2025年, 第32卷, 第6期　
刊出日期：2025-12-20

  

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  退火处理对La-Y-Ni系储氢合金相结构和电化学性能的影响

  邓安强, 谭周勋, 叶成欣, 常浩, 田野, 张巍

  金属功能材料. 2025, 32(6): 1-9. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-8192.20250196

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  采用真空电弧熔炼炉的方法制备了La_0.6Y_0.4Ni_3.75Al_0.15Mn_0.2超晶格储氢合金,并在0.2 MPa氩气气氛下分别对合金进行900~1 050 ℃真空10 h退火处理,通过X射线衍射和电化学测试方法,研究了退火温度变化对合金结构及性能的作用机制。结果表明:温度在900 ℃时,合金由A₅B₁₉型Pr₅Co₁₉和Ce₅Co₁₉相、AB₅型CaCu₅相组成;温度升至950 ℃时,CaCu₅相的相丰度(质量分数)由5%减少至2.5%,Ce₅Co₁₉和Pr₅Co₁₉相的相丰度(质量分数)分别由57.6%和37.5%增加至58.1%和39.4%,此时A₅B₁₉型相相丰度最大,占97.5%(质量分数);温度升至1 000 ℃时,CaCu₅相的相丰度增加至11%(质量分数);当温度继续升高至1 050 ℃时,Mn元素烧损过多,出现了A₂B₇型Ce₂Ni₇相。当退火温度为950 ℃时,A₅B₁₉型相含量达到峰值,此时合金展现出最佳的电化学特性,最大放电容量为318.5 mA·h/g,经过100次循环后容量保持率S₁₀₀为72.5%,在电流密度1 200 mA/g下的高倍率放电性能HRD₁₂₀₀为77.6%。因此,通过退火处理对La-Y-Ni系合金相丰度进行调控,可显著改善其综合电化学性能。
研究与技术
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  LiGdO₂化合物的磁热性能研究

  陈祖华, 张国春, 沈俊, 王敦辉, 涂衡

  金属功能材料. 2025, 32(6): 10-15. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-8192.20250003

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  基于磁性材料磁热效应的绝热去磁制冷是实现亚开尔文温度的重要方法。Gd³⁺与轻阴离子配体的结合有利于提高磁制冷材料的稀土/配体比例,产生大的磁热效应。为了探索新型高性能的磁制冷材料,采用高温固相反应法制备了具有大稀土/配体比的LiGdO₂化合物,并研究了其在低温下的磁热性能。热磁曲线揭示了LiGdO₂在2.5 K附近有一个反铁磁相变,利用居里-外斯拟合判断其反铁磁相互作用较强;在1.8 K下,LiGdO₂的饱和磁化强度高达166.5 A·m²/kg;当温度为3.5 K、磁场变化为7 T时,LiGdO₂表现出大的磁熵变30.3 J/(kg·K)。以上研究结果表明,具有大稀土/配体比的LiGdO₂化合物在磁制冷材料中非常具有应用潜力。
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  热处理对a-Si薄膜结构和电化学储氢性能的影响

  苏勃石, 罗永春, 张海民, 张乾坤, 马哲文

  金属功能材料. 2025, 32(6): 16-24. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-8192.20250025

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  非晶硅(a-Si),特别是氢化非晶硅(a-Si:H)在离子液体电解质中表现出超高的电化学放电容量。然而,传统氢化处理通常需在高温下进行,且所得薄膜中的氢含量有限。为了探究热处理对改性薄膜电极电化学性能的相对贡献,本文采用射频磁控溅射法制备了厚度相近的a-Si薄膜,并将薄膜置于高真空条件下分别在200、300、500 ℃保温2 h进行热处理。结果表明,尽管热处理后的薄膜仍保持非晶结构,但显示出向微晶态转变的趋势。这种结构的转变会降低缺陷密度,增强结构的有序性,显著提升薄膜电极的电化学活性、放电容量、倍率性能及循环稳定性。200 ℃热处理后,薄膜电极最大放电容量提升15.2%,100个循环后的容量保持率由未处理前的74.8%提升至81.4%;300、500 ℃热处理后,薄膜电极放电容量分别提升54.4%和59.2%,并且在100个循环后容量仍未衰减。真空热处理通过改善薄膜的结构,显著优化了a-Si薄膜电极的性能,具有在镍氢电池等能量存储系统中广泛应用的潜力。
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  等离子熔覆TiC-W-Mo增强富铁钴基涂层的组织与性能研究

