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金属圆棒超声螺旋扫查检测的合成孔径成像技术

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金属学报 2024年第4期60卷 559-568页

作者：李振杰蔡桂喜张博李经明李建奎中国科学院金属研究所沈阳110016 中国科学技术大学材料科学与工程学院沈阳110016

为实现金属圆棒的定量无损检测(QNDT),在经典的Cartesian坐标系超声合成孔径(SAFT)理论指导下,提出了极坐标系下的合成孔径聚焦成像(pSAFT)算法及其环绕式时域合成孔径聚焦技术(ST-SAFT)。基于螺旋扫查自动检测系统推导了采用有效合成... 详细信息

为实现金属圆棒的定量无损检测(QNDT),在经典的Cartesian坐标系超声合成孔径(SAFT)理论指导下,提出了极坐标系下的合成孔径聚焦成像(pSAFT)算法及其环绕式时域合成孔径聚焦技术(ST-SAFT)。基于螺旋扫查自动检测系统推导了采用有效合成孔径弧度(SAR)表示的延时叠加成像表达式;通过制备横孔型人工缺陷试样进行检测实验,将超声检测数据经ST-SAFT处理后成像为圆截面断层扫描图;再运用图像边缘识别法进行定量评价该方法对缺陷检测的定量定位分辨率。结果表明:ST-SAFT孔径测量值与实际值相当;横孔定位准确;成像分辨率显著优于B扫描结果;每圆截面成像速率可达毫秒量级,可与棒材检测一周的机械扫查速率相匹配。该技术可用于提升金属圆棒超声检测设备的技术水平和提高棒材使用安全性保障能力。

关键词：棒材质量控制超声检测环绕式时域合成孔径聚焦技术(ST-SAFT) 螺旋扫查圆截面成像

不锈钢纤维增强镁基仿生复合材料制备与力学性能

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金属学报 2024年第6期60卷 760-769页

作者：谢丽文张立龙刘艳艳张明阳王绍钢焦大刘增乾张哲峰中国科学院金属研究所师昌绪先进材料创新中心沈阳110016 中国科学技术大学纳米科学技术学院苏州215123 沈阳铸造研究所有限公司高端装备轻合金铸造技术国家重点实验室沈阳110022 中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心沈阳110016

天然鱼鳞由于具有独特的组织结构而表现出优异的力学性能,可为金属材料的组织结构优化设计提供有益启示。本工作利用Mg熔体浸渗不锈钢纤维编织骨架的方法,制备了具有类似天然鱼鳞的正交层合板和双螺旋层合板结构的镁基仿生复合材料,并... 详细信息

天然鱼鳞由于具有独特的组织结构而表现出优异的力学性能,可为金属材料的组织结构优化设计提供有益启示。本工作利用Mg熔体浸渗不锈钢纤维编织骨架的方法,制备了具有类似天然鱼鳞的正交层合板和双螺旋层合板结构的镁基仿生复合材料,并选用二维平面随机取向结构作为对比,表征了复合材料的相组成、微观结构以及在室温与200℃条件下的力学性能,揭示了其微观结构与力学性能之间的关系。结果表明,镁基复合材料中不锈钢纤维能够起到显著的强化作用,并且其力学性能与微观结构密切相关。与二维平面随机取向结构相比,类鱼鳞仿生结构表现出更高的拉伸强度和塑性,并且能够通过不锈钢纤维从Mg基体中拔出促进变形和消耗能量。特别是,类鱼鳞双螺旋层合板结构在室温条件下塑性更高,而在高温条件下强度更高,其不同取向的纤维之间能够协调变形,诱导裂纹发生偏转,并减弱变形和损伤的局域化程度。

关键词：镁基复合材料类鱼鳞结构仿生设计不锈钢纤维力学性能

大气等离子喷涂Y_(3)Al_(5)O_(12)/Al_(2)O_(3)陶瓷涂层的CMAS腐蚀抗力

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无机材料学报 2024年第6期39卷 671-680,I0001,I0002页

