2025年, 第32卷, 第3期　
刊出日期：2025-06-20

  

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专家论坛
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  高熵高温合金的研究进展

  杨素媛, 周朗, 马兆龙, 程兴旺

  金属功能材料. 2025, 32(3): 1-7. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-8192.20250065

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  高熵高温合金作为金属结构材料领域的研究热点,因其在极端环境下的潜在应用价值受到广泛关注。系统阐述了高熵高温合金的组成特征与微观结构设计:在元素组成方面,采用等原子比或近等原子比的多元组分配比构建高熵体系;在组织结构方面,通过面心立方固溶体基体与有序析出相的协同作用实现性能优化。研究显示,HESA在宽温域(20~1 200 ℃)内均能保持优异的强塑性匹配,其力学性能稳定性源于多尺度强化机制的协同作用,包括固溶原子引起的晶格畸变强化、纳米级有序析出相带来的第二相强化,以及晶界工程调控实现的晶界强化。最后对高熵高温合金的研究应用前景进行了展望。
研究与技术
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  压力限制下Nd-Cu晶界扩散(PrNd)-(FeCoGa)-B热变形磁体的性能与微观结构

  刘瑞金, 王俊明, 陈富涛, 郭朝晖

  金属功能材料. 2025, 32(3): 8-13. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-8192.20240105

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  研究了压力限制下热变形磁体的晶界扩散过程,分析了扩散后磁体的性能与微观结构。在未施加压力扩散时,磁体的矫顽力由14.19提升到24.36 kOe,但是扩散后磁体c轴方向上的高度明显增加,大量的非磁性相进入磁体内部,取向度明显降低,导致剩磁剧烈恶化,从14.71下降到10.00 kGs;在晶界扩散过程中施加压力后,磁体c轴方向的体积膨胀得到控制,富稀土相的面积分数减小,取向度提高,抑制了剩磁的剧烈恶化。晶界扩散后磁体的矫顽力机制发生变化,扩散磁体的钉扎作用显著增强,这可能是矫顽力提高的主要原因。最终压力限制下晶界扩散得到的磁体性能为:B_r=13.71 kGs,Hcj=18.63 kOe,(BH)_max=46.44 MGOe。
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  Ho₂Fe₁₇合金的热膨胀性能调控

  李俊沛, 周静雯, 蔡银颖, 林志伟, 王鑫, 朴贤政, 缪雪飞, 徐锋

  金属功能材料. 2025, 32(3): 14-20. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-8192.20240201

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  零热膨胀材料由于在一定温域内表现出极小的体积或尺寸变化,在光学仪器、精密电子设备、航空航天等领域具有广泛的应用前景。Ho₂Fe₁₇合金的磁相变伴随着显著的磁体积效应,有效补偿了晶格非简谐振动导致的正热膨胀效应,使得该合金表现出负热膨胀行为。通过真空电弧熔炼的方法,在Ho₂Fe₁₇合金中引入硼元素,实现了宽温域的零热膨胀特性,其中Ho₂Fe₁₇B_0.2在120~350 K的温域范围内的热膨胀系数仅为-0.74×10^-6 K^-1。进一步通过扫描电子显微镜、X射线衍射仪、振动样品磁强计等设备表征了样品的显微形貌、晶体结构、磁相变行为,分析了热膨胀行为的调控机制。为设计和调控材料的热膨胀性能提供了新思路。
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  高性能M型锶铁氧体的制备及性能

  王琴, 马毅龙, 罗现福, 张云川, 钟妍

  金属功能材料. 2025, 32(3): 21-30. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-8192.20240184

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  采用固相反应法并结合高能球磨工艺制备M型锶铁氧体,研究球磨时间与添加剂种类及含量对M型锶铁氧体微观形貌、晶体结构、磁性能的影响。结果表明,当二次球磨时间为12 h时,样品烧结后具有最佳的磁性能,其最大磁能积(BH)_max=32.7 kJ/m³。进一步研究了Co₃O₄、CaCO₃及SiO₂的添加对磁体磁性能的影响,结果表明,磁体磁性能会随着Co₃O₄的添加而降低;随着CaCO₃含量增加,晶粒过度生长且不均匀,进而引起其矫顽力逐渐下降,当CaCO₃含量为0.2%(质量分数)时,矫顽力有最大值Hcj=326.7 kA/m;随着SiO₂含量增加,样品的磁性能呈现先增后减的趋势,当SiO₂含量为0.3%(质量分数)时,烧结样品有较高的致密性,此时样品有较好的综合性能:Hcj=340.5 kA/m,B_r=403.0 mT,(BH)_max=31.7 kJ/m³。因此,通过调节球磨时间和不同添加剂种类及含量可以改善锶铁氧体的磁性能。
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  铈锆复合氧化物成分系列标准样品研制及定值方法

  王丽娟, 赵拓, 李欣欣, 吴文琪, 任旭东

  金属功能材料. 2025, 32(3): 31-37. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-8192.20240113