  管海云, 高丽平, 胡絮繁, 王伟, 张宁飞, 黄贞益

  金属功能材料. 2025, 32(6): 25-35. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-8192.20250022

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  为了增强富铁钴基涂层的性能,采用等离子熔覆技术在45号钢表面制备了3种不同成分的涂层,包括富铁钴基合金涂层(FeCo)、含TiC的富铁钴基合金复合涂层(FeCo-TiC)以及含TiC-W-Mo的富铁钴基合金复合涂层(FeCoWMo-TiC),并对比分析了3种涂层的显微组织、硬度和摩擦磨损性能。结果表明:FeCo涂层的组织主要为枝状晶、等轴晶,物相组成主要为γ-Co和CoC_x,FeCo-TiC和FeCoWMo-TiC涂层的物相组成为TiC、α(Fe,Co)、M₂₃C₆和M₇C₃相,W和Mo元素的引入有助于减小富铁钴基合金涂层中的TiC颗粒尺寸;FeCoWMo-TiC涂层的硬度最高且摩擦磨损性能最好,FeCo-TiC涂层次之,而FeCo涂层最低。3种涂层的磨损机制主要为磨粒磨损和黏着磨损。
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  相厚度对Ce_1.66Mg_1.34Co₉/α″-Fe₁₆N₂纳米复合双层膜磁性能的影响

  林涛, 张素英

  金属功能材料. 2025, 32(6): 36-43. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-8192.20250004

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  基于微磁学理论,采用三维模拟工具OOMMF系统研究Ce_1.66Mg_1.34Co₉/α″-Fe₁₆N₂纳米复合双层膜的磁性能,重点研究了硬磁相厚度(L^h)和软磁相厚度(L^s)对剩磁(M_r)、矫顽力(H_c)和最大磁能积((BH)_max)的影响,并分析了磁化反转过程中系统的能量变化规律。研究发现,在固定软磁相厚度L^s的条件下,随着硬磁相厚度L^h的增大,M_r和(BH)_max逐渐减小,而H_c变化不明显;当L^h为10 nm时,(BH)_max达到最佳值。在固定L^h的条件下,增大L^s后M_r逐渐增大,而H_c减小,(BH)_max逐渐增大后减小;当L^s为10 nm时,(BH)_max达到最佳值,与单相材料相比,(BH)_max提升了987.60%。此外,磁矩演化分析揭示了磁化反转过程中,磁矩从饱和状态到反向饱和状态的变化过程,从微观视角解释了双层膜系统的磁化过程,进而通过合理优化硬磁相与软磁相的厚度组合可提升纳米复合双层膜的最大磁能积,实现优良的综合磁性能。
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  热处理对非晶Fe-Si-B磁粉芯微观组织演变及磁性能的影响

  张青青, 王欣妍, 龙芝梅, 邵斌, 马毅龙, 刘仁柱

  金属功能材料. 2025, 32(6): 44-52. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-8192.20250011

