International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials

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社论

序言：凝心聚力三十载，鼎新强刊创一流

Aixiang Wu

2024, 31(5): 825-825. doi: 10.1007/s12613-024-2886-8

中文摘要(246) PDF(13) SpringerLink

摘要:

研究论文

面向可持续发展的低合金化高性能固溶强化铜合金的元素替代设计

李嘉强, 张洪涛, 孙竟泰, 付华栋, 谢建新

2024, 31(5): 826-832. doi: 10.1007/s12613-024-2870-3

中文摘要(444) PDF(26) SpringerLink

摘要:
固溶强化铜合金具有成分和制造工艺简单、力学与导电综合性能高、成本低等优点，被广泛应用于高铁轨道接触线、电子元器件接插件等领域。突破低合金化和高性能化之间的矛盾，是固溶强化铜合金开发面临的一个重要挑战。本研究以典型固溶强化Cu–4Zn–1Sn合金为研究对象，提出采用In元素替代Zn和Sn元素实现低合金化的思路，设计并制备了Cu–1.5Zn–1Sn–0.4In和Cu–1.5Zn–0.9Sn–0.6In两种新型合金，合金元素的总含量分别降低43%和41%，而退火态的抗拉强度（UTS）和导电率（EC）的乘积分别提升14%和15%。经90%变形量冷轧后，两种新合金的UTS分别达到576 MPa和627 MPa，EC导电率分别为44.9%IACS和42.0%IACS，UTS与EC的乘积比退火态合金提升了97%和99%。冷轧态合金中位错大量增殖，位错强化效果分别达到332 MPa和356 MPa，是力学性能显著提升的主要原因。

研究论文

轧制参数对共析珠光体钢轨奥氏体再结晶行为的影响

冯海玻, 李少华, 王轲霄, 高军恒, 汪水泽, 赵海涛, 韩振宇, 邓勇, 黄禹赫, 毛新平

2024, 31(5): 833-841. doi: 10.1007/s12613-023-2805-4

中文摘要(479) PDF(48) SpringerLink

摘要:
铁路向高速、重载的发展方向对轨道钢强韧性提出了更高的要求。而通过调控轧制工艺，细化奥氏体晶粒被认为是可以同时提高轨道钢的强度和韧性的有效途径。本文通过热模拟试验机，研究了应变速率恒定时，不同轧制压下量及轧制温度对奥氏体再结晶行为的影响，并分析了不同条件下，应变分配对奥氏体晶粒尺寸的影响规律。结果表明，单道次热轧过程中，奥氏体再结晶程度及再结晶晶粒尺寸随轧制温度的增加而增加，这使得平均奥氏体晶粒尺寸随轧制温度的增加呈现先减小后增加的趋势。三道次热轧过程中，在未完全再结晶条件下，部分变形量移至终轧道次有助于提高再结晶程度，促进晶粒细化；而在完全再结晶条件下，平均奥氏体晶粒尺寸仅随终轧道次轧制温度的降低而降低。并提出在保证完全再结晶的条件下，将部分低温区域压下量移至高温区域进行，有助于降低轧机负载且对最终晶粒细化没有明显影响。

特约综述

镁及镁合金箔材的研究进展

沈秋燕, 巴永兴, 张鹏, 宋江凤, 蒋斌, 潘复生

2024, 31(5): 842-854. doi: 10.1007/s12613-024-2846-3

中文摘要(1198) PDF(42) SpringerLink

摘要:
镁及镁合金箔具有优异的比阻尼、内耗散系数、磁导率和电导率，以及较高的理论比容量，在电池负极、电磁屏蔽、光学声学和生物等领域具有巨大的应用潜力。然而，镁合金的密排六方晶体结构使其变形能力较差，制备厚度小于0.1 mm的镁及镁合金箔材很困难。这是因为高温下的表面氧化和晶粒长大，或者冷轧后严重的各向异性导致裂纹产生。目前，许多方法用于制备镁合金箔材，主要包括温轧、冷轧、累积叠轧、电塑性轧制和在线加热轧制。镁及镁合金箔材在制备过程中产生的边裂、断带等缺陷是需要考虑的重要因素。本文从镁及镁合金箔材的制备、缺陷控制、性能表征及应用前景等方面综述了其研究现状，分析了不同制备方法的优缺点以及箔材制备过程中的缺陷(边裂和断带)机理。

研究论文

ZnO纳米结构的设计与钙钛矿光吸收调制

司浩楠, 赵璇, 廖庆亮, 张跃

2024, 31(5): 855-861. doi: 10.1007/s12613-023-2808-1

中文摘要(354) PDF(20) SpringerLink

摘要:
光刻技术是一种关键的微纳加工技术，可以实现微纳尺度的精确制造，在电子、信息、能源、催化等领域发挥着重要的作用。本文旨在构建高质量的图案化氧化锌纳米结构，通过优化光刻工艺参数，成功制备了线形和孔洞排列的氧化锌纳米棒阵列。图案化氧化锌阵列高度可调且密度可控，其三维空间结构与大比表面积增加了光捕获能力与电荷输运性能，有助于实现钙钛矿太阳能电池的高效能量转换。光刻工艺的有效管理对于设计和制造具有出色性能的复杂纳米结构和器件提供重要指导。

