International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials

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2022年第29卷第9期

基于摩擦挤压增材制造的Al–Mg–Si合金平直状界面组织非均质性和结合强度

唐文珅, 杨新岐, 田超博, 徐永生

封面故事：封面展示了固相摩擦挤压增材制造技术的工艺原理和在航天制造领域的潜在应用。摩擦挤压增材制造技术利用摩擦堆焊原理使得消耗棒料在工具轴肩的摩擦挤压及剪切变形作用下实现金属材料的沉积过程，在打印状态下就可获得完全致密无内部缺陷且呈细小等轴状的增材组织。摩擦挤压增材制造工艺具有固相属性、高沉积速率以及可实现增材路径自由设计等显著优点，为制备大尺寸高性能铝镁合金增材构件提供了新途径，有望解决航空航天应用领域所面临的大尺寸、高性能复杂轻合金承力构件一体化高效制造的难题。

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特约综述

智能矿石拣选技术及设备的发展综述

罗仙平, 何坤忠, 张燕, 何鹏宇, 张永兵

2022, 29(9): 1647-1655. doi: 10.1007/s12613-022-2477-5

中文摘要(3495) PDF(411) SpringerLink

摘要:
在世界矿石资源日益贫细杂化、市场竞争日益激烈和环境污染问题严重的背景下，矿业发展受到了强烈制约。智能拣选设备的发展可以提高资源的利用率，提高企业的经济效益，增加入选矿石品位、降低磨矿成本及尾砂生产量。智能拣选设备的长期应用发现影响分选效率的因素主要有矿石信息识别技术、设备分选执行机构、信息处理算法等。这些因素的精确、高速运行是智能拣选设备分选效率的保障。近几年来，智能拣选设备的发展也取得了许多成果。根据矿物的特征信息不同，为了保证设备选别的精确性的同时提高设备分选效率，进而相继研发了颜色分选机、X射线透射分选机（XRT）、双能X射线透射分选机（DE-XRT）、X射线荧光分选机（XRF）以及近红外分选机（NIR）等。随着矿业自动化脚步的不断推进，在线元素快速分析系统将成为未来智能拣选设备发展的必然趋势。激光诱导击穿光谱技术（LIBS）、瞬发γ中子活化分析技术（PGNAA）、在线傅立叶变换红外光谱技术（FTIR）、核磁共振（MR）技术及信息处理算法，如峰面积法、主成分分析法、人工神经网络法、偏最小二乘法（PLS）、蒙特卡洛谱库最小二乘法等的应用和提升，将使智能拣选选矿设备的发展步入一个新的台阶。

特约综述

钛铁矿浮选药剂种类及其作用机制综述

蔡教忠, 邓久帅, 王亮, 胡明振, 徐宏祥, 侯孝安, 吴伯增, 李世美

2022, 29(9): 1656-1669. doi: 10.1007/s12613-021-2380-5

中文摘要(1565) PDF(176) SpringerLink

摘要:
钛是一种重要的工业金属，被广泛用于航天航空、军事以及医疗等领域，而钛铁矿是自然界中提取钛的最重要矿物之一。实现钛铁矿与脉石矿物的高效分离及提高钛回收率，对于保障国家钛资源供应链安全具有重要意义。传统“重、磁、电”分选方法很难实现微细粒级钛铁矿的高效回收利用，为提高资源利用率，选矿厂已重视应用浮选法来回收钛铁矿。浮选法是基于矿物表界面性质差异而对矿物进行分选的方法，所以不同种类的浮选药剂基团与不同pH下的钛铁矿表面Ti和Fe位点间的相互作用差异对钛铁矿浮选行为有很大影响。本文总结了钛铁矿表面性质、浮选药剂种类及其与钛铁矿表面作用机制的研究进展。钛铁矿表面Fe位点活性大于Ti位点，采用氧化方法对Fe位点进行改性，同时利用不同价态Fe位点与捕收剂吸附能差异，能有效提高钛铁矿浮选指标；油酸钠、羟肟酸、磷酸等种类的捕收剂对钛铁矿的捕收能力和作用机制不尽相同；钛铁矿抑制剂主要通过其与脉石矿物表面的钙镁发生络合作用而使脉石矿物亲水；不同种类浮选药剂的组合，特别是活化剂与捕收剂之间的组合，突破了传统组合药剂观念，有助于用于钛铁矿浮选的新型组合药剂的研发。对钛铁矿表面Fe和Ti位点活性的针对性调控、合成含有多种传统捕收剂特征基团的新药剂及更多种类药剂间的组合，将是未来钛铁矿高效活化浮选的发展方向。