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  利用废旧的非晶Fe-Si-B片状粉体压制为磁粉芯,通过改变热处理温度研究了磁粉芯内部颗粒的微观组织演变及磁特性。结果表明:热处理温度为380 ℃时开始析出α-FeSi相和Fe₂B相的纳米晶粒,该温度低于热分析测得的晶化放热温度。420 ℃时磁粉芯平均晶粒尺寸为13.62 nm,接近交换作用长度(15~20 nm),但晶粒间存在一定程度团聚。此外,析出的α-FeSi相与Fe₂B相的晶粒尺寸接近,且Fe₂B相体积占比远低于α-FeSi相。热处理温度升高将导致α-FeSi相与Fe₂B相的晶粒快速生长,磁粉芯磁平均各向异性常数增加,综合磁性能衰减。420 ℃热处理温度下磁粉芯表现出相对优异的交流磁特性,有效磁导率为64.5,在10 mT、1 MHz条件下总损耗为251.9 mW/cm³,直流偏置特性为60.0% (8 000 A/m条件下)。上述实验结果为废旧非晶Fe-Si-B材料的改性及再利用提供了重要参考。
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  焊后热处理对1 600 MPa级超高强钢焊接接头强韧性的影响

  郭文斌, 郑韶先, 安同邦, 左月, 曹志龙, 马成勇

  金属功能材料. 2025, 32(6): 53-63. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-8192.20250005

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  为明确焊后热处理(PWHT)对1 600 MPa级超高强钢(UHSS)焊接接头强韧性的影响,对超高强钢钨极氩弧焊(TIG)焊接接头进行淬火/回火热处理,利用扫描电镜(SEM)和电子背散射衍射(EBSD)技术对接头显微组织进行观察和表征,同时对接头开展拉伸和冲击性能测试。结果表明:超高强钢焊缝因存在明显的Cr、Mo、W、Si等元素偏析而使韧性下降;对焊接接头进行淬火/回火热处理,可显著降低焊缝中元素偏析程度,使焊缝组织由马氏体转变为回火马氏体,进而提高焊缝韧性。接头的力学性能测试也表明,热处理后接头的硬度分布更加均匀,母材和焊缝的抗拉强度分别提高至1 744、1 740 MPa。该研究可为超高强钢的焊接应用提供理论依据和技术支持。
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  Gyroid轴心梯度多孔结构设计及其力学性能研究

  黄浩, 李鹏伟, 王旭, 王昕, 罗旋

  金属功能材料. 2025, 32(6): 64-71. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-8192.20250010

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  基于圆锥曲面方程设计了一系列孔隙率沿轴心梯度变化的非均质Gyroid结构模型,并采用选择性激光熔化(SLM)技术进行3D打印。通过压缩试验与有限元模拟,系统研究了孔隙率梯度变化及加载方向对多孔结构力学性能和吸能特性的影响。结果表明,Gyroid轴心梯度多孔结构呈现力学性能各向异性。在垂直于梯度方向的加载条件下,梯度结构呈现强化效应,这主要源于低孔隙区域的应力集中;而在平行于梯度方向的加载条件下,梯度结构出现强度衰减现象,这主要源于高孔隙端的优先坍塌导致的渐进失效模式。梯度结构力学性能的强化与衰减程度均与梯度范围呈正相关。Gyroid轴心梯度结构的能量吸收效率普遍低于均质Gyroid结构,这主要源于孔隙率梯度界面处的非协调变形阻碍了应力传递。70%～30%孔隙率梯度结构在垂直于梯度方向上表现出最佳的力学与能量吸收特性,其屈服强度达92.1 MPa,平台应力为168.3 MPa,较均质结构分别提升15.86%和10.42%,最大能量吸收为(63.06±0.53) MJ/m³,与均质结构的63.97 MJ/m³基本相当。
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  氟-镧-茜素络合分光光度法测定稀土精矿中氟含量

  徐艳艳, 刘通, 张立锋, 张慧斌, 张慧珍

  金属功能材料. 2025, 32(6): 72-78. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-8192.20240234

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  为了研究稀土精矿中氟含量,建立了氟-镧-茜素络合分光光度法。首先,试样经高氯酸冒烟、水蒸气蒸馏分离富集氟;其次,馏出液以酚酞为指示剂调至中性;然后,茜素氨羧络合腙作显色剂,丙酮作稳定剂,水浴保温显色;最后,于625 nm波长处测吸光度。试验确定了最佳的蒸馏条件、显色剂和丙酮用量、水浴温度、显色时间、吸收波长等参数。精密度与结果比对试验表明,相对标准偏差(RSD)为2.260%~9.776%(测定次数n=11),与氟离子选择电极法的绝对误差为-0.032%～0.183%;加标回收率为96.00%～103.20%。该方法适用于稀土精矿中氟含量为0.10%~2.00%(质量分数)的测定。
应用研究
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  浇铸冷却速率对硅铁合金力学性能的影响

