4D打印技术的研究进展

4D打印是实现对智能材料的增材制造技术。本文基于复合材料、形状记忆聚合物、形状记忆合金等材料简要综述了4D打印智能材料的研究进展。目前复合材料的4D打印向着多材料精确复合、响应速度快、成形材料功能化等方向发展;4D打印形状记忆聚合物则朝着形态可控、实现特定动作等方向发展;4D打印形状记忆合金,目前向着相转变行为精确调控、变形可控等方向发展。由于目前4D打印形状记忆合金存在诸多未解决的问题,本文提出了获得近全致密4D打印形状记忆合金需考虑的因素;成形孔隙对其综合性能的影响;组织性能调控;变形控制;性能指标调节的冗余度问题;需要突破的科学问题等相关思考。总体而言,随着新型原材料、成形方法、控制软件和机器精度的不断发展,4D打印技术发展迅速,正逐步走向智能化、精确化和高效化。     

Ti-45Al-5Nb-0．3Y合金的等温热变形模拟及包套锻造

采用Gleeble-1500热力模拟机对Ti-45Al-5Nb-0.3Y (at%)合金在不同温度和变形速率下的流变应力进行了实验研究,并对此材料进行了包套锻造,分析了变形组织及压缩性能.结果显示,TiAl合金的真应力-真应变曲线显示典型的动态再结晶软化特征,流变应力随应变速率的升高和变形温度的降低而升高,在1200℃/0.01s-1条件下变形后试样外观质量好;利用Zener-Hollomon参数计算了此合金的热变形激活能,Q=399.5kJmol-1;在α γ双相区一次包套锻造,总变形量达70%,锻坯质量良好,锻后组织由大量弯曲、破碎的层片,细小的再结晶晶粒及少量平直层片组成,动态再结晶主要发生在原层片晶团的界面处,经1150℃/80min热处理后,合金发生广泛的再结晶形成了大量细小均匀的等轴γ晶粒,平均晶粒尺寸约为10μm,但仍有少量残余层片存在;室温压缩实验表明,锻造后合金的强度和塑性提高,这与锻造后显微组织的细化有关.     

铝锂合金的焊缝组织与开裂敏感性研究

采用横向变拘束试验,研究铝锂合金(A合金)和2024合金的焊接热裂纹敏感性;并对焊缝组织进行分析,探讨它对两种合金焊接开裂倾向的影响.结果表明,A合金焊缝组织为柱状枝晶,在焊缝与热影响区之间由于非均匀形核而形成精细等轴晶粒区域(EQZ),而2024合金焊缝为联生结晶的胞状枝晶组织.两种合金焊缝组织的差异造成A合金有更高的焊接热裂纹敏感性.     

抽拉速率对Ti-47.5Al-2Cr-2Nb-0.2B合金的定向凝固组织的影响

采用亚快速定向凝固装置成功地制备了Ti-47.5Al-2Cr-2Nb-0.2B合金定向凝固试样,观察了不同凝固速率下的固液界面形貌、过渡区和稳态区凝固组织.实验结果表明,在2μm/s抽拉速率下,合金界面以胞状界面形态生长,全片层组织(γ+α2)取向与生长方向成0°和45°的夹角,合金凝固时的领先相为β相.在100μm/s凝固速率下,合金界面以枝状形态生长,全片层组织方向与生长方向的夹角为90°,领先相从β相转化为α相.通过将合金中Cr和Nb元素的含量折算成Al的含量,计算Ti-48.3Al合金中α和β相界面生长温度,发现凝固速率达到180μm/s时,领先相可由β相转变为α相,理论计算结果支持实验中的相选择转变过程.     