作者：李捷罗志新崔阳张广珩孙鲁超王京阳中国科学院金属研究所沈阳110016 中国科学技术大学材料科学与工程学院沈阳110016

探索能够有效抵抗1300℃及以上温度钙镁铝硅酸盐(Calcium-Magnesium-Aluminum-Silicate,CMAS)腐蚀的新材料是近年来先进航空发动机用环境障涂层研究的重点任务。本工作围绕具有超强CMAS腐蚀抗力的YAG(Y_(3)Al_(5)O_(12))/Al_(2)O_(3)体系,采用大气等离子喷涂(Atmospheric Plasma Spraying,APS)技术制备了具有共晶成分的YAG/Al_(2)O_(3)涂层。通过在1100、1300和1500℃对制备态涂层进行热处理,获得了具有不同微观结构的YAG/Al_(2)O_(3)涂层。利用不同表征手段研究了YAG/Al_(2)O_(3)涂层抵抗1300℃CMAS腐蚀的性能及微观结构对涂层腐蚀抗性的影响。研究结果发现,经不同温度热处理的YAG/Al_(2)O_(3)涂层与CMAS的反应产物均为石榴石结构固溶体、CaAl_(2)Si_(2)O_(8)和Ca_(2)MgSi_(2)O_(7)。腐蚀机制研究发现,1100℃热处理YAG/Al_(2)O_(3)涂层与CMAS反应界面的近连续分布石榴石固溶体层可有效阻隔CMAS腐蚀元素的扩散;1500℃热处理YAG/Al_(2)O_(3)涂层晶粒尺寸的增加及晶界数量的减少可降低涂层材料在CMAS中的溶解速率,二者均可通过影响腐蚀过程中的离子传输速率而影响各生成物的竞争析出,进而提升涂层的CMAS腐蚀抗力。本工作为YAG/Al_(2)O_(3)涂层热处理工艺优化提供了借鉴,并为通过微观结构优化调控YAG/Al_(2)O_(3)涂层的CMAS腐蚀抗力提供了新思路。

关键词： YAG(Y_(3)Al_(5)O_(12))/Al_(2)O_(3) 大气等离子喷涂环境障涂层 CMAS腐蚀抗力晶界腐蚀热处理温度

MAX相陶瓷增强金属基复合材料:制备、性能与仿生设计

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无机材料学报 2024年第2期39卷 145-152页

作者：刘艳艳谢曦刘增乾张哲峰中国科学院金属研究所沈阳110016 中国科学技术大学材料科学与工程学院沈阳110016

由于原子间存在共价键、金属键与离子键的混合键合状态,MAX相陶瓷兼具金属和陶瓷材料的性能特点,并且常与金属之间表现出良好的润湿性,有助于形成强界面结合,独特的层状原子结构使MAX相陶瓷表现出良好的断裂韧性、阻尼与自润滑性能。因... 详细信息

由于原子间存在共价键、金属键与离子键的混合键合状态,MAX相陶瓷兼具金属和陶瓷材料的性能特点,并且常与金属之间表现出良好的润湿性,有助于形成强界面结合,独特的层状原子结构使MAX相陶瓷表现出良好的断裂韧性、阻尼与自润滑性能。因此,作为金属基复合材料的增强相,MAX相陶瓷具有显著优势,本文着重介绍相关研究进展。目前,MAX相陶瓷增强金属基复合材料主要通过搅拌铸造、粉末冶金和熔体浸渗等途径制备,得到的复合材料表现出优于金属基体的强度、硬度与模量,同时还具备良好的耐磨、导电、抗电弧侵蚀等性能。此外,借助真空抽滤、冰模板等工艺可实现超细片状MAX相陶瓷粉体的择优定向排列,然后利用金属熔体浸渗多孔陶瓷骨架,可获得具有类贝壳结构的MAX相陶瓷增强金属基仿生复合材料,进一步提升材料的强韧性能。MAX相陶瓷增强金属基复合材料在承载、电接触等应用领域具有显著优势和广阔前景。

关键词： MAX相陶瓷金属基复合材料仿生设计力学性能熔体浸渗专题评述

金属间化合物Pt_(7)Sb投影Berry相位与析氢催化关联的第一性原理计算

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金属学报 2024年第6期60卷 837-847页

作者：周彦余李江旭刘晨赖俊文高强马会孙岩陈星秋中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心沈阳110016 中国科学技术大学材料科学与工程学院沈阳110016

