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机械工程学报 2023年第4期59卷 25-33页

作者：谢寅滕庆孙闪闪程坦白洁马瑞蔡超魏青松华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室武汉430074 北京动力机械研究所北京100074

利用激光选区熔化(Selective laser melting,SLM)技术制备了GH3536镍基高温合金,研究了不同热等静压(Hot isostatic pressing,HIP)温度对SLM成形GH3536合金裂纹和组织性能的影响。利用X射线衍射仪(X-ray diffraction,XRD)、扫描电镜(Scanning electron microscope,SEM)、电子背散射衍射(Electron backscatter diffraction,EBSD)、电子探针显微分析仪(Electron probe microanalyzer,EPMA)等方式表征了GH3536相组成和组织演变,利用高温持久性能试验机测试合金室温和高温拉伸性能。结果表明:经HIP后,SLM成形GH3536合金相组成保持不变,均为γ相,但晶格常数降低,且随着HIP温度的升高而降低。SLM态合金中存在10~100μm的微裂纹和气孔缺陷,微裂纹主要存在于熔池边界。经HIP后,合金中微裂纹完全消除,但仍存在少量孔洞。GH3536合金经高温高压处理后,晶粒尺寸增大,抗拉强度有所降低。其中SLM态试样室温抗拉强度和伸长率分别为871 MPa和26.2%,HIP处理后伸长率最高提升13.7%,强度降低13.0%。900℃下SLM态试样抗拉强度和伸长率分别为247 MPa和5.7%,HIP处理后伸长率最高提升13.4%,强度降低10.1%。

关键词：激光选区熔化 GH3536 热等静压显微组织拉伸性能

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激光功率对双激光粉末床熔融GH3536合金搭接区组织和性能的影响

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中国激光 2023年第24期50卷 117-126页

作者：沈沐宇谢寅李继康蔡超滕庆魏青松华中科技大学材料科学与工程学院材料成形与模具技术国家重点实验室湖北武汉430074

多激光粉末床熔融(ML-PBF)采用多束激光并行加工,是提高制造效率和大尺寸零件整体化增材制造的有效方法。但不同的激光束实际工作时参数难以保持一致,特别是激光功率会存在偏差,其中多激光搭接区最为关键。笔者通过设置4组差值为10、20... 详细信息

多激光粉末床熔融(ML-PBF)采用多束激光并行加工,是提高制造效率和大尺寸零件整体化增材制造的有效方法。但不同的激光束实际工作时参数难以保持一致,特别是激光功率会存在偏差,其中多激光搭接区最为关键。笔者通过设置4组差值为10、20、30、40 W的激光功率组合,探究了激光功率对ML-PBF制备的GH3536镍基高温合金搭接区组织和性能的影响。结果表明:成形试样的致密度最高可达99.6%,但搭接激光功率增大不仅会导致致密度降低至99.3%,孔隙率超过0.08%,还会导致γ相的衍射峰向大角度偏移,晶格常数降低。同时,随着搭接激光功率增大,搭接区内的晶粒尺寸由14.57μm增大至17.23μm,大角度晶界占比由36.66%上升至55.91%。搭接区内残余应力随着搭接激光功率的增大而先降低后升高,在激光功率相差30 W时降至最低值43.8 MPa。搭接区硬度随着搭接激光功率的增大而降低,由297.3 HV3降低至291.1 HV3。4组激光功率组合下制备的试样的极限抗拉强度在792.9~830.9 MPa范围内,当激光功率相差10 W时强度达到最高值,延伸率为23.7%。增大搭接激光功率会降低ML-PBF的熔凝稳定性并增大温度梯度,进而对搭接区内的微观组织、残余应力以及零件的力学性能产生影响。

关键词：激光技术多激光粉末床熔融增材制造激光功率搭接区镍基高温合金微观组织残余应力力学性能

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燃料电池金属间Pt-M合金氧还原催化剂的设计原理及合成方法

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Chinese Journal of Catalysis 2023年第2期45卷 17-26页