究论文

压剪耦合作用下浓缩尾砂流变特性及浓度演化规律

吴爱祥, 王珍岐, 阮竹恩, Raimund Bürger, 王少勇, 莫逸

2024, 31(5): 862-876. doi: 10.1007/s12613-024-2832-9

中文摘要(612) PDF(51) SpringerLink

摘要:
膏体充填是金属矿绿色开采的关键技术，其中尾砂浓密是膏体充填的首要环节，流变学是尾砂浓密的理论基础。然而，因尾砂超细而出现絮凝困难和底流浓度不达标的情况。自主研发了一套高压力下的浓缩尾砂脱水实验装置，该实验装置最高可输出30 kPa的压力，与真实浓密机的底部压力相近，突破了传统室内浓密实验只能进行低压力范围下（<1 kPa）的浓缩尾砂流变特性和浓度演化规律的局限性，同时也解决了传统浓密床层压缩屈服应力表征困难的问题。该套实验装置可以开展单独剪切、单独压缩以及压剪耦合等不同工况下的浓缩尾砂流变特性和浓度的演化规律研究。利用上述实验装置，开展了单独剪切、单独压缩和压剪耦合作用下的浓缩尾砂的流变特性和浓度演化规律的测试，测试的最高压力达到27 kPa。研究结果表明，压剪耦合作用下的浓缩尾砂的剪切屈服应力随压缩屈服应力的增长而增加，而单独剪切作用下的剪屈服应力变化较小。在不同的浓密条件下，浓缩尾砂的剪切屈服应力从低到高的顺序是单独剪切、单独压缩和压剪耦合。在压剪耦合作用下，浓度首先随着压缩屈服应力的增长而迅速增加，然后缓慢增加，而在单独剪切作用下浓度变化不明显。在不同的浓密条件下，浓度从低到高的顺序是单独剪切、单独压缩和压剪耦合。因此，浓密机采用深锥高泥层压力和耙架剪切力的耦合结构可以大幅度提高浓密机浓密效率和效果。最后从絮团结构以及导水通道演化的角度对浓缩尾砂的脱水机理进行了分析。

特约综述

高熵合金局域化学有序及变形机制的透射电子显微学表征

刘秋宏, 杜清, 张晓宾, 吴渊, Andrey A. Rempel, 彭祥阳, 刘雄军, 王辉, 宋温丽, 吕昭平

2024, 31(5): 877-886. doi: 10.1007/s12613-024-2884-x

中文摘要(1463) PDF(63) SpringerLink

摘要:
基于高熵理念而设计的高熵合金具有不同于传统合金的独特的力学性能。近些年的研究表明，高熵合金最重要的特征之一是其具有短程有序结构。然而，短程有序结构具有尺寸小、成分复杂、位置多样的特点，导致其化学成分和结构分析非常困难。同时，如何调控短程有序结构的形成进而改善高熵合金的力学性能也是极大的挑战。透射电子显微镜结合球差校正技术是精准表征材料微观组织结构的强有力工具，应用不同的透射电子显微镜技术不仅可以表征高熵合金中的短程有序结构并揭示其形成机制，而且可以辅助调控高熵合金的性能。基于此，本文综述了近年来先进透射电子显微镜技术在高熵合金短程有序结构表征领域的最新进展，并根据短程有序结构形成方式的不同，对证明短程有序结构存在的表征手段分别进行了总结，阐明了短程有序结构对高熵合金变形机制的影响，最后展望了先进透射电子显微镜技术在高熵合金中的应用前景。