高效催化材料的设计是能源材料领域的重要任务之一。本工作根据寻找具有低Pt负载量的高效析氢反应(HER)催化剂的指导原则,结合投影Berry相位描述符,设计发现了性能优异的HER催化剂立方Pt_(7)Sb,其氢吸附Gibbs自由能(ΔG_(H^(*)))甚至小... 详细信息

高效催化材料的设计是能源材料领域的重要任务之一。本工作根据寻找具有低Pt负载量的高效析氢反应(HER)催化剂的指导原则,结合投影Berry相位描述符,设计发现了性能优异的HER催化剂立方Pt_(7)Sb,其氢吸附Gibbs自由能(ΔG_(H^(*)))甚至小于Pt元素。因此,在降低Pt负载量的情况下,其HER催化活性有望提高。从电子结构分析来看,2个描述符ΔG_(H^(*))和投影Berry相位之间有很好的一致性。由于投影Berry相位完全由体态(波函数相位)决定,这种一致性意味着良好的催化性能与本征电子结构的拓扑性质之间存在着密切的关系。该结果提供了一个很好的HER催化剂候选材料,降低了Pt的负载量,并为展示催化剂本征拓扑性质的作用提供了参考。

关键词：析氢反应催化剂投影Berry相位第一性原理计算

六氟钽酸氨拓扑转变制备低深能级缺陷Ta_(3)N_(5)光阳极实现超低偏压光电化学分解水

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Chinese Journal of Catalysis 2024年第6期61卷 144-153页

作者：徐伟甄超朱华泽姚婷婷邱建航梁艳白朔陈春林成会明刘岗中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家实验室辽宁沈阳110016 中国科学技术大学材料科学与工程学院辽宁沈阳110016 中国科学院金属研究所师昌绪先进材料创新中心辽宁沈阳110016 中国科学院深圳先进技术研究院碳中和技术研究所广东深圳518055

Ta_(3)N_(5)是一种具有2.1 eV直接带隙的n型半导体,其带隙跨越水的氧化还原电位.此外,Ta_(3)N_(5)的理论太阳能制氢效率(STH)高达15.9%,超过商业化应用的效率门槛(10%),是一种理想的光电化学分解水制氢光阳极材料.采用Ta2O5作为前驱体,... 详细信息