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  铈锆复合氧化物作为高性能三元汽车尾气净化催化剂的关键助催化材料,被市场广泛应用。现有标准方法及标准样品数量少,无法满足实际生产和使用需要。目前,国内外现有的铈锆复合氧化物成分标准物质无法满足用户对不同元素及不同含量范围的需求,因此,研制了1套三点铈锆复合氧化物成分系列标准样品,分别命名为LH-01、LH-02、LH-03。在成分设计上充分考虑了铈锆复合氧化物现行产品标准以及现今市场上铈锆复合氧化物各元素的含量范围。经过广泛的市场调研,并根据客户的一般需求,确定了样品的成分设计,并邀请8家权威有资质检测机构对标准样品中ZrO₂、CeO₂、La₂O₃、Pr₆O₁₁和Y₂O₃进行定值,给出标准偏差和不确定度。本标准样品的研制工作严格按照GB/T 15000.1~GB/T 15000.8《标准样品工作导则》和YS/T 409—2012《有色金属产品分析用标准样品技术规范》的各项要求进行。由于铈锆复合氧化物标准样品定值元素含量的准确测定缺乏标准分析检测方法,同时对定值元素的检测方法进行了研究。
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  腐蚀大气环境对Q235钢的性能及矫顽力的影响

  何博昊, 黄文飞, 张弛, 张国庆, 陈友鹏

  金属功能材料. 2025, 32(3): 38-43. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-8192.20240196

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  针对工程机械长期在酸雨等腐蚀大气环境中服役导致机械金属性能衰减所带来的安全问题,选用了工程中常见的Q235钢作为实验对象并在两种腐蚀工况下进行腐蚀实验,在记录腐蚀过后Q235钢的拉伸实验过程中力学性能变化的同时使用磁滞无损检测设备对不同腐蚀时间的Q235钢试样进行矫顽力检测。结果表明:随着腐蚀时间的增加,力学性能呈现衰减趋势,其中对于弹性模量的削弱尤其明显。在屈服阶段屈服平台逐渐消失,矫顽力提前出现变化,在强化阶段,腐蚀时间为90 d时在中性、酸性盐雾腐蚀环境下矫顽力分别增加至9.2、8.9 A/cm。随着腐蚀时间的增加,材料的矫顽力明显呈下降趋势,颈缩阶段矫顽力变化加快。在腐蚀过程中矫顽力的变化规律能够在一定程度上体现材料的性能退化程度,可为相关设备的无损检测和性能评价提供参考。
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  Pt、Pd合金化对纳米多孔Ni孔结构和电解水析氢性能的影响

  王晶, 于一鹏, 皮寿熹, 罗曦, 刘军凯, 张建福

  金属功能材料. 2025, 32(3): 44-49. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-8192.20240190

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  针对电解水制氢技术中的关键挑战开发高效、低成本的电催化剂,提出一种新型的自支撑三维电催化剂。在Ni₄₀Zr₄₀Ti₂₀非晶合金前驱体中分别加入3%(原子数分数)的Pt、Pd进行合金化,再结合合金技术制备出具有蜂窝状纳米多孔结构的柔性自支撑纳米多孔/非晶合金复合材料催化剂。Pt合金化后,在10 mA/cm²的电流密度下仅需32 mV过电位, Pd合金化后的多孔材料在10 mA/cm²的电流密度下需52 mV过电位,Pt合金化的效果优于Pd,且多孔PtNi/非晶复合材料电解水析氢性能优于商业Pt/C催化剂。多孔PtNi/非晶复合材料的优异电解水性能得益于其亚微米级的蜂窝多孔结构和海绵状纳米孔结构,这些结构在确保催化剂结构稳定性的同时,暴露出更多的催化活性位点。由于较小的镍原子替代了贵金属晶格位点,引入压缩晶格应变效应,从而优化了氢的吸附能。不仅为开发具有自支撑结构、高灵活性和低铂含量的析氢催化剂开辟了新途径,而且对于深入理解催化过程中的合金效应具有重要的科学意义。
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  Fe-11Mn-2Al-2Si中锰钢动态冲击性能

  暴嘉宁, 朱帅康, 赵鑫, 蔡志辉

  金属功能材料. 2025, 32(3): 50-57. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-8192.20240169

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  采用霍普金森压杆装置对不同热处理后的实验中锰钢进行不同冲击压力的动态冲击实验。结合光学显微镜(OM)、具有能谱分析(EDS)的扫描电子显微镜(SEM)、多晶射线衍射仪(XRD)对冲击前后的显微组织进行分析,研究Fe-11Mn-2Al-2Si中锰钢在不同热处理条件下及不同应变速率下的动态力学性能变化规律。结果表明:在淬火工艺不变时,由于应变速率的增加引起相变诱发塑性效应(TRIP效应)增强的同时位错密度增加,实验钢的屈服强度和极限强度与应变速率呈正相关关系,淬火温度为750 ℃时奥氏体转化量达到峰值(41%)。冲击压力为0.7 MPa,650和 750 ℃下淬火的试样应变速率大,绝热剪切带产生。绝热剪切带内存在AlN析出物,提高了材料强度和硬度,但降低了材料的韧性。
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  低碳钢矩形管绕弯成型质量的仿真

  王翠竹

  金属功能材料. 2025, 32(3): 58-64. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-8192.20240181