研究论文

用于前交叉韧带重建的生物可降解带袢锌板的体外性能

王婷, 石章智, 钟宏勇, 李相民, 孙金岭, 殷唯, 纪晓静, 王强, 赵安琪, 王鲁宁

2024, 31(5): 887-898. doi: 10.1007/s12613-024-2889-5

中文摘要(398) PDF(23) SpringerLink

摘要:
膝关节前交叉韧带（ACL）损伤是最常见且严重的运动损伤之一，皮质悬吊固定是重建韧带移植物时常用的股骨固定方法。然而，广泛用于韧带重建的皮质悬吊带袢板仍为不锈钢、钛合金等永久性金属，由于长期存在于体内，可能会诱发慢性炎症，且在受伤组织愈合后需要进行第二次手术移除。本研究通过热挤压制备出可降解Zn–0.45Mn–0.2Mg（ZMM42）合金，屈服强度为300.4 MPa，抗拉强度为329.8 MPa，断裂延伸率为17.6%。并且，首次提出设计用于前交叉韧带重建的可调节袢锌合金皮质悬吊带袢板（带袢锌板）。在模拟体液中浸泡35天后，ZMM42带袢锌板整体均匀降解，降解速率稳定在43 μm/a。同时，35天后ZMM42带袢锌板与牵引线的固定强度仍能达到379 N。另外，ZMM42带袢锌板能显著促进MC3T3-E1细胞的增殖和成骨分化，并对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌表现出很高的抗菌性。以上结果揭示了可降解锌合金在韧带修复临床应用中的巨大潜力，为未来开发多样化锌合金带袢锌板奠定了基础。

研究论文

基于核壳结构多孔空心碳球复合硒正极铝离子电池性能研究

雷海萍, 魏天威, 涂继国, 焦树强

2024, 31(5): 899-906. doi: 10.1007/s12613-023-2810-7

中文摘要(388) PDF(22) SpringerLink

摘要:
目前，国际上对铝离子电池的研究主要集中在高能量密度、长循环寿命正极材料的开发。与目前研究较多的石墨类正极材料相比，硒基于氧化还原反应的四电子转移理论比容量高达1357 mAh·g⁻¹，具有较高的放电平台（Se：~1.5 V）。但是现有的研究发现，铝–硒电池存在活性物质本征导电性差，中间产物易在电解质中溶解扩散导致比容量衰减的问题。本文通过半牺牲模板法以核壳结构SiO₂/间苯二酚甲醛为模板，通过水热法制备核壳SiO₂/间苯二酚甲醛@TiO₂复合材料，在N₂气氛下煅烧处理得到三维SiO₂@C@TiN，去除SiO₂后得到了三维结构的核壳C@TiN空心碳球，最后在400°C下成功负载硒得到了核壳结构多孔空心碳球复合硒正极材料Se@C@TiN。其与铝负极组成的Al-Se@C@TiN电池在1000 mA·g⁻¹电流密度下，首圈放电比容量为377 mAh·g⁻¹，循环200圈后，放电比容量保存在86 mAh·g⁻¹。性能较未改善的硒正极有所提高，归因于核壳结构多孔空心碳球的高导电性和Se@C@TiN独特的结构。

研究论文

竖直多孔定向传热型蒙脱石凝胶封装聚乙二醇用于高效太阳热能收集与储存

郭其景, 郭聪, 易浩, 贾菲菲, 宋少先

2024, 31(5): 907-916. doi: 10.1007/s12613-023-2794-3

中文摘要(440) PDF(27) SpringerLink

摘要:
利用相变材料（PCM）转换和存储光热能是利用清洁和可持续太阳能的最佳途径之一。本研究采用真空浸渍技术将聚乙二醇（PEG）封装至蒙脱石（Mt）气凝胶（3D-Mt）中，制备新型的3D-Mt/PEG复合相变材料。3D-Mt作为封装材料可以有效防止PEG泄漏，并充当阻燃屏障以降低PEG的可燃性。3D-Mt/PEG具有优异的形状稳定性、热稳定性和化学稳定性，其相变焓高达167.53 J/g，即使经过50次加热–冷却循环后仍可保持稳定。此外，3D-Mt的垂直多孔结构为定向热传输提供了通道，促进了有效的热传导，可实现快速的热响应和高效的热管理性能。本研究成功开发了具有较高机械强度、优异阻燃性和定向传热功能的3D-Mt/PEG复合相变材料，解决了相变材料的泄漏和阻燃性差的问题，为制备高性能复合相变材料提供了一种新的设计策略，在热管理和光热转换应用领域具有重大应用潜力。

研究论文

不同破坏方式下煤岩能量演化过程与结构健康监测研究

薛雅荣, 何学秋, 宋大钊, 李振雷, Majid Khan, 钟涛平, 杨菲

2024, 31(5): 917-928. doi: 10.1007/s12613-024-2822-y

中文摘要(745) PDF(48) SpringerLink

摘要:
地下工程结构失稳诱发的煤岩动力灾害严重威胁着井下相关人员的生命和财产安全，建立及时、准确的煤岩体健康状态监测方法至关重要。为了揭示地下复杂工况下煤岩体受载破坏过程的能量演化规律，在实验室条件下对煤岩试样进行了剪切、劈裂和单轴压缩实验，研究了能量参数在受载各阶段的变化特征及不同破坏方式对其的影响，在此基础上构建了基于能量耗散的煤岩结构健康评价新方法。结果表明，煤岩受载过程中其内部应变硬化与应变软化机制相互转化，对应弹性能与耗散能密度增长速率的波动；当张拉破坏占煤岩破坏方式主体时，能量在峰前表现出“高耗散、低积聚”的特点，而当剪切破坏占主体时则表现出“高积聚、低耗散”的特点；同时，不同破坏方式下煤岩失稳前耗散能均出现了加速增长的特征，并且能量耗散率与试样所处应力状态存在显著正相关关系；最后，采用数理统计方法建立了能量耗散异常指数 W，将煤岩结构的健康状况分为弱、中、强三个危险等级并提出了量化的分级标准，该方法对于不同破坏方式下的煤岩失稳具有统一的预警准则，针对地下工程复杂工况下煤岩体的结构健康监测具有适应性，可以有效反映煤岩的应力分布状态和结构稳定性。研究为旨在推动地下工程结构健康监测技术的升级与创新，为矿井智能化发展提供支撑。