Ta_(3)N_(5)是一种具有2.1 eV直接带隙的n型半导体,其带隙跨越水的氧化还原电位.此外,Ta_(3)N_(5)的理论太阳能制氢效率(STH)高达15.9%,超过商业化应用的效率门槛(10%),是一种理想的光电化学分解水制氢光阳极材料.采用Ta2O5作为前驱体,在氨气气氛下高温氮化制备Ta_(3)N_(5)是一个由表及里的非均相氮化过程,该过程会产生大量的低价钽和氮空位等本征深能级缺陷,导致费米能级钉扎效应的产生,从而使得光生电压显著降低和光电流起始电位较高.因此,开发能够进行体相均相氮化的前驱体,以抑制Ta_(3)N_(5)深能级缺陷的产生,具有重要意义.本文采用气相溶剂热法,在钽箔上制备了一种六氟钽酸氨((NH_(4))_(2)Ta_(2)O_(3)F_(6))化合物,并以其多面体锥阵列薄膜作为前驱体,通过可控的氮化过程将前驱体结构拓扑转变为低深能级缺陷含量的Ta_(3)N_(5)多孔阵列薄膜.在高温氮化过程中,(NH_(4))_(2)Ta_(2)O_(3)F_(6)会释放含氮、氢和氟的气体小分子并形成贯穿体相的多孔通道,有利于氨气及氮化过程中产生的其他小分子物质的渗透,促进体相均匀氮化过程,避免生成大量的本征深能级缺陷.同时,(NH_(4))_(2)Ta_(2)O_(3)F_(6)中的高电负性氟离子可以减弱Ta–O键,进一步促进氮化反应.扫描电镜和透射电镜(TEM)结果表明,制备的(NH_(4))_(2)Ta_(2)O_(3)F_(6)是具有实心结构的多面体锥阵列薄膜,而拓扑转变所得的Ta_(3)N_(5)多面体锥薄膜具有多孔结构.X射线光电子能谱(XPS)、紫外-可见漫反射光谱和稳态/瞬态光电压谱表征结果表明,通过(NH_(4))_(2)Ta_(2)O_(3)F_(6)拓扑转变制备Ta_(3)N_(5)可有效抑制Ta_(3)N_(5)薄膜中深能级缺陷的形成.采用两种产氧反应助催化剂依次修饰后,XPS和TEM结果显示出助催化剂的双壳层结构与化学组成.光电化学分解水测试结果表明,所制得的Ta_(3)N_(5)光阳极在AM1.5G模拟太阳光的照射下,可展现出0.2 V_(RHE)(***)的极低光电流起始电位,且在1.23 V_(RHE)时的光电流密度可达3.28 mA cm^(–2),经过连续5 h的稳定性测试,仍能保持初始值的85%.此外,稳定性测试前后助催化剂的XPS和TEM结果表明,Ta_(3)N_(5)光阳极光电流下降的原因可能是产氧助催化剂中硼物种的消耗.而通过减小(NH_(4))_(2)Ta_(2)O_(3)F_(6)多面体锥前驱体的尺寸,可以进一步减少Ta_(3)N_(5)薄膜中的本征深能级缺陷的含量,修饰助催化剂后可在0 V_(RHE)下展现出光电催化水氧化活性.综上所述,通过(NH_(4))_(2)Ta_(2)O_(3)F_(6)新型前驱体拓扑转变制备了低深能级缺陷含量的Ta_(3)N_(5)光阳极,表现出极低的光电流起始电位,为构建无偏压下自发全分解水的低深能级缺陷浓度的Ta_(3)N_(5)光电极提供了一种新途径,该方法也可拓展至其他过渡金属氮化物的可控制备与缺陷调控.

关键词： (NH_(4))_(2)Ta_(2)O_(3)F_(6) 拓扑转变低缺陷Ta3N5 起始电位光电化学分解水

表面微结构的宽深比与占空比对马氏体不锈钢空化和空蚀的影响

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表面技术 2024年第11期53卷 67-79页

作者：任倩楠胡红祥郑玉贵中国科学院金属研究所沈阳110016 中国科学技术大学材料科学与工程学院沈阳110016

目的探究表面微结构尺寸变化对空蚀过程的影响以及作用机制。方法根据点阵型表面微结构的截面形状,改变其宽深比和占空比,用Gambit对其建立二维平面模型。使用Fluent软件对不同尺寸下微结构模型的空蚀过程进行模拟计算,得到绝对压力、... 详细信息

目的探究表面微结构尺寸变化对空蚀过程的影响以及作用机制。方法根据点阵型表面微结构的截面形状,改变其宽深比和占空比,用Gambit对其建立二维平面模型。使用Fluent软件对不同尺寸下微结构模型的空蚀过程进行模拟计算,得到绝对压力、含汽率以及气泡运动速度等参数。最后根据模拟计算的结果,在样品表面加工出不同占空比的微结构,使用磁致超声振动空化设备,在与数值模拟相同环境条件下进行空蚀试验,采用失重法对模拟结果进行验证。结果数值模拟分析显示,微结构的宽深比和占空比对空蚀过程均有影响。当宽深比小于2.5时,微结构底面的含汽率降至0.1以下,沟槽内形成一层“液垫”,减缓了空蚀。相较于其他占空比,当占空比为0.91时,含汽率最小,保持在0.4以下,样品表面同样形成“液垫”,缓冲了气泡溃灭时作用在材料表面的冲击力。此外,随着占空比的增大,微结构表面的绝对压力与液体的饱和蒸汽压差距增大,降低了空化程度,同样起到了减缓空蚀的作用。不同占空比下的微结构样品和光滑样品的空蚀试验结果表明,微结构样品的空蚀质量损失均小于光滑样品的空蚀质量损失,且当占空比为0.91时,空蚀质量损失最小,为5.95 mg,远小于占空比为0.71和0.38时,微结构样品。同样证明了表面微结构占空比越大,材料的耐空蚀性能越好。结论微结构宽深比主要影响微结构底面的含汽率,而占空比影响样品表面的绝对压力和微结构顶面的含汽率。相较于光滑表面,微结构样品可以有效减缓马氏体不锈钢的空蚀损伤。当宽深比较小、占空比较大时,材料表面的含汽率保持在较低的水平,有利于减缓空蚀损伤。