  刘长勇, 谢金萍, 刘棉, 王华, 王海娟

  金属功能材料. 2025, 32(6): 79-85. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-8192.20250012

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  为提升硅铁合金材料的硬度、抗拉强度及伸长率等力学性能,研究了浇铸冷却速率对硅铁合金力学性能的影响。采用硅石、焦碳及氧化铁皮制备硅铁合金试样并浇铸完成后,分别实施自然冷却、风冷和水冷3种冷却方式,对应的冷却速率分别为0.5、12.7、660.0 ℃/min。测试冷却后合金试样的压缩特性、拉伸特性和显微硬度等力学性能。结果表明:随着浇铸冷却速率的提升,硅铁合金的抗拉强度、伸长率和硬度均得到了显著提高;在压缩性能测试中,经过660.0 ℃/min水冷冷却的试样展现出了更高的应力值和更优的抗压性能;同时,摩擦磨损性能测试表明水冷冷却的试样失重最小,耐磨性能最佳;在高温环境下的硬度测试中,水冷冷却的试样硬度下降幅度最小,热稳定性表现更优。水冷冷却在提高硅铁合金的力学性能、耐磨性和高温稳定性方面表现出明显优势,建议在实际生产中优先采用快速冷却工艺。
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  基于有限元的螺栓损坏分析

  蒋佳杰, 杨敏之, 潘罡, 林海波, 袁沅

  金属功能材料. 2025, 32(6): 86-91. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-8192.20250014

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  为分析高强度螺栓在横向振动载荷下的应力分布和变形特性,以评估其在复杂受力环境下的耐久性,本文研究了螺栓连接的力学模型建立、仿真设置和模拟验证。通过有限元仿真技术,系统开展了螺栓挤压与随机振动载荷模拟,揭示了预紧力对接触区应力重分布及螺纹结构变形的影响规律。研究表明:预紧力从20 kN提升至80 kN时,挤压工况下螺栓钻孔处最大应力幅值降低21.4%,有效抑制了局部塑性变形;随机振动载荷作用下,螺纹过渡区出现3倍应力集中现象,该区域微裂纹萌生风险较其他部位提升明显。该方法通过量化变形与断裂的关联特性,阐明了螺纹接触界面滑移诱发的渐进式失效机制,为工程结构螺栓连接的安全设计与寿命预测提供了关键理论依据。
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  DH980增强成形性双相钢电阻点焊接头组织及性能研究

  郭强, 卜凡征, 吴庆美, 俞亚杰, 肖景江

  金属功能材料. 2025, 32(6): 92-98. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-8192.20250020

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  为应对汽车轻量化进程中高强度钢焊接的技术瓶颈,聚焦DH980增强成形性双相钢的电阻点焊接头特性,系统探索其工艺窗口与性能关联机制。通过设计梯度电流实验并结合金相、显微硬度及力学性能测试,揭示了DH980钢的焊接适应性规律。研究表明:DH980钢电阻点焊电流工艺范围为6.8~8.1 kA,电流工艺窗口为1.3 kA时, 表现出良好的焊接适应性;DH980钢焊接接头包含6个区,分别为粗大板条马氏体的熔核区,粗大马氏体的粗晶热影响区,细小马氏体的细晶热影响区,原始铁素体、新生铁素体、马氏体和残余奥氏体组成的临界热影响区,铁素体、马氏体、回火马氏体、少量贝氏体和残余奥氏体组成的亚临界热影响区,以及铁素体、马氏体、少量贝氏体和残余奥氏体组成的母材区;且亚临界热影响区马氏体回火与临界热影响区奥氏体分解引发接头软化;接头横向硬度呈“W”型分布,熔核区硬度较母材提升约31%;从最小电流I_min到最大电流I_max,点焊接头的剪切力提升了8.3%,且断裂模式为韧性凸台断裂。综上所述,DH980钢适用于汽车车身部件的电阻点焊制造。
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  低钛H13钢锭的生产实践