研究论文

急倾斜采动煤岩联动诱冲机理研究

来兴平, 许慧聪, 单鹏飞, 胡钦鑫, 丁维熙, 杨尚同, 闫钟铭

2024, 31(5): 929-942. doi: 10.1007/s12613-024-2833-8

中文摘要(583) PDF(34) SpringerLink

摘要:
随着乌鲁木齐矿区急倾斜煤层的加速向深开采，采动煤岩结构畸变致诱冲击地压频发是进入深部后急倾斜煤层赋存矿井亟待解决的关键问题。本文从采动煤岩变形局部化角度出发，综合运用理论分析及数据挖掘等研究方法，构建了急倾斜采动夹持岩柱及煤层顶板的力学模型，得到了采深影响下急倾斜深部工作面重点致灾区域的力学响应行为；基于海量微震数据的空间相关性，厘清了急倾斜工作面推进过程中采动煤岩动力破坏的“时–空”响应关系。结果表明：(1) “夹持岩柱-B₆顶板”这个特殊的煤岩赋存结构是乌东煤矿南采区冲击致灾的源头区域。两者随采深增加均出现不同程度的变形局部化现象。(2) +502水平处为夹持岩柱出现明显挤压撬动效应的临界水平，+509水平处是顶板极限破断的临界水平。岩柱与顶板的弯曲变形和能量蓄积态势均随采深增加呈非线性急速升高。深部急倾斜采动煤岩的变形局部化现象导致倾向撬压效应与走向撬压效应在空间上叠加，加剧了“夹持岩柱-B₃₊₆煤层-B₆顶板”这一“强–弱”特殊结构的能量差异化分布及应力非对称程度，导致工作面面临频发性动力灾害的威胁。(3) 提出的高能畸变区“内–外”协同改性调控技术有效缓解了采场围岩高应力集中及能量异化态势，调控后夹持岩柱及B₆顶板区域平均视电阻率分别提高了430%及300%，有效保障了急倾斜煤层安全高效开发。

特约综述

絮凝体的基本特性及浮选规律综述

印万忠, 谢禹, 朱张磊

2024, 31(5): 943-958. doi: 10.1007/s12613-023-2786-3

中文摘要(1366) PDF(39) SpringerLink

摘要:
絮凝浮选是回收微细粒矿物最有效的方法，其本质在于絮凝体的浮选和回收。絮凝体的基本物理特性主要由其表观粒径和结构（密度和形态）决定。目前，关于絮凝体特性对颗粒沉降和水处理的影响已进行了大量研究。然而，有关絮凝体特性对浮选的影响并未得到广泛研究。本研究基于絮凝体形成和絮凝浮选，从絮凝体粒径和结构的角度概述了絮凝体的基本物理特性，并总结了絮凝体粒径和结构之间的交互作用。此外，本文深入探讨了絮凝体粒径和结构对絮凝体可浮性的影响，进一步揭示了絮凝体特性对气泡碰撞和粘附的影响，阐明了絮凝体与气泡之间相互作用的机制。总结发现，絮凝体粒径并不是影响絮凝浮选的唯一因素。在适宜的表观粒径下，结构密实的絮凝体在浮选时，与气泡碰撞、粘附的效率更高，浮选效果更好。本文旨在为絮凝浮选提供参考，以期未来能开发出更高效、精细的絮凝浮选工艺。

特约综述

富氢高炉中焦炭与H₂O的反应行为研究进展

周峰, 彭道胜, 李克江, Alberto N. Conejo, 廖昊添, 熊梓鑫, 李东涛, 张建良

2024, 31(5): 959-976. doi: 10.1007/s12613-024-2854-3

中文摘要(1530) PDF(68) SpringerLink

摘要:
富氢高炉炼铁已成为炼铁过程中减少二氧化碳排放的重要途径。用氢气替代焦炭和煤粉可降低燃料消耗和二氧化碳排放量。氢气是一种有效的还原剂，在还原铁矿石时会产生 H₂O，这对高炉焦炭的质量提出了新的要求。在富氢高炉中，H₂O促进了焦炭的溶损反应，提高了焦炭的反应性，在纯H₂O气氛中，焦炭的反应性比纯CO₂气氛中高20%–30%。焦炭与CO₂的活化能范围为110–300 kJ/mol，而焦炭与H₂O的活化能范围为80–170 kJ/mol。研究表明，CO₂和H₂O对焦炭降解机制有不同的影响。本综述回顾了当前在高炉内引入氢气对焦炭的气化行为以及降解机制的研究进展，并全面概述了H₂O对焦炭结构和性能的影响。通过探索H₂O与焦炭之间的相互作用，旨在为焦炭在富氢环境中的降解行为提供有价值的见解，促进富氢高炉炼铁工艺的进一步发展。

