1 南京航空航天大学材料科学与技术学院，江苏 南京 210016
2 江苏省高性能构件激光增材制造工程研究中心，江苏 南京 210016
激光增材制造稀土改性高强铝合金因具备轻质高强、复杂构件一体化成形等优势，在航空航天领域具有广阔的应用前景。围绕激光增材制造成形工艺优化、冶金缺陷抑制、力学性能提升及复杂构件形性调控等的研究是近年来的研究难点。本团队开展了激光粉末床熔融成形稀土改性高强铝合金Al-4.2Mg-0.4Sc-0.2Zr的激光工艺优化研究，基于试验表征与数值模拟相结合的方法，揭示了激光扫描速度对成形试件表面质量、内部冶金缺陷、熔池传热传质行为及纳米析出相分布的影响机制。结果显示：当激光功率为300 W、激光扫描速度为800 mm/s，并辅以325 ℃/4 h的时效热处理时，成形试件的致密度最优，为99.5%，抗拉强度为512.4 MPa，延伸率为13.3%。基于优化工艺参数对航空领域两类典型的复杂构件开展了成形试验研究，成形试件的最长外形尺寸为570 mm，表面粗糙度Ra≤7.3 μm，尺寸精度可达0.1 mm/100 mm。
激光技术 增材制造 激光粉末床熔融 高强铝合金 工艺调控 力学性能 中国激光
2024, 51(10): 1002317
1 沈阳航空航天大学机电工程学院，辽宁 沈阳 110136
2 沈阳航空航天大学航空制造工艺数字化国防重点学科实验室，辽宁 沈阳 110136
3 航空工业沈阳飞机设计研究所，辽宁 沈阳 110035
为进一步提高铝基复合材料的强度与韧性，避免强韧性倒置关系，通过在铝基体中加入不同体积分数与尺寸的钛合金骨架结构，制备出强韧性可调控的仿竹纤维Al-Ti复合结构。研究发现：钛合金强化骨架与铝合金基体界面间发生了扩散反应，形成了致密的冶金结合，界面内析出相为钛铝金属间化合物。与传统铝基复材相比，复合结构铝基复合材料抗压强度高达380~1085 MPa，形成一体化微/宏观“高强-高韧”纤维状复合结构。对微观变形机制进行研究：高强度化合物的析出有效阻止了异质界面内裂纹萌生、扩展。同时高分辨下观察发现，界面内析出的Ti3Al相变形后在晶粒内部形成了有效的变形孪晶，提升了界面内高、低模量析出相间协调变形能力，是复合结构增强-增韧的主要机制。
激光技术 增材制造 仿生结构 Al-Ti复合结构材料 微/宏观强韧性调控 中国激光
2024, 51(10): 1002312
强激光与粒子束
2024, 36(4): 043031
1 1.东南大学 机械工程学院, 南京 211189
2 2.高速飞行器结构与热防护教育部重点实验室, 南京 211189
高速飞行器中的陶瓷基复合材料结构在服役过程中不可避免地会遇到低速冲击问题, 低速冲击后的损伤形式以及剩余承载能力是影响飞行器结构安全的关键问题。本研究以二维编织SiC/SiC复合材料板件为研究对象, 在不同能量下开展了低速冲击试验, 分析了低速冲击载荷下试验件的表面损伤状态, 通过计算机断层扫描技术观察了试验件内部的损伤形貌, 结合冲击过程中的冲击响应曲线以及应变历史曲线, 分析了SiC/SiC复合材料低速冲击过程的损伤机理。针对含勉强目视可见损伤的试验件开展了冲击后剩余强度试验, 研究了勉强目视可见损伤对SiC/SiC复合材料剩余承载性能的影响。结果表明, 在低速冲击载荷的作用下, 试验件的表面损伤主要包括无表面损伤、勉强目视可见损伤、半穿透损伤以及穿透损伤, 试验件的内部损伤主要有锥形体裂纹、纱线断裂以及分层损伤。低速冲击损伤会严重影响SiC/SiC复合材料的剩余性能, 虽然试验件损伤勉强目视可见，但其剩余压缩强度为无损件81%, 剩余拉伸强度仅为无损件的68%。
SiC/SiC 陶瓷基复合材料 低速冲击 损伤特性 剩余强度 SiC/SiC ceramic matrix composites low-velocity impact damage characteristics residual strength
1 1.中国科学院 上海硅酸盐研究所, 上海 200050
2 2.上海理工大学 材料与化学学院, 上海 200093
