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选区激光熔化γ'相强化镍基高温合金裂纹形成机理与抗裂纹设计研究进展

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金属学报 2023年第1期59卷 16-30页

作者：祝国梁孔德成周文哲贺戬董安平疏达孙宝德上海交通大学材料科学与工程学院上海市先进高温材料及其精密成形重点实验室上海200240 上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室上海200240

传统牌号高强镍基高温合金具有较宽的凝固温度区间、较高比例的低熔点共晶相,在增材制造快速非平衡凝固过程中易产生裂纹等缺陷;同时,热处理过程中残余应力释放和γ’相快速析出导致应变时效裂纹的形成,严重限制了其在激光增材制造领域... 详细信息

传统牌号高强镍基高温合金具有较宽的凝固温度区间、较高比例的低熔点共晶相,在增材制造快速非平衡凝固过程中易产生裂纹等缺陷;同时,热处理过程中残余应力释放和γ’相快速析出导致应变时效裂纹的形成,严重限制了其在激光增材制造领域的应用与推广。基于此,本文综述了近年来国内外研究组及作者团队在选区激光熔化高强镍基高温合金裂纹形成机理与抗裂纹设计(成形工艺参数优化、热处理制度调控以及合金成分设计)领域相关的研究进展,并对激光增材制造γ’相强化镍基高温合金裂纹调控的研究进行了展望。

关键词：选区激光熔化高强镍基高温合金裂纹抗裂纹设计

层级孔喷涂粉末构筑及新一代长寿命热障涂层材料的研究进展

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航空材料学报 2023年第4期43卷 1-16页

作者：郭芳威张瑞吉邢辰蔡黄越余亚丽赵晓峰上海交通大学材料科学与工程学院上海200240 上海市先进高温材料及其精密成形重点实验室上海201108

广泛应用于航空发动机和地面燃气轮机中的热障涂层具有低热导率和良好的耐温性能,能够降低涡轮叶片表面温度,使高温结构件能在高于其熔点的环境中长时间高效率的服役。热障涂层的性能和寿命受到陶瓷层材料与其结构的直接影响,采用可控... 详细信息

广泛应用于航空发动机和地面燃气轮机中的热障涂层具有低热导率和良好的耐温性能,能够降低涡轮叶片表面温度,使高温结构件能在高于其熔点的环境中长时间高效率的服役。热障涂层的性能和寿命受到陶瓷层材料与其结构的直接影响,采用可控原料粉末对陶瓷涂层进行微观结构调节的方法可以减少涂层中的应变-应力失配,具有操作灵活、效果显著、调控范围广等优势。针对传统热障涂层应变容限低,抗热震性能不足等问题,本团队开发了静电喷雾技术结合相分离原理(ESP)制备新型热喷涂微球粉末的造粒理论和实现方法,实现了对粉末形貌结构的精确构筑,可用于制备核壳、均质和层级孔等全体系喷涂微球粉末。与传统的喷涂粉末相比,其中层级孔微球粉末(由特殊的纳米-微米层级跨尺度孔构成)呈现耐烧结、低热导率、高比强度及95%以上的高温波段反射率特点。使用层级孔微球粉末喷涂的热障涂层由于层级孔特征结构的保留,展现出优异的力学性能和隔热性能,热循环寿命提升2倍以上,热导率下降50%以上,且在服役过程中体现出良好的抗烧结性能。ESP造粒技术为新型热障涂层材料从材料设计到工程应用提供了一种快速的涂层性能调控方法,现已成功应用于稀土锆酸盐、稀土钽酸盐和稀土掺杂YSZ高熵体系等新型热障涂层的制备之中,随着层级孔结构对材料力学、光学、热学的深入研究及其内部拓扑结构的精确控制,未来将会在航空航天、军事国防、荧光测温等领域获得更为广泛的应用。

关键词：热障涂层静电喷雾相分离层级孔结构热机械性能

粉末粒径和烧结温度对K418高温合金多孔材料显微结构及性能影响

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粉末冶金技术 2023年第5期41卷 442-448页

作者：张迈梁加淼刘墨瀚李东白肖承体徐凯王俊上海交通大学材料科学与工程学院上海200240 上海市先进高温材料及其精密成形重点实验室上海200240

以气雾化K418镍基高温合金球形粉末为原料,经过粉末松装烧结制备出高温合金多孔材料。通过对多孔材料微观结构、渗透性能、毛细性能及压缩强度进行表征,研究了原始粉末粒径和烧结温度对多孔吸液芯样品显微结构及性能的影响。结果表明,... 详细信息

以气雾化K418镍基高温合金球形粉末为原料,经过粉末松装烧结制备出高温合金多孔材料。通过对多孔材料微观结构、渗透性能、毛细性能及压缩强度进行表征,研究了原始粉末粒径和烧结温度对多孔吸液芯样品显微结构及性能的影响。结果表明,随烧结温度增加,样品的平均孔径和孔隙率减小;在相同烧结温度下,随着原始粉末粒径增加,样品的平均孔径和孔隙率增大。在烧结温度为1230℃,粉末粒径为53~150μm的条件下,多孔材料样品综合性能最优,渗透率为13.69×10^(-15)m^(2),毛细压力为22.1kPa,压缩强度为86MPa。