研究论文

Al₂O₃夹杂物在CaO–MgO–SiO₂–Al₂O₃–TiO₂系精炼渣中的溶解行为

邓志银, 张小萌, 郝广御, 魏春新, 朱苗勇

2024, 31(5): 977-987. doi: 10.1007/s12613-023-2817-0

中文摘要(586) PDF(70) SpringerLink

摘要:
在含钛铝镇静钢精炼过程中，钢液中的钛元素因钢–渣反应会向精炼渣中迁移，从而形成CaO–MgO–SiO₂–Al₂O₃–TiO₂系精炼渣，降低了钛的收得率。部分学者提出在精炼渣中添加少量TiO₂来提高钛收得率。为了揭示精炼渣中的TiO₂对夹杂物去除行为的影响规律，本文采用高温激光共聚焦显微镜观察了Al₂O₃夹杂物在含TiO₂精炼渣（w(TiO₂)= 0–10wt%）中的溶解行为，并利用扫描电子显微镜分析了Al₂O₃夹杂物与含TiO₂精炼渣的界面反应行为。研究表明，Al₂O₃夹杂物在溶解过程中，并不会在夹杂物与实验精炼渣的边界生成新的物相，且实验精炼渣中的TiO₂不会改变夹杂物的溶解机理，即边界层扩散是Al₂O₃夹杂物溶解的限制性环节。计算表明，在1450–1500°C时，边界层Al₂O₃的扩散系数在4.18 × 10⁻¹⁰和2.18 × 10⁻⁹ m²/s之间。当添加TiO₂后，精炼渣中Al₂O₃的溶解度降低。尽管如此，相比Al₂O₃的溶解度，精炼渣的黏度和温度对Al₂O₃夹杂物溶解速率的影响更大，即低黏度和低熔点的精炼渣更有利于Al₂O₃夹杂物溶解。添加适当的TiO₂（如5wt%）可以降低精炼渣的黏度和熔点，从而更有利于Al₂O₃夹杂物的溶解；而TiO₂添加过量时（如10wt%）则作用相反。

研究论文

准化学模型框架下考虑强金属–氧相互作用的钢液脱氧热力学模型

Yong-Min Cho, Youn-Bae Kang

2024, 31(5): 988-1002. doi: 10.1007/s12613-023-2766-7

中文摘要(716) PDF(102) SpringerLink

摘要:
本文建立了一个描述钢液脱氧平衡的热力学模型。该模型提供了钢液中溶质活度系数的显式形式，初步消除了求解脱氧平衡时对内部吉布斯能最小化的要求。在脱氧平衡计算与计算密集型方法(如计算流体动力学)耦合时，消除内部吉布斯能量最小化是特别有利的。该模型通过将活度系数的显式形式直接嵌入到计算代码中，实现了高效的计算。提出的热力学模型是利用准化学方法建立的，其中有两个关键近似：金属元素(铁和氧化金属)的随机混合和金属和氧作为近邻的强非随机配对。通过这些近似，准化学方法得到了溶质活度系数作为组成和温度的显式函数，而不需要最小化内部吉布斯能或单独程序的耦合。该模型成功地应用于各种元素(Al、B、C、Ca、Ce、Cr、La、Mg、Mn、Nb、Si、Ti、V、Zr)的脱氧平衡计算。还讨论了由这些假设引起的模型的局限性。

特约综述

利用连铸结晶器热监控预测钢非规则初始凝固的研究进展

李秋平, 文光华, 陈富杭, 唐萍, 侯自兵, 莫歆韵

2024, 31(5): 1003-1015. doi: 10.1007/s12613-023-2798-z

中文摘要(1648) PDF(81) SpringerLink

摘要:
连铸结晶器内偶然发生的非规则初始凝固现象，包括粘结、深振痕、凹陷和裂纹等铸坯质量问题，是目前制约高效连铸发展的重要因素。结晶器热监控系统基于在钢液初始凝固过程中传热引起的温度变化，利用热电偶测温技术对结晶器内部情况进行实时监测与评估，成为了解决非规则凝固问题的有效方法。此系统已被广泛应用于众多钢铁公司进行粘结漏钢预报，但对于凹陷、纵裂等表面质量问题的监测仍不成熟。因此，有必要通过深入研究，以发挥MTM系统的潜在优势进行结晶器内部情况的全面监控。本文总结了非规则初始凝固现象的特点，并系统综述了结晶器热监控系统对这些现象的研究现状。此外，还分析了保护渣在结晶器内部的行为对非规则初始凝固现象监测的影响。最后，讨论了非规则初始凝固现象的形成机理和监测情况的不足，并进一步探讨了未来的发展方向。