作者：刘轩梁嘉顺李箐华中科技大学材料科学与工程学院材料成形与模具技术国家重点实验室湖北武汉430074

开发用于氧还原反应(ORR)的高性能Pt-M(M=过渡金属)金属间合金催化剂是实现质子交换膜燃料电池(PEMFC)大规模应用的关键.因此迫切需要明确设计和制备具有高ORR活性和稳定性的金属间Pt-M催化剂的一般规则.本文首先概述了无序-有序相变的... 详细信息

开发用于氧还原反应(ORR)的高性能Pt-M(M=过渡金属)金属间合金催化剂是实现质子交换膜燃料电池(PEMFC)大规模应用的关键.因此迫切需要明确设计和制备具有高ORR活性和稳定性的金属间Pt-M催化剂的一般规则.本文首先概述了无序-有序相变的热力学和动力学基本原理,然后介绍了本课题组在合成L10有序结构的Pt-M金属间纳米晶(iNC)方面的研究结果,进一步阐述了提高L10-Pt-M燃料电池ORR催化剂的活性和稳定性的有效策略.关于铂基金属间纳米晶的合成,本课题组基于高温相变扩散动力学发展了空位介导原子扩散的方法用于合成全有序铂基金属间纳米晶.铂基金属间纳米晶通常是通过高温退火制得,但该过程中原子的快速扩散会加剧奥斯特瓦尔德熟化和材料烧结,进而导致催化剂活性下降.对纳米晶进行包覆或者限域虽然能够在一定程度上降低高温退火过程中的颗粒团聚,但是原子扩散受限也导致难以获得完全有序的纳米晶.空位扩散是金属纳米晶有序转变过程中的主要扩散过程,可以在退火前驱体中构建Pt/MO_(x)界面.本课题组发展了空位介导原子扩散促进铂基合金有序化的方法,制得了一系列用于ORR反应的超细Pt-M(M=Fe,Co,Ni,Zn等)金属间纳米晶催化剂,实现了铂基金属间纳米晶的高效制备.关于铂基金属间纳米晶催化剂的活性调控,本课题组基于应变效应的调控策略开发了多种具有高氧还原活性的铂基金属间纳米晶催化剂.根据理论预测的铂表面最佳氧物种吸附能,通过掺杂钨原子调控表面应变,有效削弱了L1_(0)-PtCo纳米晶表面的过度应变,制得的催化剂表现出良好的催化活性.此外,介绍了双轴应变介导的高活性L1_(0)-PtZn/Pt-C催化剂,独特的表面应变模式使其在氧还原反应中表现出较好的催化活性,并在燃料电池器件中表现出较好的质量活性与功率密度.关于铂基金属间纳米晶催化剂稳定性的提升,本课题组基于腐蚀热力学与热力学原理发展了多种提升金属间纳米晶催化剂稳定性的方法.铂基金属间纳米晶组元间独特的强轨道相互作用在提升催化稳定性方面表现出明显优势,基于此,开发了具有强Pt(5d)-Ni/Co(3d)相互作用的C-L1_(0)-PtNi_(0.8)Co_(0.2)催化剂,其在加速稳定性测试后表现出良好的稳定性.此外,根据稳定表面的纳米表面工程方法,制备了低表面能的L10-W-Pt Co纳米晶,该催化剂在燃料电池测试中表现出较好的稳定性.针对催化剂的溶解腐蚀,本课题组开发了具有高表面空位形成能的L1_(0)-PtZn/Pt-C催化剂,有效降低了催化剂在燃料电池中的性能衰减,并且通过理论计算,揭示了金属间相结构热力学参数(形成能)与腐蚀过程动力学参数(空位形成能)的相关关系,有望为后续开发高稳定性铂基氧还原催化剂提供理论参考.综上,本文为未来应用于PEMFC和其他电化学能量转换技术的Pt-M金属间合金ORR催化剂的研究和开发提供一些借鉴.