SiO2-BaO基微晶玻璃以其膨胀系数高、耐高性能优异而成为耐高密封领域研究的热点, 但稀土氧化物对该类封接玻璃改性的影响研究尚不多见。本工作研究不同高阳离子场强(Cation field strength, CFS)的稀土氧化物取代传统碱土氧化物BaO对新型富稀土—SiO2-BaO-Ln2O3(SBLn, Ln=La、Sm、Er、Yb)系列玻璃的网络结构、结晶行为、微观结构和高温性能的影响。随着稀土阳离子场强由2.82(La3+)增大到3.98(Yb3+), SBLn玻璃的玻璃转变温度(Tg)、析晶起始温度(Tx)、析晶峰值温度(Tp)均逐渐增加, 说明高稀土阳离子场强有利于提高SBLn玻璃的热稳定性。四类富稀土SBLn玻璃的结晶相均由BaSiO3和BaSi2O5相组成, 随稀土阳离子场强增大, BaSiO3相减少、BaSi2O5相增多, 稀土元素只存在于玻璃相中, 不参与晶相析出。随着稀土阳离子场强增加, SBLn微晶玻璃的热膨胀系数(Coefficient of thermal expansion, CTE)由12.52×10-6/℃增大到13.13×10-6/℃(30~800 ℃), 但析晶量下降导致软化温度从1313.5 ℃降至1174.1 ℃。总之, 富稀微晶玻璃材料高热膨胀系数大于12×10-6/℃、软化温度均高于1150 ℃, 且在700 ℃高温下的直流电阻率大于106 Ω·cm, 说明富稀土微晶玻璃密封材料具有在固体氧化物燃料电池、氧传感器、铂薄膜热敏电阻器等高温场景下的应用前景。
耐高温密封材料 富稀土微晶玻璃 阳离子场强 高温电阻率 high-temperature resistant sealant rich rare-earth glass-ceramics cation field strength high temperature resistivity
1 1.中国国检测试控股集团股份有限公司, 北京 100024
2 2.绿色建材国家重点实验室, 中国建筑材料科学研究总院, 北京 100024
为研究以高膨胀系数的陶瓷为涂层, 低膨胀系数的陶瓷为基体的预应力陶瓷的高温力学性能, 本工作以氧化锆为涂层, 氧化铝为基体, 制得表层为拉应力的“三明治”结构ZrO2-Al2O3(简称ZcAs)预应力陶瓷。同时选用基体与涂层截面比值相近的Al2O3-ZrO2(简称AcZs)预应力陶瓷、纯ZrO2和纯Al2O3陶瓷为参照样。结合不同温度下的弯曲强度测试结果及维氏压痕结果, 阐明预应力的存在形式及其对裂纹扩展行为的影响, 并研究预应力的温度依赖性。结果表明: ZcAs预应力陶瓷的表层受拉应力, 基体受压应力; 而AcZs预应力陶瓷的表层受压应力, 基体受拉应力。由于拉应力能够促进裂纹扩展, 而压应力能够抑制裂纹扩展, 因此室温下, ZcAs的强度比纯Al2O3陶瓷降低13.2%, 而AcZs的强度比纯ZrO2陶瓷提高25.0%。此外, 无论表层是拉应力还是压应力, 都随着温度升高而降低, 这主要归因于高温导致的预应力松弛。
ZrO2-Al2O3预应力陶瓷 拉应力 弯曲强度 温度依赖性 ZrO2-Al2O3 pre-stressed ceramics tensile stress flexural strength temperature dependence
1 三峡大学石墨增材制造技术与装备湖北省工程研究中心，湖北 宜昌 443002
2 三峡大学机械与动力学院，湖北 宜昌 443002
传统成型工艺制备的导电复合材料内部导电通路分布不可控，且难以实现复合材料的电学与力学性能的匹配。利用选择性激光烧结技术快速制备了类金刚石结构石墨骨架素坯，并经过二次固化、真空压力浸渍酚醛树脂溶液以及高温碳化等后处理工艺改善石墨骨架电学以及力学性能，并将环氧树脂与之“复合”，制备了石墨/环氧树脂复合导电材料。通过正交试验，研究了石墨骨架结构特征参数对导电复合材料的电导率和抗弯强度的影响。研究结果表明：键半径R为决定复合材料电导率的主要因素，但对于其抗弯强度为较次要因素；键长L对复合材料的电导率和抗弯强度皆为较主要因素；当键长为6 mm、键半径为1.4 mm、键角为120°时，可获得力学性能和导电性能相协同的新型导电复合材料。