研究论文

薄带连铸热模拟过程中磷含量对界面传热及膜沉积行为的影响

王万林, 路程, 郝亮, 曾杰, 周乐君, 刘新院, 李霞, 朱晨阳

2024, 31(5): 1016-1025. doi: 10.1007/s12613-023-2763-x

中文摘要(387) PDF(24) SpringerLink

摘要:
薄带连铸高含磷钢过程中界面润湿性和传热行为至关重要。本文采用熔滴凝固技术对薄带连铸过程进行了高温模拟，旨在揭示磷含量对界面润湿性、沉积膜和界面传热行为的影响。结果表明:当磷含量从0.014wt%增加到0.406wt%时，固液两相区扩大，完全凝固温度从1518.3°延迟到1459.4°C，最终接触角从118.4°减小到102.8°，界面接触得到改善，最大热流密度从6.9 MW/m²增加到9.2 MW/m²；此外，将含磷量从0.081wt%提高到0.406wt%，膜的沉积速率（厚度）从1.57 μm /次提高到1.73 μm /次，自然沉积的膜变厚，热阻增加，传热转折点从第五次实验提前到第三次实验。

研究论文

通过改进的动力学模型描述Fe–C–X（X=Ni, Cr, Mn, Si）体系的马氏体相变动力学过程

耿熙元, 陈洪灿, 王静静, 张宇, 罗群, 李谦

2024, 31(5): 1026-1036. doi: 10.1007/s12613-023-2780-9

中文摘要(775) PDF(43) SpringerLink

摘要:
控制非热马氏体和残余奥氏体的含量对于提高高强度钢的机械性能是至关重要的，但如何准确描述冷却过程中的马氏体相变一直是一个难题。目前常用的半经验动力学模型对于马氏体相变开始阶段的描述存在较大误差，并且其中大部分模型未能描绘出马氏体相变动力学曲线的S形特征。为了更准确地描述马氏体相变过程，在Magee模型的基础上引入了随温度变化的马氏体形核激活能，从而可以计算形核率在相变过程中的变化。计算结果表明，与通过热膨胀法测得的Fe–C–X（X=Ni、Cr、Mn、Si）合金马氏体相变动力学曲线相比，用改进后的动力学模型计算动力学曲线的相对误差仅达到了9.5%，相较于Magee模型，这一误差减少了约三分之二。将形核激活能引入动力学模型对提高模型精度起到了至关重要的作用。

研究论文

基于形变热处理的新一代9Cr马氏体耐热钢焊接热影响区组织演变与高温蠕变性能调控

张竟文, 余黎明, 刘永长, 丁然, 刘晨曦, 马宗青, 李会军, 高秋志, 王辉

2024, 31(5): 1037-1047. doi: 10.1007/s12613-023-2760-0

中文摘要(487) PDF(31) SpringerLink

摘要:
新一代马氏体耐热钢G115被认为是高参数先进火电机组关键高温部件制造成形的主要备选材料。然而，服役过程中焊接接头细晶热影响区极易引发高温蠕变先行失效行为，严重威胁机组的安全运行。在本研究中，设计开发了一种形变热处理工艺（正火+冷变形+回火），通过焊前形变热处理定向调控G115钢基体组织，以控制焊接过程中热影响区的组织演变行为，进一步实现其高温蠕变强度的明显提升。焊前形变热处理可以细化基体组织中M₂₃C₆相尺寸，引入高密度形变位错及界面，有效促进了焊接过程中M₂₃C₆相的回溶行为，并缓解了C、Cr元素在原始奥氏体晶界处的偏聚。在焊后热处理过程中，M₂₃C₆相在新形成奥氏体晶粒边界及内部各类界面处弥散均匀再析出，有效抑制了此类界面迁移回复行为。此外，形变位错可以为沉淀相提供形核位点，明显提高了板条内部MX相和富Cu相的析出数密度。在高温蠕变过程中，沉淀相、位错及界面三者之间的交互作用明显增强，很大程度上延缓了低硬度亚晶晶粒的形成。相比于初始态，形变热处理后，G115钢焊接接头细晶热影响区的高温蠕变断裂时间延长了将近20%。本研究的开展不仅为G115钢焊接接头服役中面临的关键问题提供了创新性解决策略，也进一步推动了其广泛工业应用。