特约综述

循环流化床粉煤灰基生态水泥的力学性能、膨胀性和流变性研究进展

张未, 刘晓明, 张增起

2022, 29(9): 1670-1682. doi: 10.1007/s12613-021-2403-2

中文摘要(1089) PDF(96) SpringerLink

摘要:
循环流化床粉煤灰是电厂循环流化床锅炉在燃煤发电过程中排放的副产物，其长期堆存不仅占用土地空间，还存在污染环境的隐患。循环流化床粉煤灰应用于建筑材料具备降本增效和低碳环保的特点，近年来，利用循环流化床粉煤灰制备水泥是当前研究的热点。本文介绍了循环流化床粉煤灰的理化特性，分类总结了掺入循环流化床粉煤灰对水泥力学性能、膨胀性和流变性影响的研究进展，重点论述了循环流化床粉煤灰对生态水泥抗压强度、体积膨胀和流变特性的影响机理，系统地探讨了现有循环流化床粉煤灰在水泥中应用的优缺点，并对其今后的利用途径和方法进行了展望，提出了利用循环流化床粉煤灰中f-CaO补偿水泥硬化体体积收缩的新途径，介绍了循环流化床粉煤灰制备低成本、高耐久、高环保水泥的新技术。

特约综述

电沉积制备高熵合金的综述

Zahra Shojaei, Gholam Reza Khayati, Esmaeel Darezereshki

2022, 29(9): 1683-1696. doi: 10.1007/s12613-022-2439-y

中文摘要(8513) PDF(557) SpringerLink

摘要:
高熵合金(HEAs)适用于需要优异机械、腐蚀、热和磁性能的工程应用。在过去十年中，电沉积已成为一种很有前途的 HEA 合成技术。研究的重点是工艺参数对不同 HEA 层沉积的影响及其微观结构对腐蚀和磁性能的影响。本文对当前文献进行回顾并提供了关于 HEA 以及使用直接和脉冲电沉积合成这些材料的综合信息。同时阐述了通过电沉积生产 HEA 的研究空白，例如在基于 HEA 的复合结构中使用其他陶瓷颗粒代替氧化石墨烯。

研究论文

木质素磺酸钙在磷灰石和白云石浮选体系中的作用机理

冯博, 张良柱, 张文谱, 汪惠惠, 高志勇

2022, 29(9): 1697-1704. doi: 10.1007/s12613-021-2313-3

中文摘要(1558) PDF(97) SpringerLink

摘要:
由于磷灰石和白云石的物理化学性质相似，这两种矿物的分离比较困难。因此，在使用浮选法进行这种分离时，有必要寻找选择性抑制剂。以木质素磺酸钙为抑制剂，对磷灰石和白云石的分离行为进行了试验研究，并对其分离机理进行了分析。结果表明，木质素磺酸钙对磷灰石和白云石均有抑制作用，但在相同用量下，对白云石的抑制作用更强。机理分析表明，木质素磺酸钙对白云石的吸附能力高于对磷灰石的吸附能力，这是由于木质素磺酸钙与白云石上的钙位点反应强烈所致。此外，木质素磺酸钙与白云石之间存在氢键，这进一步阻止了油酸钠对白云石的吸附，从而大大抑制了白云石的浮选。