关键词：多孔吸液芯粉末粒径烧结温度渗透率毛细压力压缩强度

Ti2AlN(0001)/Al固液界面从头算分子动力学研究

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中国有色金属学报 2023年第11期33卷 3709-3721页

作者：俞彪韩延峰李东胡光敏东青张佼孙宝德上海交通大学上海市先进高温材料精密成形重点实验室材料科学与工程学院上海200240

通过从头算分子动力学模拟计算,系统研究不同终止面Ti2AlN(0001)/Al固液界面在铝熔点附近的的界面结构、界面能以及电子结构。计算结果表明:Ti2AlN(0001)的4类终止界面均能诱导Al熔体按照FCC-Al{111}密排面“A-B-C”次序堆垛成准固相区... 详细信息

通过从头算分子动力学模拟计算,系统研究不同终止面Ti2AlN(0001)/Al固液界面在铝熔点附近的的界面结构、界面能以及电子结构。计算结果表明:Ti2AlN(0001)的4类终止界面均能诱导Al熔体按照FCC-Al{111}密排面“A-B-C”次序堆垛成准固相区,准固相区外延扩展能力由大到小依次为N终止界面、Al终止界面、Ti(N)终止界面、Ti(Al)终止界面;Ti2AlN(0001)的4类终止界面诱导Al熔体形核强弱的原因在于界面处Ti2AlN表层原子与第1层Al原子不同强度的结合引起后续Al原子层间结合强弱,这为Ti2AlN作为铝合金新型异质形核基底以及作为铝基复合材料增强相的界面结构设计提供了理论依据。

关键词： Ti2AlN 固液界面从头算分子动力学界面能电子结构

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层状金属复合材料的发展历程及现状

工程科学学报 2021年第1期43卷 67-75页

作者：张婷许浩李仲杰董安平邢辉杜大帆孙宝德上海交通大学材料科学与工程学院上海市先进高温材料及其精密成形重点实验室上海200240

三十多年来,多种层状金属复合材料的制备方法应运而生,蓬勃发展,包括爆炸复合法、轧制复合法、热压扩散法和沉积复合法等.爆炸复合法在中厚板的制备上具有不可替代的优势,其产品广泛应用于军工、船舶、电力和化工等领域.轧制法可以批量... 详细信息

三十多年来,多种层状金属复合材料的制备方法应运而生,蓬勃发展,包括爆炸复合法、轧制复合法、热压扩散法和沉积复合法等.爆炸复合法在中厚板的制备上具有不可替代的优势,其产品广泛应用于军工、船舶、电力和化工等领域.轧制法可以批量生产大尺寸层压板,应用最为广泛,目前层压板已经广泛用于汽车、船舶和航空航天等领域.真空热压扩散法由于可以避免氧气等气体的污染,几年来在Ti/Al、Ti/TiAl和Ti6Al4V/TiAl层状复合材料的制备上备受关注.沉积复合法制备的层状金属复合材料在作为耐蚀、耐磨涂层,高强导线,人体植入材料方面表现出巨大的潜力.在综述层状金属复合材料发展历程的基础上,介绍了层状金属复合材料的制备方法及各自的优缺点,并对层状金属复合材料目前在国内外的研究现状进行了分析和介绍.

关键词：层状金属复合材料发展历程制备方法研究现状发展前景

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难熔高熵合金综述

Transactions of Nonferrous Metals Society of China 2022年第11期32卷 3487-3515页

作者：田雨生周文哲谭庆彪吴明旭乔绅祝国梁董安平疏达孙宝德上海交通大学材料科学与工程学院上海市先进高温材料及其精密成形重点实验室和金属基复合材料国家重点实验室上海200240

综述了近年来难熔高熵合金(RHEAs)在合金设计、显微组织和力学性能方面的研究进展,并重点讨论了内在的强化机制和变形行为。难熔高熵合金主要由近等摩尔比的难熔元素组成,具有优异的力学性能,尤其是高温力学性能。然而,大多数难熔高熵... 详细信息

综述了近年来难熔高熵合金(RHEAs)在合金设计、显微组织和力学性能方面的研究进展,并重点讨论了内在的强化机制和变形行为。难熔高熵合金主要由近等摩尔比的难熔元素组成,具有优异的力学性能,尤其是高温力学性能。然而,大多数难熔高熵合金的室温塑性有限。为了解决这一问题,研究人员已开展了大量相关研究工作,其中某些难熔高熵合金材料具有很大的高温实际应用潜力。难熔高熵合金除了具有优异的力学性能外,在其他性能方面也有优势,如生物相容性和耐磨性。最后,还讨论了难熔高熵合金目前存在的问题和对未来发展的建议。

关键词：难熔高熵合金显微组织高温强度力学性能位错

钛基石墨烯复合材料的分散性、界面结构及力学性能

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材料导报 2024年第5期38卷 234-241页

作者：佘欢时磊董安平上海应用技术大学机械工程学院上海201418 上海交通大学材料科学与工程学院上海200240 上海市先进高温材料及其精密成形重点实验室上海200240

