr和55Zr合金的结构弛豫表现为单峰现象,在退火温度(T_(a))接近玻璃转变温度(T_(g))时出现弛豫峰;而65Zr_(0.75)Hf_(0.25)合金的结构弛豫表现为双峰现象,分别在523和648 K(接近T_(g))时出现焓弛豫峰。70Zr和55Zr合金在T_(g)温度附近出现明显的单峰弛豫行为,表明合金在T_(g)之前的整个温度范围内具有较高的抵抗退火诱导结构弛豫的能力;另一方面,65Zr_(0.75)Hf_(0.25)合金在523 K附近出现一个弛豫子峰,可能是由于Zr-Hf原子对的键合性较弱,混合焓接近于零,随后在T_(g)附近出现明显的主弛豫。65Zr_(0.75)Hf_(0.25)和(Zr_(0.5)Hf_(0.5))65Al_(7.5)Ni_(10)Cu_(17.5)(65Zr_(0.5)Hf_(0.5))合金的硬度也表现出类似的双峰现象,导致第一峰的T_(a)与焓弛豫峰的T_(a)一致。结果表明,满足非晶形成三原则的Zr、Al、Ni和Cu组成的类二十面体中程有序结构在低T_(a)温度下保持稳定;只有背离非晶形成三原则的65Zr_(0.75)Hf_(0.25)和65Zr_(0.5)Hf_(0.5)金属玻璃焓弛豫和硬度弛豫出现了双峰,表明形成大块金属玻璃非必要组元的增加将导致合金结构在低温退火过程中的不稳定性。

关键词：焓弛豫硬度弛豫双级弛豫单级弛豫多组分金属玻璃

Zr-1Nb-xFe合金在模拟LOCA下的高温蒸汽氧化行为

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金属学报 2024年第5期60卷 670-680页

作者：王金鑫姚美意林雨晨陈刘涛高长源徐诗彤胡丽娟谢耀平周邦新上海大学材料研究所上海200072 中广核研究院有限公司深圳518031

为探究Fe对核燃料包壳锆合金抗高温蒸汽氧化性能的影响,利用配置蒸汽发生器的同步热分析仪模拟失水事故(LOCA)下的高温蒸汽氧化环境,对Zr-1Nb-xFe(x=0、0.05、0.2、0.4,质量分数,%)合金进行了800~1200℃下恒温3600 s的高温蒸汽氧化行为... 详细信息

为探究Fe对核燃料包壳锆合金抗高温蒸汽氧化性能的影响,利用配置蒸汽发生器的同步热分析仪模拟失水事故(LOCA)下的高温蒸汽氧化环境,对Zr-1Nb-xFe(x=0、0.05、0.2、0.4,质量分数,%)合金进行了800~1200℃下恒温3600 s的高温蒸汽氧化行为研究。采用金相显微镜、Vickers硬度仪观察分析了氧化前后样品横截面的显微组织和硬度。结果表明,在800~1100℃蒸汽中氧化时,添加Fe使Zr-1Nb合金的抗高温蒸汽氧化性能变差,且影响复杂,不随Fe含量的增加呈单一变化规律;在1200℃蒸汽中氧化时,添加Fe对Zr-1Nb合金的抗高温蒸汽氧化性能影响甚微;随氧化温度升高,4种合金的氧化动力学规律发生变化,总体由抛物线→直线规律转变,还会发生多次转折,这与锆合金基体的α↔β和氧化膜的单斜(m)↔四方(t)相变过程密切相关。

关键词：锆合金失水事故高温蒸汽氧化显微组织相变

增材制造TiB/Ti复合材料网状组织形成与力学性能

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材料工程 2024年第2期52卷 31-39页

作者：韩远飞方旻翰张亮孙中刚黄光法吕维洁上海交通大学材料科学与工程学院金属基复合材料国家重点实验室上海200240 上海材料研究所上海3D打印材料工程技术研究中心上海200437 南京工业大学材料科学与工程学院先进材料研究院南京210009

采用快速凝固技术将TiB直接植入基体钛合金,形成一种新型超细网状结构钛基复合材料(titanium matrix composites,TMCs)粉体,并采用激光增材制造技术,制备出一种等轴网状和柱状网状组织交替分布的新型钛基复合材料,系统分析和讨论增材制... 详细信息

采用快速凝固技术将TiB直接植入基体钛合金,形成一种新型超细网状结构钛基复合材料(titanium matrix composites,TMCs)粉体,并采用激光增材制造技术,制备出一种等轴网状和柱状网状组织交替分布的新型钛基复合材料,系统分析和讨论增材制造TMCs超常凝固网状组织形成机制与力学特性。研究发现:增材制造TiB/Ti复合材料网状组织(约9μm)主要由原位自生纳米TiB晶须组成,呈现B27和Bf两种晶体结构;B元素的直接引入,易于在凝固界面形成成分过冷,不仅促使交替形成等轴网状组织和柱状网状结构,也同步细化基体晶粒尺寸,实现基体合金片层α相的等轴化。经原位力学观察分析发现,增材制造形成的原位自生纳米TiB网状组织结构,不仅能够抑制裂纹偏转并钝化裂纹,还将大量滑移迹线聚集于网络结构内部,并在晶界诱发高密度位错,限制材料的塑性变形,大幅度提高了复合材料的强度,增材制造TiB/Ti复合材料抗拉强度提高42%,伸长率保持在约10%。

关键词：增材制造钛基复合材料网状结构力学性能