研究论文

硫酸固化–浸出含钛高炉渣回收钛、铝、镁并分离硅

王龙, 陈良, 刘维燥, 张国权, 唐盛伟, 岳海荣, 梁斌, 罗冬梅

2022, 29(9): 1705-1714. doi: 10.1007/s12613-021-2293-3

中文摘要(1254) PDF(98) SpringerLink

摘要:
本研究采用了一种节能路线处理含钛高炉渣，即低温硫酸固化，低浓度硫酸溶液浸出的方法同时提取钛、铝、镁。系统地研究了硫酸固化–浸出含钛高炉渣的工艺参数，在最佳条件下钛、铝、镁的回收率分别达到85.96%、81.17%、93.82%。采用快速浸出模型，限制硅的溶解和聚合，硅的溶出率仅3.18%。研究了硫酸固化-浸出的机理。在硫酸固化过程中反应快速发生并急剧放热，在氢离子的进攻下，渣的结构被破坏，硅酸盐解聚形成可滤性二氧化硅，钛、铝、镁、钙离子被置换形成硫酸盐包裹在无定型二氧化硅颗粒表面。浸出液中钛、铝、镁得到回收，浸出残渣中富集硫酸钙和二氧化硅。该方法有效避免浸出过程硅溶胶的形成，固液分离得到加速。

研究论文

利用二元低共熔碳酸盐从模拟废旧锂离子电池火法渣中提取锂

党辉, 常志东, 周花蕾, 马思航, 李敏, 向佳玲

2022, 29(9): 1715-1721. doi: 10.1007/s12613-021-2366-3

中文摘要(1768) PDF(113) SpringerLink

摘要:
从废旧锂离子电池（LIBs）的火法渣中有效和低温提取锂仍然是一个巨大的挑战。在本工作中，将碳酸钾/碳酸钠（K₂CO₃/Na₂CO₃）作为焙烧剂用于火法渣中锂的提取，其中K₂CO₃和Na₂CO₃能够在720℃下形成低共熔盐。通过K₂CO₃/Na₂CO₃焙烧然后水浸成功地将锂从渣中提取出来。理论计算结果表明，K⁺/Na⁺吸附后Li–O键的长度增加。在K₂CO₃/Na₂CO₃焙烧后，Li⁺容易从LiAlSi₂O₆的晶格中释放出来。热重–差示扫描量热法结果表明，在720°C时可以观察到K₂CO₃和Na₂CO₃的低共熔现象，在720°C以上，炉渣和低共熔熔盐开始发生反应。X射线衍射结果表明，渣中的Li⁺被K₂CO₃中的K⁺交换，同时形成KAlSiO₄，而Na₂CO₃主要起到助熔剂的作用。在焙烧温度为740℃、焙烧时间为30 min、浸出温度为50℃、浸出时间为40 min、水/焙烧样品质量比为10：1的条件下，锂的提取率最高达到93.87%。这项工作提供了一种从废旧锂离子电池的火法渣中提取锂的新体系。

研究论文

废旧电路板的热解行为及燃烧动力学

严康, 刘重伟, 刘丽萍, 熊民, 陈炯彤, 张忠堂, 衷水平, 徐志峰, 黄金堤

2022, 29(9): 1722-1732. doi: 10.1007/s12613-021-2299-x

中文摘要(924) PDF(75) SpringerLink

摘要:
对废旧电路板进行高效的资源化利用，不仅可以节约资源，还可以减少其对环境的污染。本文通过热重法和高斯拟合分析相结合的方法，研究了废旧电路板在不同气氛下的热解行为和燃烧特性。通过热重–傅里叶变换红外技术和热重–质谱分析技术对废旧电路板的热解产物和燃烧过程进行了分析。研究结果表明：废旧电路板的热解和燃烧过程不是单一反应，而是由多个反应重叠的过程；采用高斯峰拟合方法将热解燃烧过程划分为多个反应过程。在氩气气氛下，热解过程包括环氧树脂预热解、有机小分子热解和溴化阻燃剂热解的多个反应重叠过程。在氧气气氛下，热解过程主要分为溴化阻燃燃烧和环氧树脂燃烧两种反应。研究通过分峰拟合和Coats–Redlfern求取了不同气氛下每个反应的反应机理和动力学参数，为废旧电路板热解过程的污染控制、工艺优化和反应器设计提供理论依据。

研究论文

添加Zr和Mn对Mg–2.5wt%Cu–Xwt%Zn (X = 2.5、5和6.5)合金组织和性能的影响

A.V. Koltygin, V.E. Bazhenov, I.V. Plisetskaya, V.A. Bautin, A.I. Bazlov, N.Y. Tabachkova, O.O. Voropaeva, A.A. Komissarov, V.D. Belov