石墨烯由于独特的结构和优异的力学、导电、润滑等性能,被认为是理想的金属基复合材料的增强体。将石墨烯作为增强体增强钛基复合材料有着巨大的应用潜力。然而,石墨烯的分散性及其与钛基体的反应是制约获得高性能石墨烯增强钛基复合材... 详细信息

石墨烯由于独特的结构和优异的力学、导电、润滑等性能,被认为是理想的金属基复合材料的增强体。将石墨烯作为增强体增强钛基复合材料有着巨大的应用潜力。然而,石墨烯的分散性及其与钛基体的反应是制约获得高性能石墨烯增强钛基复合材料的难点。本文综述了钛基石墨烯复合材料的分散性、界面及力学性能的研究进展。钛基石墨烯复合材料通常采用粉末冶金法制备,石墨烯能较均匀地分散于复合材料组织中,但当石墨烯添加量过多时仍会出现团聚现象。石墨烯与钛基体易发生反应生成TiC,通过固化烧结工艺的改进、基体复合化、石墨烯表面改性以及原位自生等方法可以有效地抑制界面反应并提高界面结合力。随着石墨烯含量的增加,钛基石墨烯复合材料的压缩、拉伸强度与硬度一般呈现先增大后减小的趋势。石墨烯增强钛基复合材料的强化机制通常以载荷传递强化为主,但有些情况下由石墨烯引起的位错强化、细晶强化及奥罗万(Orowan)强化效果也较为显著。

关键词：石墨烯钛基复合材料分散性界面强度强化机制

K439B镍基合金精密铸造微观组织模拟与实验验证

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稀有金属 2023年第7期47卷 923-933页

作者：鄯宇隋大山麻晋源董安平孙宝德上海交通大学材料科学与工程学院、塑性成形技术与装备研究院上海200030 上海交通大学材料科学与工程学院、上海市先进高温材料与精密成形重点实验室上海200240

K439B镍基合金是一种服役温度达800℃的新型高温材料,该合金在精密铸造条件下的微观组织演化规律有待深入研究。采用有限元数值分析与元胞自动机相结合的方法(CAFE),针对K439B镍基合金框型铸件的重力精密铸造过程进行了宏微观数值建模,... 详细信息

K439B镍基合金是一种服役温度达800℃的新型高温材料,该合金在精密铸造条件下的微观组织演化规律有待深入研究。采用有限元数值分析与元胞自动机相结合的方法(CAFE),针对K439B镍基合金框型铸件的重力精密铸造过程进行了宏微观数值建模,通过基于材料热效能补偿原理的差示扫描量热仪(DSC)设备测试和相图计算等方法确定了宏微观模拟参数;并对框型铸件进行了浇注实验,并通过电子背散射衍射(EBSD)技术获得了材料的微观组织形貌图。宏观模拟结果表明:铸件两个特征结构处(R1和R2)的冷却速率和温度梯度存在明显差异:R1的平均冷却速率约为R2的2倍,但其轴向温度梯度仅约为R2的0.36倍。微观组织模拟结果表明:在枝晶形貌方面,R1具有更小的二次枝晶臂间距(SDAS)、更小的晶粒尺寸、更大占比的等轴晶区。并且,二次枝晶臂间距、晶粒形貌和晶粒尺寸等数值模拟结果,均与实验结果吻合,从而验证了所建宏微观模型的准确性,为后续数值建模、特别是合理确定微观组织模拟参数提供了理论依据。

关键词：镍基高温合金精密铸造数值模拟微观组织元胞自动机

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热障涂层高熵合金粘结层材料研究进展

金属学报 2022年第4期58卷 503-512页

作者：赵晓峰李玲张晗陆杰上海交通大学材料科学与工程学院上海市先进高温材料及精密成型重点研究室上海200240

热障涂层是现代高性能航空发动机的关键材料和技术,能够显著提升热端部件(比如涡轮叶片)的工作温度,同时保护热端部件不受高温氧化和腐蚀。金属粘结层作为热障涂层的关键组成部分,直接决定了热障涂层体系的服役性能和寿命。然而,传统MCr... 详细信息

热障涂层是现代高性能航空发动机的关键材料和技术,能够显著提升热端部件(比如涡轮叶片)的工作温度,同时保护热端部件不受高温氧化和腐蚀。金属粘结层作为热障涂层的关键组成部分,直接决定了热障涂层体系的服役性能和寿命。然而,传统MCrAlY粘结层因为存在抗氧化性能不足、粘结层-基体互扩散严重以及高温强度不足等问题,导致服役温度不足1100℃,无法满足下一代超高温热障涂层的应用温度要求。基于传统MCrAlY粘结层中存在的关键问题,本团队提出高熵合金粘结层的设计思路,旨在突破传统粘结层的应用温度局限。本文重点介绍了Y/Hf-NiCoCrAlFe高熵合金的抗氧化与抗热腐蚀性能,同时也对此高熵合金粉体与粘结层的抗氧化性能进行了阐述,最后对高性能高熵合金粘结层的发展方向进行了展望。

关键词：热障涂层金属粘结层高熵合金抗氧化性能抗热腐蚀性能