关键词：燃料电池氧还原反应铂基合金金属间化合物 L10有序结构

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圆柱面铝合金点阵结构电弧增材制造

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稀有金属 2023年第4期47卷 465-474页

作者：唐论余圣甫郑博史玉升陈颖张李超华中科技大学材料科学与工程学院材料成形与模具技术国家重点实验室湖北武汉430074

采用电弧熔丝增材制造(WAAM)制备了圆柱面双层金字塔点阵结构,分析了圆柱面金字塔点阵结构的空间特征,建立了单元杆杆长数学模型,进行了圆柱面切片和路径规划,揭示了送丝速度、冷金属过渡技术(cold metal transfer, CMT)周期数和电弧枪... 详细信息

采用电弧熔丝增材制造(WAAM)制备了圆柱面双层金字塔点阵结构,分析了圆柱面金字塔点阵结构的空间特征,建立了单元杆杆长数学模型,进行了圆柱面切片和路径规划,揭示了送丝速度、冷金属过渡技术(cold metal transfer, CMT)周期数和电弧枪偏移量与单元杆直径和倾角的关系。结果表明,圆柱面金字塔点阵结构具有旋转体的空间特征,其单元杆杆长随着点阵层数的增加而逐渐增加,圆柱面切片可获得增材制造路径点,通过调节送丝速度和CMT周期数可实现在2.20~5.02 mm的范围内精确控制单元杆直径,通过调节送丝速度和电弧枪偏移量可实现在30°~90°的范围内精确控制单元杆倾角。利用WAAM制备了包含300个点阵单胞的圆柱面双层金字塔点阵结构,其单元杆直径最大误差不超过2.3%,单元杆倾角最大误差不超过1.8%。

关键词：圆柱面点阵结构电弧熔丝增材制造(WAAM) 圆柱面切片 2319铝合金

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电解液调控实现高电压高镍三元长循环稳定

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科学通报 2023年第1期68卷 6-8页

作者：程方圆张晓宇魏鹏孙世雄徐月李箐方淳韩建涛黄云辉华中科技大学材料科学与工程学院材料成形与模具技术国家重点实验室武汉430074

为了满足500公里以上续航里程的苛刻要求,根据国家动力电池技术规划,对锂离子电池的能量密度提出了更高的要求,2025年达到400 Wh/kg,2030年达到500 Wh/kg.正极材料的选择对提高电池的能量密度非常关键.LiNi_(0.8)Co_(0.1)Mn_(0.1)O_(2)(... 详细信息

为了满足500公里以上续航里程的苛刻要求,根据国家动力电池技术规划,对锂离子电池的能量密度提出了更高的要求,2025年达到400 Wh/kg,2030年达到500 Wh/kg.正极材料的选择对提高电池的能量密度非常关键.LiNi_(0.8)Co_(0.1)Mn_(0.1)O_(2)(NCM811)因具有高比容量和高工作电势而在高能量密度锂离子电池领域备受关注[1,2].对于NCM811来说,Ni元素通过Ni^(2+)/Ni^(3+)和Ni^(3+)/Ni^(4+)氧化还原对贡献了大部分电容,并且随着充电截止电压的升高,提供的比容量增加,从而更高的能量密度可被获得.

关键词：锂离子电池正极材料能量密度充电截止电压高镍高比容量高电压续航里程

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针刺C/C复合材料面内拉伸强度预测

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复合材料学报 2023年第2期40卷 1142-1153页

作者：刘文台程坤周何乐子白侠廖敦明周华民华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室武汉430074 西安航天复合材料研究所西安710025

为研究针刺碳纤维增强碳基体复合材料(针刺C/C复合材料)面内拉伸强度与渐进损伤,建立了针刺C/C复合材料代表性体积单元有限元模型。模型包含无纬布层、网胎层、针刺纤维束、界面4类子区域,并考虑了孔隙的影响。采用基于应变的破坏准则... 详细信息