2022, 29(9): 1733-1745. doi: 10.1007/s12613-021-2369-0

中文摘要(2735) PDF(81) SpringerLink

摘要:
本工作研究了添加量小于1wt%的Zr和Mn对含2.5wt% Cu和2.5wt%–6.5wt% Zn的Mg–Zn–Cu合金的显微组织、力学性能、铸造性能和耐腐蚀性能的影响。通过对硬度和电导率的测量研究，找出具有最佳力学性能的最佳热处理方案。研究表明，由于Zr具有较强的晶粒细化效应，使得合金的屈服强度显著提高。然而，Mn和Zr的存在对合金的断裂伸长率有不利影响。研究结果表明，合金结构中Mg₂Cu阴极相的析出对腐蚀行为产生了负面影响。然而，添加Mn降低了所研究合金的腐蚀速率。当铜含量为2.5wt%，锌含量为5wt%时，合金的力学性能、铸造性能和腐蚀性能得到了最佳的组合。而Mn或Zr的添加可以改善合金的性能；例如，添加Mn或Zr会增加合金的流动性。

研究论文

微量Y对Mg–2Zn–0.1Mn–0.3Ca–xY生物镁合金显微组织、力学性能及腐蚀行为的影响

祁明凡, 魏亮瑜, 徐玉召, 王瑾, 刘爱森, 郝冰, 王继成

2022, 29(9): 1746-1754. doi: 10.1007/s12613-021-2327-x

中文摘要(2336) PDF(34) SpringerLink

摘要:
研究了添加微量Y元素对Mg–2Zn–0.3Ca–0.1Mn–xY(x = 0，0.1，0.2，0.3)生物镁合金显微组织、力学性能和耐蚀性能的影响。结果表明，当Y含量从0wt%增加到0.3wt%时，晶粒尺寸从310 μm下降至144 μm，第二相体积分数从0.4%增长至6.0%，合金的屈服强度不断提高，抗拉强度和伸长率均先降低后升高。当Y元素含量提高到0.3wt%时，合金中开始析出Mg₃Zn₆Y相，且合金具有最优异的力学性能，其抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为119 MPa、69 MPa和9.1%。另外，Y含量为0.3wt%时，Mg–2Zn–0.3Ca–0.1Mn–xY合金在模拟体液中表现出最优耐蚀性能。力学性能和耐蚀性能的提高主要归功于晶粒细化和析出的Mg₃Zn₆Y相。

研究论文

基于摩擦挤压增材制造的Al–Mg–Si合金平直状界面组织非均质性和结合强度

唐文珅, 杨新岐, 田超博, 徐永生

2022, 29(9): 1755-1769. doi: 10.1007/s12613-022-2506-4

中文摘要(3027) PDF(95) SpringerLink

摘要:
实现增材路径自由成形的固相摩擦增材制造是一种具有较大发展潜力的创新金属近净成形制造技术，为快速制备高性能大尺寸轻合金构件提供了新的途径。本文采用自主研制的能够实现主动送料的固相摩擦增材制造设备和无特征工具轴肩，针对6061铝合金进行摩擦挤压增材制造工艺（Friction extrusion additive manufacturing, FEAM）试验，成功制备出单层沉积厚度约为4 mm 的单道双层增材试样，并对增材试样界面成形特征、沉积态和热处理态组织结构（晶粒尺寸及结构、沉淀相、织构）以及结合强度进行探究和分析。研究结果表明，工具轴肩转速为600 r/min，沉积速度为300 mm/min时施加的摩擦挤压与剪切变形作用较弱，增材层间结合界面呈平直状。沿增材试样厚度累积方向组织呈现明显非均匀性，其中增材层间摩擦界面晶粒细化最为显著（4.0 μm），并出现明显择优取向，主要沉淀相在增材过程中几乎全部溶解，使得这一区域硬度最低。经历一次热循环和塑性变形的沉积层出现较强的再结晶织构Cube，而经历两次热循环和塑性变形的沉积层晶粒主要以P织构和近Goss取向为主。沉积态和热处理态增材试样沿其厚度累积方向的抗拉强度分别能够达到6061-T651铝合金挤压棒材的57%和82.9%。