关键词：空蚀表面微结构数值模拟含汽率绝对压力占空比宽深比

Mg-8Zn-4Al-0.5Cu-0.5Mn-xLi高模量铸造镁合金的组织和性能

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材料研究学报 2024年第3期38卷 187-196页

作者：刘晨野罗天骄李应举冯小辉黄秋燕郑策朱成杨院生中国科学院金属研究所沈阳110016 中国科学技术大学材料科学与工程学院沈阳110016

设计和制备Mg-8Zn-4Al-0.5Cu-0.5Mn-x Li(x=0,3,5,7)(%,质量分数)系列高比模量的镁合金,研究了它的组织和性能。Li含量为3.14%和5.37%的两种镁合金,其基体为单相α-Mg,在晶界析出骨骼状Mg_(32)(Al,Zn)49相,在晶粒内有颗粒状Mg_(5)Al_(2)Zn_(2)相和Al_(2)Mn相;Li含量为7.57%的合金,其基体主要为双相组织α-Mg+β-Li。添加Li元素后在晶界附近生成的共晶组织由α-Mg相和层片状AlLi相组成,并随着Li含量的提高层片状AlLi相的含量随之提高。随着Li含量的提高,合金的屈服强度呈逐渐提高的趋势,而抗拉强度基本上不变,合金的弹性模量呈现先提高后降低的趋势。铸态合金ZA84-5Li的弹性模量可达51.89 GPa,比纯Mg的弹性模量高7 GPa,但是其力学性能基本不变,屈服强度为141 MPa,抗拉强度为189 MPa,密度为1.71 g/cm^(3)。

关键词：金属材料镁合金第二相强化显微组织弹性模量

地面重型燃气轮机及其热障涂层的研究进展与发展趋势

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中国表面工程 2024年第1期37卷 18-40页

作者：邹兰欣常辉高明浩崔凤静张甲徐娜常新春中国科学院金属研究所沈阳110016 中国科学技术大学材料科学与工程学院沈阳110016

国际公认的重型燃气轮机制造尖端技术之一—热障涂层技术,高温下通常面临CMAS(CaO-MgO-Al_(2)O_(3)-SiO_(2))腐蚀、氧化、相变与烧结等问题,其抗CMAS腐蚀性等关键性能极大地影响涂层寿命,提高热障涂层的性能刻不容缓。对重型燃气轮机用... 详细信息

国际公认的重型燃气轮机制造尖端技术之一—热障涂层技术,高温下通常面临CMAS(CaO-MgO-Al_(2)O_(3)-SiO_(2))腐蚀、氧化、相变与烧结等问题,其抗CMAS腐蚀性等关键性能极大地影响涂层寿命,提高热障涂层的性能刻不容缓。对重型燃气轮机用热障涂层的研究进展与发展趋势进行全面总结与分析。首先介绍国内外重型燃气轮机的现状及发展趋势、热障涂层的系统结构、材料和几种典型的制备工艺,然后针对高温下燃气轮机热障涂层遇到的一些问题,对其隔热性、抗氧化性及抗热震性等关键性能的研究进展进行综述,最后分类详述热障涂层的CMAS腐蚀机理及其防护研究进展。综述热障涂层的几种关键性能,提出热障涂层的性能与其材料、结构及制备工艺密切相关,据此总结归纳提高热障涂层性能的方法,为热障涂层性能的提高提供参考依据,以弥补燃气轮机热障涂层领域目前缺乏这类综述文章的不足。

关键词：燃气轮机热障涂层研究进展 CMAS腐蚀