为研究针刺碳纤维增强碳基体复合材料(针刺C/C复合材料)面内拉伸强度与渐进损伤,建立了针刺C/C复合材料代表性体积单元有限元模型。模型包含无纬布层、网胎层、针刺纤维束、界面4类子区域,并考虑了孔隙的影响。采用基于应变的破坏准则及指数型损伤演化规律研究无纬布层及针刺纤维束损伤,采用弹塑性本构研究网胎层损伤,采用内聚力牵引分离定律和二次应力破坏准则分析界面损伤。通过两步法计算了孔隙对材料性能的折减效果,并得到上述4个子区域的力学性能,通过ABAQUS UMAT预测了材料的面内拉伸应力-应变曲线及各子区域损伤起始、演化与失效过程,非线性趋势及拉伸强度数值与试验数值吻合较好,验证了该模型有效性。

关键词：针刺C/C复合材料渐进损伤强度预测有限元法代表性体积单元

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激光电弧增材制造铝合金点阵杆件的精度与性能

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华中科技大学学报（自然科学版） 2022年第12期50卷 49-57页

作者：郑博余圣甫唐论史玉升华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室湖北武汉430074

采用Box-Benhnken响应面分析法分析了激光参数对激光电弧增材制造2319铝合金点阵杆件成型精度与性能的影响.试验影响因素为激光功率、激光脉冲频率和激光占空比,响应指标为杆件直径、杆件粗糙度和杆件抗拉强度.结果表明:激光功率的变化... 详细信息

采用Box-Benhnken响应面分析法分析了激光参数对激光电弧增材制造2319铝合金点阵杆件成型精度与性能的影响.试验影响因素为激光功率、激光脉冲频率和激光占空比,响应指标为杆件直径、杆件粗糙度和杆件抗拉强度.结果表明:激光功率的变化对杆件直径的影响最显著,激光使电弧能量密度更为集中,导致杆件直径变大;激光功率的变化对杆件粗糙度的影响最大,合适的激光功率能够使熔滴具有良好的铺展性,获得粗糙度较低的杆件;激光脉冲频率对杆件抗拉强度的影响最大,脉冲激光增大了熔滴内部流速,能够减小铝合金内部气孔含量,提高杆件抗拉强度.基于对三个响应指标的综合评定,得出激光作用下所获得的最优杆件的参数为:激光功率为353 W,脉冲频率为60 Hz,占空比为34%,并在此工艺下成功制备出铝合金点阵结构.

关键词：激光电弧增材制造铝合金点阵杆件激光参数精度性能

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7075铝合金过渡端框电弧增材-旋转摩擦复合制造

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稀有金属 2023年第3期47卷 329-341页

作者：禹润缜余圣甫何天英郑博华中科技大学材料科学与工程学院材料成形与模具技术国家重点实验室湖北武汉430074

研究了电弧增材制造(WAAM)工艺参数、旋转摩擦加工(RFP)转速对7075铝合金堆积气孔率的影响,以及时效处理温度对堆积金属组织与性能的影响,采用优化的电弧增材制造工艺参数、旋转摩擦加工转速与时效温度,进行大型7075铝合金运载火箭过渡... 详细信息

研究了电弧增材制造(WAAM)工艺参数、旋转摩擦加工(RFP)转速对7075铝合金堆积气孔率的影响,以及时效处理温度对堆积金属组织与性能的影响,采用优化的电弧增材制造工艺参数、旋转摩擦加工转速与时效温度,进行大型7075铝合金运载火箭过渡端框架的电弧增材-旋转摩擦复合制造及热处理强化。结果表明:保护气流量较高时引起的气体紊流现象会降低保护效果,增大堆积气孔倾向;提高负极性模数可增强丝材阴极雾化,有效清除氧化膜,减少熔池中[H]含量以降低堆积金属气孔率。通过二次回归通用旋转组合实验优化出电弧增材制造工艺为:保护气流量20 L·min^(-1),负极性模数9,电弧枪行进速度592 mm·min^(-1),送丝速度7.2 m·min^(-1);该工艺下堆积金属成形良好,气孔率为7.03%。旋转摩擦加工通过引起7075铝合金堆积金属塑性变形及动态再结晶消除气孔,优化出1800 r·min^(-1)加工转速使堆积金属气孔率进一步降低至4.32%。对堆积金属进行高于120℃的时效热处理易导致α-Al晶粒与η-MgZn_(2)相粗化,降低堆积金属力学性能,采用优化的120℃时效温度对堆积金属进行时效热处理后,硬度与抗拉强度分别达HV1197.3和526.1 MPa。利用优化的电弧增材制造工艺参数、1800 r·min^(-1)旋转摩擦加工转速以及120℃时效温度协同制造并强化7075铝合金过渡端框架,构件成形精度在±1.3 mm以内,气孔率为4.57%,抗拉强度平均值达522.1 MPa。