研究论文

工艺参数和时效处理对选区激光熔化AlSi8Mg3合金组织和力学性能的影响

耿遥祥, 唐浩, 许俊华, 侯裕, 王宇鑫, 何震, 张志杰, 鞠洪博, 喻利花

2022, 29(9): 1770-1779. doi: 10.1007/s12613-021-2287-1

中文摘要(1035) PDF(57) SpringerLink

摘要:
选区激光熔化（SLM）技术可实现复杂金属零部件的直接近净成形，在航空航天等领域具有广阔的应用空间，然而目前SLM成形Al–Si–Mg合金主要基于传统铸造合金成分，强度较低，缺乏针对SLM技术熔体急冷特点的专用Al–Si–Mg合金新成分的设计。基于此，本研究针对SLM的技术特点，通过增加合金中镁元素的含量，设计了SLM专用高镁含量AlSi8Mg3合金新成分，并系统研究了工艺参数和时效处理对选区激光熔化AlSi8Mg3合金组织和力学性能的影响。结果表明，AlSi8Mg3样品具有良好的SLM加工性能，合金的最低孔隙率为0.07%。在高激光功率（190 W）下制备的样品中，由于在SLM加工过程中高强度本征热处理导致Mg₂Si纳米粒子从α-Al基体中析出，使得样品具有较高的Vickers硬度。样品的最大显微硬度和压缩屈服强度分别达到HV（211 ± 4）和（526 ± 12）MPa。经150°C时效处理后，由于纳米析出相数量的增多，样品的最大显微硬度和压缩屈服强度分别提高到HV（221 ± 4）和（577 ± 5）MPa，远高于目前已知大多数SLM成形的铝合金。本研究为优化SLM成形Al–Si–Mg合金的力学性能提供了新的思路。

研究论文

多次激光冲击对电子束熔化成形Ti–6Al–4V合金的微观组织及力学性能的影响

兰亮, 辛如意, 金鑫源, 高双, 何博

2022, 29(9): 1780-1787. doi: 10.1007/s12613-021-2322-2

中文摘要(1342) PDF(72) SpringerLink

摘要:
激光冲击强化作为一种先进的表面处理技术，利用强激光束产生等离子冲击波，可用来提升增材制造金属构件的力学性能。然而，激光冲击对增材制造金属构件力学性能的影响机制仍不清晰。本文研究了多次激光冲击对电子束增材制造（EBM）Ti–6Al–4V钛合金的微观组织及力学性能的影响。系统地分析了多次激光冲击前后电子束增材制造Ti–6Al–4V钛合金试样的微观组织、表面形貌、残余应力及拉伸性能。通过x射线计算机断层扫描三维成像技术分析了激光冲击前后电子束成形试样的内部孔隙分布。研究结果表明，经过两次激光冲击强化处理，可以降低电子束成形Ti–6Al–4V合金试样内部孔隙，细化表层晶粒；两次激光冲击强化后试样抗拉强度提升了12%。此外，试样表层应力状态发生改变，表层产生的最大残余压应力达到419 MPa，影响层深度达到700 μm。多次激光冲击提升EBM成形钛合金力学性能的强化机制可归结为α相的晶粒细化与较深的残余压应力层的形成。

研究论文

Nb纳米催化剂改善氢化镁的优异储氢性能

Farai Michael Nyahuma, 张刘挺, 宋孟臣, 陆雄, 肖蓓蓓, 郑家广, 吴富英

2022, 29(9): 1788-1797. doi: 10.1007/s12613-021-2303-5

中文摘要(3036) PDF(172) SpringerLink

摘要:
氢能，一种高效的可再生能源，其大规模应用是实现碳达峰碳中和目标的重要途径。作为最具潜力的固体储氢材料之一，氢化镁（MgH₂）具有储氢量高（7.6wt%）、可逆性好等优点而备受关注，但其仍存在热力学性能稳定和动力学性能缓慢的瓶颈问题。本文探讨了通过表面活性剂辅助球磨技术（SABM）制备的Nb纳米催化剂对MgH₂储氢性能的优异改性效果。通过比较不同MgH₂–ywt%Nb（y = 0, 3, 5, 7, 9）复合材料的起始放氢温度、放氢容量和反应速率，确定了最佳的催化剂掺杂浓度。MgH₂–5wt%Nb复合材料在186.7℃开始释放氢气，在脱氢过程中共释放了7.0wt%的氢气。此外，完全放氢的样品在100℃下30分钟内能吸收4.0wt%的氢气。循环测试结果显示，MgH₂–5wt%Nb在20次循环后可以保持6.3wt%的H₂容量（89.2%）。在MgH₂中掺入Nb后，脱氢和加氢活化能值分别从140.51±4.74和70.67±2.07 kJ·mol⁻¹降至90.04±2.83和53.46±3.33 kJ·mol⁻¹。显微结构分析证明均匀分布的NbH作为活性催化单元，提高了MgH₂的储氢性能。