特约综述

激光粉末床熔融增材制造工具钢的多尺度结构和机械/热性能综述

纵华靖, 康楠, 秦泽昊, Mohamed El Mansori

2024, 31(5): 1048-1071. doi: 10.1007/s12613-023-2731-5

中文摘要(1247) PDF(48) SpringerLink

摘要:
激光粉末床熔融工艺可以整体形成几何形状复杂的高性能构件，引起了人们的广泛兴趣，特别是在模具行业。比如，激光粉末床熔融工艺的出现使得在模具中设计和生产复杂的随形冷却通道系统成为可能。因此，激光粉末床熔融工艺加工工具钢引起了越来越多的关注。激光粉末床熔融工艺中复杂的热历史使得其显微组织特征和性能不同于传统制造的工具钢。本文通过描述物理现象、微观结构特征和机械/热性能（包括拉伸性能、耐磨性和热性能），对激光粉末床熔融加工工具钢进行了系统概述。微观结构特征通过多尺度视角呈现，从致密化、介观结构、显微组织、晶粒中的亚结构到纳米沉淀相。最后，对激光粉末床熔融工艺制备工具钢的应用挑战和前景进行总结。

特约综述

镍基高温合金熔化焊液化裂纹机理和抑制策略研究进展

易宗礼, 单际国, 赵玥, 张振林, 吴爱萍

2024, 31(5): 1072-1088. doi: 10.1007/s12613-024-2869-9

中文摘要(1252) PDF(66) SpringerLink

摘要:
镍基高温合金因其高温下具有优异的强度、抗氧化性及耐腐蚀等性能，广泛应用于工业燃气轮机、航空发动机燃烧室等关键部件的制造。熔化焊接方法是一种连接和修复这些关键零部件的有效方法，然而液化裂纹是熔化焊过程中面临的重要问题，限制了镍基高温合金的应用。本文综述了近年来镍基高温合金熔化焊液化裂纹的研究进展，介绍了液化裂纹形成过程中液膜的形成机理和开裂准则，归纳了通过调整合金成分、改善母材焊前组织状态、优化焊接工艺参数、采用辅助外场、改善冷却条件等方法抑制液化裂纹的策略。未来的研究需要进一步厘清多组元对液化裂纹的协同影响机制，建立更加完善的液化裂纹开裂准则。

研究论文

热等静压对同步感应加热定向能量沉积γ'强化高温合金微观组织和拉伸性能的影响

许建军, 丁汉林, 林鑫, 刘峰

2024, 31(5): 1089-1097. doi: 10.1007/s12613-023-2792-5

中文摘要(498) PDF(30) SpringerLink

摘要:
在国家加速推进航空制造业高质量快速发展的迫切需求下，镍基高温合金的增材制造成为了近年来的研究热点。然而，如何高效提高增材制造镍基高温合金的力学性能是该行业的永恒追求。本文选择Inconel738LC合金为研究对象，通过同步感应加热（加热至1050°C）的方式辅助定向能量沉积（增材制造技术）实验，将沉积样品处理为三组：沉积态、热处理态（1070°C, 2 h + 845°C, 24 h）、热等静压（1190°C，105 MPa，3 h）+相同热处理态，以此研究热等静压对同步感应加热定向能量沉积Inconel738LC合金微观组织和拉伸性能的影响机制。研究结果表明，沉积态样品主要由柱状晶和在枝晶间不均匀分布的γ'相组成。首先经过热等静压处理后，样品的晶粒形态未发生明显变化，但γ'强化相颗粒的尺寸均匀程度明显增大。在相同热处理条件下，沉积态样品和热等静压处理样品中的γ'相均呈现出双峰分布的特征，但是热等静压处理样品中的γ'相尺寸均匀性更佳。对比热处理态和热等静压+热处理态样品的拉伸性能发现，后者的抗拉强度和均匀塑性延伸率比前者分别提高了5%和46%，这得益于后者中更均匀的双峰分布γ'相的协同变形，尤其是更均匀的立方体γ'相的变形。最后，文章基于广义稳定性理论，深入讨论了沉积样品在相变和塑性变形过程中的热-动力学相关性。