选择性激光烧结 导电复合材料 正交试验 电导率 抗弯强度 selective laser sintering conductive composity orthogonal test electrical conductivity bending strength
1 佛山科学技术学院机电工程与自动化学院，广东 佛山 528000
2 季华实验室，广东 佛山 528200
采用光斑直径为0.1 mm的激光束对2 mm厚QP980先进高强钢进行激光焊接。借助光学显微镜、扫描电子显微镜、万能材料试验机和显微硬度计等工具，研究焊接速度对接头成形、组织演变及力学性能的影响，研究发现，随着焊接速度的减小，横截面形貌从“钉”形逐渐过渡为“沙漏”形，最后变为“直筒”形。焊缝熔化区马氏体形态粗大，热影响区主要由较为细小的马氏体构成，硬度均高于母材；回火区由于母材马氏体发生分解，使得该区域硬度比母材低，但随着速度的增加，马氏体分解程度逐渐降低。由于焊缝的硬化，焊接接头断后延展率降低，不同焊接速度下的拉伸断口形貌表明均为韧性断裂。
先进高强钢 激光焊接 微观组织 力学性能 advanced high strength steel laser welding microstructure mechanical property
1 西南科技大学 环境与资源学院, 绵阳 621010
2 西南科技大学 工程材料与结构冲击振动四川省重点实验室, 绵阳 621010
为了提高隧道掘进爆破中炮孔的堵塞效果, 利用铝管在爆炸作用下膨胀的特性设计了一种堵孔装置, 然后通过动态应变仪测量堵孔装置膨胀撞击钢管的环向应变, 通过万能试验机对模拟炮孔中的爆炸堵孔装置进行单轴压缩脱模, 通过高速摄影记录水泥墩的爆破过程, 从而评估爆炸堵孔装置的堵塞效果。结果表明：钢管在爆炸堵孔装置膨胀撞击下产生的环向应变峰值达到0.02, 说明爆炸堵孔装置膨胀冲击孔壁的作用力较大, 有利于堵孔装置与孔壁贴合; 爆炸堵孔装置与孔壁贴合后的抗压强度为4.1~5.5 MPa, 抗剪强度为0.49~0.66 MPa, 远大于常规炮泥的抗剪强度(0.09 MPa), 其在实际使用中与炮泥配合使用, 能有效抑制炮泥运动。采用传统炮泥进行堵塞的水泥墩出现冲孔, 爆破后的水泥墩未出现破坏; 采用爆炸堵孔装置进行堵塞的水泥墩未出现冲孔, 堵孔装置在孔口产生裂纹后才被冲出, 爆破后的水泥墩最终裂成三部分。因此, 爆炸堵孔装置可大幅改善堵孔效果, 从而发挥爆生气体的破岩作用, 并有效增强了抛掷作用, 对改善隧道掏槽眼的爆破效果具有重要意义。
地下爆破 堵孔 隧道工程 抗剪强度 爆生气体 爆破效果 underground blasting stemming tunnel engineering shear strength detonation gas blasting effect
青岛理工大学土木工程学院，山东 青岛 266520
为了探究海水海砂碱激发混凝土与FRP筋的粘结性能发展规律，推动新型绿色建筑材料的应用，本研究通过对碳纤维增强塑料(CFRP)筋/玻璃纤维增强塑料(GFRP)筋与海水海砂碱激发混凝土(SSASC)试件进行中心拉拔试验，研究了FRP筋种类、直径、锚固长度及混凝土强度、养护龄期等因素对FRP筋-SSASC试件的粘结性能的影响。基于现有文献和实验所得数据统计分析，表明碱激发混凝土(ASC)与FRP筋的粘结性能明显优于普通硅酸盐混凝土(OPC)。同时使用多元线性方程将试验数据代入拟合出适用的粘结强度预测公式。结果表明：粘结强度随FRP筋直径和锚固长度的增大呈减小趋势，其中随直径的变化趋势不明显；ASC30混凝土大多为拔出破坏，ASC60混凝土大多为劈裂/筋断破坏，且强度较高的混凝土的粘结强度也较高；随养护龄期的增加其粘结强度有所上升；OPC与FRP筋的粘结强度小于ASC；所得粘结强度经验公式与实验数据具有良好的相关性。
海水海砂混凝土 碱激发混凝土 纤维增强塑料筋 粘结性能 粘结强度预测 seawater sea-sand concrete alkali activated concrete fiber-reinforced polymer bars bond performance bond strength prediction