研究论文

Co²⁺取代钙钛矿结构B位对Bi_0.5(Na_0.68K_0.22Li_0.10)_0.5TiO₃陶瓷相形成、显微组织、电学和磁学性能的影响

Pamornnarumol Bhupaijit, Chonnarong Kaewsai, Tawat Suriwong, Supree Pinitsoontorn, Surirat Yotthuan, Naratip Vittayakorn, Theerachai Bongkarn

2022, 29(9): 1798-1808. doi: 10.1007/s12613-021-2345-8

中文摘要(968) PDF(58) SpringerLink

摘要:
通过固态燃烧技术制备Bi_0.5(Na_0.68K_0.22Li_0.10)_0.5Ti_1–xCo_xO₃ 无铅钙钛矿陶瓷（BNKLT–xCo, x = 0, 0.005, 0.010, 0.015, 0.020）。因少量Co²⁺离子置换到 Ti 位点而导致 BNKLT 陶瓷的相组成、微观结构、电学和磁学性能发生改变。使用 X 射线衍射 (XRD) 发现在所有样品中菱面体和四方相共存。 Rietveld 结果表明，当 x 从 0 增加到 0.020 时，菱面体相比例从 39% 增加到 88%。当 x 增加时，平均晶粒尺寸增加。随着 x 的增加，产生了更多的氧空位，导致双极应变（S–E）磁滞回线不对称。x = 0.010 时，介电常数 (ε_m) 达到5384，应变 (S_max)达到0.23%，归一化应变 ($\left({d}_{33}^{*}\right) $) 为 460 pm·V^–1。 50 K温度下，BNKLT–0Co 陶瓷表现出抗磁行为，但所有 BNKLT–xCo 陶瓷表现出顺磁行。

研究论文

共沉淀法制备的含Sm₂O₂S钐铈复合物的表征及紫外–可见光屏蔽性能

李艳平, 边雪, 靳珣, 岑鹏, 吴文远, 付高峰

2022, 29(9): 1809-1816. doi: 10.1007/s12613-021-2309-z

中文摘要(826) PDF(20) SpringerLink

摘要:
氧化铈是一种应用比较广泛的无机紫外屏蔽剂，但是太阳光中的成分不只是紫外线会对人体产生伤害，400–450 nm之间的高能短波蓝光也会对人的皮肤或者眼睛产生一定的伤害，所以，本文旨在制备一种既能屏蔽紫外光又能屏蔽高能短波蓝光的光屏蔽剂。本文通过共沉淀法合成了含有Sm₂O₂S的钐铈复合物。这种复合物不仅可以阻挡紫外光，还可以阻挡蓝光。钐铈复合物的平均透射率(360–450 nm)和禁带宽度最小值分别为8.90%和2.76 eV，低于CeO₂的13.96%和3.01 eV。元素分析 (EA)、X 射线衍射 (XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和拉曼光谱(Raman)确定了实验中制备的钐铈复合物样品由Ce₄O₇、Sm₂O₂S、Sm₂O₃和Sm₂O₂SO₄组成。通过扫描和透射电子显微镜(SEM和TEM)分析了钐铈复合物样品的微观结构。 X射线光电子能谱(XPS)表明，铈元素具有Ce³⁺和Ce⁴⁺两种价态，氧元素具有晶格氧和氧空位两种存在形式。Sm³⁺和Ce³⁺在氧化铈晶格中的掺杂以及氧空位的存在是导致钐铈复合物具有较小的禁带宽度以及优异的紫外–可见光屏蔽性能的重要原因。