特约综述

Al–Cu合金中Sc微合金化效应综述

吴生华, 杨冲, 张鹏, 薛航, 高一涵, 王雨晴, 王瑞红, 张金钰, 刘刚, 孙军

2024, 31(5): 1098-1114. doi: 10.1007/s12613-024-2841-8

中文摘要(1978) PDF(47) SpringerLink

摘要:
在铝（Aluminum，Al）合金中，人为调控固态相变析出是获得优异性能的有效方法。微合金化策略是目前广泛采用和有效调控固态相变析出的方法之一。本文详细总结了Sc微合金化效应对不同晶粒尺寸Al–Cu合金微观组织演变和力学性能的影响。在粗晶Al–Cu合金中，淬火空位、微合金化Sc原子、固溶Cu原子共同形成的Cu/Sc/空位复合体可以作为异质形核点促进θ′相析出，同时Sc原子偏聚在θ′/Al基体界面上可以降低界面能，进一步促进θ′相析出。细化晶粒尺寸至细晶/超细晶尺度，由于Sc的扩散速率显著小于Cu，具有较高结合能的Cu/Sc/空位复合体可以有效抑制Cu扩散至晶界形成的不利沿晶θ相，从而促进有利的晶内θ′相析出。在纳米晶尺度，由于大变形施加的高应变量可以产生高浓度空位，进而在Al基体中形成高数量密度、尺寸在1–2 nm的富（Cu、Sc、空位）原子复合体。这种原子–空位复合体由于空位含量较高，因此具有较高的结合能和热稳定性，同时可以有效阻碍位错运动，使得纳米晶Al–Cu–Sc合金具有优异的热稳定性和强韧化水平。本文推荐使用微合金化方法来改变Al合金的析出行为，从而获得更优异的力学性能和热稳定性。

研究论文

铸造AZ91镁合金室温多轴棘轮行为的实验研究

胡冰晖, 雷宇, 李航, 王子仪, 于超, 康国政

2024, 31(5): 1115-1125. doi: 10.1007/s12613-024-2827-6

中文摘要(419) PDF(28) SpringerLink

摘要:
本研究采用薄壁圆管状试样对铸造AZ91镁合金的室温多轴棘轮行为开展了一系列实验研究，讨论了不同轴向–扭向组合加载路径下该材料的多轴棘轮行为演化特征，揭示了铸造镁合金多轴棘轮行为的路径相关性。研究发现：在非比例多轴加载路径下，铸造AZ91镁合金表现出明显的非比例附加软化效应，其轴向的棘轮行为与单轴加载路径和45°比例加载路径情形相比更加显著；该合金的多轴棘轮行为强烈依赖于加载路径的形状，并随施加的应力幅值与轴向平均应力的增大而变得更为显著；在不同的多轴加载路径下，铸造AZ91镁合金轴向和扭向的应力–应变曲线都是对称的外凸状，且轴向的棘轮行为最终会达到准棘轮安定状态。这些研究成果将为铸造镁合金的本构模型建立提供丰富的实验数据。

特约综述

利用内建电场调控高性能光电极的电荷分离和传输

程厚燕, 刘鹏, 崔云涛, 雅茹, 胡宇翔, 王金淑

2024, 31(5): 1126-1146. doi: 10.1007/s12613-024-2862-3

中文摘要(2018) PDF(39) SpringerLink

摘要:
光电催化分解水制氢技术是制备和利用清洁能源经济的有效手段之一，可为实现“双碳”目标提供助力。高效的光电催化制氢依赖于光电极高效的电荷分离传输。构筑内建电场已成为增强电荷分离传输，提高光电催化效率的关键。近年来，针对构筑内建电场增强电荷分离传输提升光电催化性能，已做了大量的研究，但鲜有从内建电场的作用深度和有序性角度进行综述。本文系统总结归纳了表面、界面和体相内建电场增强电荷分离传输的影响机制。首先，介绍了提升光电催化性能的改进方法；其次，详细探讨了内建电场的作用机制和调制策略；然后，从表面和界面内建电场的角度，总结了内建电场调控电荷分离传输的最新研究成果；最后，探讨了目前在光电极中构筑体相内建电场的策略，并对在高性能光电催化应用中增强电荷分离传输的未来做了展望。

特约综述

热障涂层用A₂B₂O₇型稀土锆酸盐热物理性能的改进策略：综述

彭子健, 王雨豪, 王树棋, 姚钧腾, 赵清源, 谢恩雨, 陈国梁, 王志刚, 刘占国, 王亚明, 欧阳家虎

2024, 31(5): 1147-1165. doi: 10.1007/s12613-024-2853-4

中文摘要(533) PDF(37) SpringerLink

摘要:
与目前广泛使用的氧化钇部分稳定氧化锆(YSZ)相比，A₂B₂O₇型稀土锆酸盐化合物具有烧结速率更低、相稳定性更好、在高温工作环境下热导率更低等特点，因此被认为是热障涂层(TBCs)的理想候选材料。本文综述了近年来稀土锆酸盐在航空发动机和燃气轮机用热障涂层中的最新研究进展。基于第一性原理、分子动力学和新的数据驱动计算方法，目前掺杂和高熵策略已经在先进的热障涂层材料设计中获得了应用。本文从全工作温度范围内的热传导和在中高温下的热辐射效应两个方面解释了TBCs的固态传热机理。本文还对自适应 TBCs 材料的设计考虑提出了新的见解，并进一步强调了极端环境应用所面临的挑战和潜在的突破。从缺陷工程和材料复合化两方面提出了提高热障涂层材料热物理性能的策略。

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