固溶处理时间对2E12铝合金组织和疲劳性能的影响

采用光学金相、扫描电镜、能谱分析以及疲劳寿命测试等方法,研究了495 ℃/1 h和8 h固溶处理对2E12T₄铝合金微观组织和疲劳性能的影响。实验结果表明,延长固溶处理时间可显著减少基体中可溶的Al₂CuMg残留相数量,提高合金元素的过饱和固溶度,因而,自然时效后合金强度相应增加。试样自由表面上的大尺寸残留相在疲劳加载过程中,通过自身断裂或与基体脱粘的两种方式优先诱发疲劳裂纹萌生;并且,这些大尺寸残留相还起到促进疲劳裂纹扩展和连接的作用,导致疲劳辉纹形成时发生开裂形成二次裂纹,因而,延长固溶处理时间减少大尺寸残留相数量可提高2E12铝合金的疲劳寿命。     

镍基单晶合金黏塑性行为的微力学模型

考虑镍基单晶合金细观两相共格的微组织结构特点,采用周期性胞元假设,在胞元不同区域构建其三维应力应变解析模型,并针对细观胞元中位错的增殖、攀移、切割及恢复等主要机制建立其黏塑性应变模型,二者结合较全面地模拟了镍基单晶合金SC16和DD3在1123 K和1033 K下的单调拉伸、蠕变及循环特性.根据模拟结果,对黏塑性应变模型中各个位错机制所起的作用及控制方式进行了具体分析,通过与试验曲线比较,得到了较一致的结果.      

TC21细晶钛合金TIG焊接接头组织及力学性能研究

开展了不同晶粒尺寸的细晶粒TC21钛合金的TIG焊接实验,研究了母材及接头组织和力学性能。结果表明：细晶粒TC21钛合金TIG焊接接头抗拉强度达到母材的95％左右,焊接性较好;但是焊接接头脆化严重,伸长率和断面收缩率均较低。焊缝中心和热影响区组织相似,为α’马氏体组织。相同焊接规范下,21μm的细晶TC21合金焊缝及热影响区为片状或长粒状α’组织;而7μm的细晶TC21合金接头中α’丛的尺寸较小且相互交错,形成针状或短粒状α’组织。硬度测试表明：靠近母材的热影响区细晶区存在一个软化区,该区域硬度最低,而焊缝中心与热影响区粗晶区分界处（细晶过渡区（FTZ））也存在硬度的下降,不过此区域下降幅度不大。常温拉伸断口呈准解理断裂特征,随着母材晶粒度的增大,焊接接头解理特征越明显。     

Ho_2O_3掺杂对原位合成HoAl-Al_2O_3/TiAl复合材料显微组织及性能的影响

采用固态置换反应原位合成工艺,利用Al—Ti—TiO2-Ho2O3体系的放热反应合成了HoAl-Al2O3／TiAl复合材料。利用XRD和SEM分析了Ho2O3掺：枭对原位合成HoAl,Al2O3颗粒强化钛铝基复合材料显微组织的影响,探讨了稀土氧化物（Ho2O3）的细化机制。测试了力学性能。结果表明：Al—Ti—TiO2-Ho2O3系原位合成的HoAl-Al2O3／TiAl复合材料由TiAl,Ti3Al,Al2O3以及HoAl相组成;HoAl金属间化合物弥散分布于基体晶粒和Al2O3颗粒交界处,限制颗粒长大,细化基体晶粒与Al2O3,颗粒,同时提高了HoAl,Al2O3颗粒在基体中的分散度;Ho2O3的引入改善了复合材料的力学性能。     

变形温度和冷却速度对TA15合金组织性能的影响研究

本项目研究了变形温度、冷却速度对原始坯料为片状组织的TA15合金显微组织和性能的影响.随着变形温度(1080-930℃)的降低,及变形后冷却速度(空冷～水冷)的加快,TA15合金的室温抗拉强度、延伸率及断面收缩率均呈上升趋势.β区变形的镦粗试样为片状组织,在大变形区和自由变形区,1080℃变形时β晶粒的动态再结晶程度比1 030℃高.两相区变形镦粗试样的显微组织为过渡型组织,难变形区和大变形区及自由变形区组织差别较大.     

EB-PVD工艺制备Ti/Ti-Al超薄多层复合材料的微观结构与性能研究

利用大功率电子束物理气相沉积(EB-PVD)技术制备了Ti和Ti-48at%Al交替蒸发沉积形成的金属/金属间化合物型多层材料薄箔.研究了靶基距、微观结构参数及试样在制备材料的选取位置对其性能的影响,考察了Ti/Ti-Al微叠层材料在不同温度下的拉伸性能,结果表明材料的室温脆性得到了明显改善,高温下由于金属间化合物层的反常强化作用,使材料在500～800 ℃之间的性能较为理想.