关键词： 7075铝合金电弧增材制造(WAAM) 旋转摩擦加工(RFP) 气孔率组织与性能

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热等静压近净成形数值模拟研究现状与展望

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机械工程学报 2024年第1期60卷 13-26页

作者：田文卿蔡超郭瑞鹏史玉升华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室武汉430074 太原理工大学材料科学与工程学院太原030024

热等静压是可实现大尺寸复杂高性能零件近净成形的粉末冶金技术,被广泛应用于航空航天、海洋工程等特种领域中面向严苛服役环境的关键零件的成形制造。数值模拟可为复杂高性能零件包套与型芯设计提供科学依据和热-力耦合作用下粉末致密... 详细信息

热等静压是可实现大尺寸复杂高性能零件近净成形的粉末冶金技术,被广泛应用于航空航天、海洋工程等特种领域中面向严苛服役环境的关键零件的成形制造。数值模拟可为复杂高性能零件包套与型芯设计提供科学依据和热-力耦合作用下粉末致密化提供理论支撑,是实现零件形性可控的重要基石。为此,重点综述了热等静压数值模拟的基本概念、发展历程、研究进展、面临问题和发展方向。首先介绍常用有限元数值模拟本构模型类型、特点和模拟效果,概述有限元指导包套逆向设计方法,随后分析有限元模拟中忽略粉末填充密度分布非均匀性等缺点和局限性,介绍考虑粉末颗粒离散特性的离散元-有限元耦合模拟方法与研究进展,最后展望热等静压数值模拟现有方法的瓶颈与未来潜在发展方向,为从事热等静压领域学者快速了解热等静压模拟的研究动态和发展趋势提供有益参考。

关键词：热等静压近净成形数值模拟航空航天复杂高性能

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基于联合仿真的短纤维增强聚合物共混挤出-注塑成形全流程模拟

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高分子材料科学与工程 2023年第10期39卷 80-90页

作者：沈关成王子钦司亮杨于霄周孟源李龙辉李茂源张云周华民华中科技大学材料科学与工程学院材料成形及模具技术国家重点实验室湖北武汉430074

短纤维增强聚合物广泛应用于汽车、电子、机械等领域,共混挤出和注塑成形是其最常见的制备和成形工艺。现有共混挤出与注塑成形的模拟仿真存在材料和工艺信息孤立、产品优化协同困难的问题,难以满足聚合物产品高端化与定制化的发展需求... 详细信息

短纤维增强聚合物广泛应用于汽车、电子、机械等领域,共混挤出和注塑成形是其最常见的制备和成形工艺。现有共混挤出与注塑成形的模拟仿真存在材料和工艺信息孤立、产品优化协同困难的问题,难以满足聚合物产品高端化与定制化的发展需求。文中提出了一种短纤维增强聚合物共混挤出-注塑成形过程的联合仿真方法,建立共混挤出过程全区域流场计算模型,基于流场模拟实现纤维断裂和纤维长度分布模拟,在此基础上,建立考虑纤维含量的流变与压力-比容-温度(PVT)模型计算材料等效热力学参数,通过模流-结构性能求解注塑拉伸试样的纤维取向与弹性模量分布,实现共混挤出-注塑成形全流程模拟。纤维质量分数为20%,30%和40%的玻纤增强尼龙6注塑拉伸试样弹性模量实验与模拟结果相对误差分别为9.94%,8.32%和3.72%,验证了联合仿真的准确性。

关键词：短纤维增强聚合物纤维断裂共混挤出注塑成形联合仿真

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