  魏巍, 李虹, 张静, 郭小爽

  金属功能材料. 2025, 32(6): 99-105. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-8192.20250016

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  H13钢合金含量较高,生产过程控制不当或使用合金不当将导致钢水中Ti含量较高,而Ti质量分数大于0.003%时,会生成富Ti型液析碳化物或TiN夹杂,严重影响模具的疲劳性能及使用寿命。因此,本文生产工艺通过优化H13钢化学成分,严格管控生产过程,实现了优质H13钢锭的稳定生产。冶炼工艺要求在转炉炼钢、LF精炼的生产过程中,使用P含量、Ti含量较低的合金及物料。在转炉生产过程中进行3次造渣操作,要求将第1次、第2次炉渣倒净,吹炼前将转炉炉帽及钢包的残钢残渣清理干净,并严格控制转炉出钢过程禁止下渣。LF精炼前期调整Cr含量,保证LF总渣量30 kg/t钢以上,控制精炼渣较低的碱度R。LF渣系成分范围:w(CaO)=50%～53%,w(Al₂O₃)=24%～28%,w(SiO₂)=13%～15%,w(MgO)=6%～8%,w(TFe+MnO)≤0.5%,R=3.5～4.0。LF精炼时间130~150 min。钢锭浇铸前要求钢锭模温范围50～80 ℃。浇铸钢锭的锭身时,控制钢水的浇铸速度为0.4～0.5 t/min,锭身浇铸完成后降低浇铸速度,浇铸钢锭的冒口时,控制钢水的浇铸速度为0.2～0.3 t/min。在钢锭浇铸过程中需要做好氩气密封,同时要保证钢锭模内钢水的液面平稳上升。通过以上工艺,实现了H13钢锭P质量分数不大于0.012%、Ti质量分数不大于0.002 0%,有效控制液析碳化物和TiN夹杂的数量及尺寸,并获得良好的高倍及低倍组织,且其冲击功不小于300 J。
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  油田注水站注水泵中易损易蚀部件的失效分析

  武骞, 王珂, 王侦倪, 秦妞妞, 谢燕翔

  金属功能材料. 2025, 32(6): 106-112. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-8192.20250041

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  柱塞式注水泵作为中国注水采油技术中广泛应用的核心地面设备,其安全稳定运行直接影响到油田的生产效率、采油质量及整体产量。柱塞式注水泵中的柱塞杆和组合阀是重要的易损易蚀部件,其能否正常运行对注水采油过程至关重要。选取了延长油田杏子川采油厂注水站中失效的柱塞杆和组合阀作为研究对象,采用材质分析、金相组织观察、显微硬度测试等多种方法,对失效原因进行了系统分析。通过扫描电子显微镜对失效部件表层腐蚀垢物的微观形貌进行观察,并结合X射线衍射技术进一步分析了腐蚀垢物的物相组成。结果表明:失效柱塞杆基体材料为27SiMn钢,其金相组织为渗碳体与铁素体的复合结构;失效组合阀材料为2Cr13不锈钢,金相组织主要为马氏体。SEM分析发现:柱塞杆表层存在显著的镀层开裂和脱落现象,局部区域出现明显的腐蚀坑;组合阀则呈现出大量微小的点蚀坑及蜂窝状腐蚀区。XRD分析结果表明:失效部件表层腐蚀垢物主要由CaCO₃和FeOOH组成,造成了注水泵部件的失效。研究结果为解决注水采油系统中注水泵部件的腐蚀问题提供了理论依据,并提出了改善部件耐蚀性能的技术建议。通过进一步优化相关技术,可以有效延长部件的使用寿命,提高油田注水采油系统的安全性与稳定性,为油田生产提供重要支持。