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  为了优化低碳钢矩形管的绕弯成型工艺,研究了芯管间隙、芯头数量与弯曲半径对Q235矩形管绕弯截面质量的影响。利用Dynaform软件模拟管坯绕弯90°的工况,每间隔10°划分截面,算出该截面上管件的中面高度缩减率与局部壁厚减薄率。结果表明:截面畸变最严重的区域靠近管件头部,大约在截面角处于50°~70°的区间;增加芯头数量能显著降低管件的截面畸变程度,却会导致管件的壁厚减薄率增大;当芯管间隙较大时,弯曲半径的变化对管件截面畸变的影响较小;而当芯管间隙较小时,弯曲半径的减小会显著增大管件的截面畸变。因此,在实际生产中,可以根据具体需求调整芯管间隙、芯头数量和弯曲半径等参数,以平衡管件的截面畸变和壁厚减薄率,提高产品质量和生产效率。
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  TC4钛合金材料的本构及断裂力学模型

  李弘耀, 刘富

  金属功能材料. 2025, 32(3): 65-73. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-8192.20240163

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  钛合金材料的本构模型及断裂模型的优化有助于提升其仿真的准确性。通过对TC4钛合金材料进行不同工况的拉伸实验,构建了钛合金材料本构及断裂失效模型。本构模型采用了Johnson-Cook本构方程描述,断裂模型采用了Johnson-Cook断裂模型及LOOKU断裂模型。利用Pamcrash软件进行仿真,对比了实验结果与仿真载荷位移曲线以及两种模型的差别。通过进一步分析钛合金材料的力学行为和断裂特性,构建出更加精确、实用的本构及断裂力学模型,并对仿真模型参数进行标定。
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  应力诱导对氧化锆材料耐久性的影响

  方圆, 林瑶, 徐强, 王景坤, 戚孟春, 段颖莹, 李晨曦

  金属功能材料. 2025, 32(3): 74-80. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-8192.20240191

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  为优化烧结温度和原料粒径,评估应力诱导对材料韧性的影响,研究应力诱导对氧化锆材料耐久性的影响。以纳米氧化锆作为主要原料,聚乙烯醇作为造孔剂,经筛分烘干等预处理后,使用干压法结合冷等静压法得到氧化锆生胚,对生胚烧结浸润处理,得到氧化锆材料。对该材料施加应力诱导,测试诱导后材料相变,以及烧结温度升高的相变变化。改变原料粒径,分析材料断裂韧性,由此确定材料耐久性变化。实验结果显示,应力诱导下,氧化锆材料出现裂缝及相变,t晶相向m晶相转变,伴随体积膨胀抑制裂缝,提升断裂韧性。升高烧结温度,相变含量上升,晶粒粒径增大,韧性增强。原料粒径增加,断裂韧性和晶粒尺寸下降。原料粒径350 nm时,氧化锆材料在应力诱导下断裂韧性佳,耐久性能更优。
应用研究
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  热镀锌铝镁锌锅内锌液流动与传热规律

  何涛, 李冰, 芦垚, 王汝栋, 崔衡, 熊俊伟, 张毅

  金属功能材料. 2025, 32(3): 81-90. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-8192.20240162

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  在带钢连续热镀锌生产中,锌液的流动状态、温度分布对产品质量有着非常重要的影响,而锌液的流动状态及温度分布与带钢及锌液的各参数设置密切相关。以某连续热镀锌铝镁锌锅为研究对象,采用数值模拟方法,使用流体力学计算软件Fluent建立锌液流动传热数值模型,与现场提供的测温点对比验证了模型的准确性,并研究不同参数设置对锌锅内锌液流动、传热的影响规律。结果表明:增加带钢速度能提高锌液温度分布的均匀性,但也增加了卷入渣相的可能性;入锅板温过低时,热量输入较少,加大了感应加热器的加热压力,而入锅板温过高使铁元素溶解度升高、渣相增多,不利于镀锌工作;锌液初始温度能显著影响锌液温度分布,锌液初始温度设定在450~460 ℃时,锌液温度分布更均匀,有利于镀锌。
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  基于FFA-YOLO的钕铁硼表面缺陷检测

  李俊峰, 陈谦, 郝京波, 杜阳, 梁真

  金属功能材料. 2025, 32(3): 91-96. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-8192.20240164

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  针对烧结钕铁硼产品表面缺陷检测中的复杂背景干扰问题,提出了一种高效的检测方法FFA-YOLO。首先,在骨干网络模块中引入FFA-Net对图像进行去噪处理;其次,在颈部网络层中使用SEAM模块,通过深度可分离卷积学习空间维度与通道的相关性,从而提升在复杂背景下的检测性能。最后,提出了C2f_DSConv模块,自适应聚焦于细长及曲折的局部结构,提高了分割图像的精确性。实验结果表明,该模型在烧结钕铁硼数据集上较基准模型的mAP@0.5和mAP@0.5∶0.95分别提升了3%和6.6%,模型大小为49.6 MB,GFLOPs为78.7,在保持基准模型轻量化的同时,显著提高了检测性能。
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  分段加工对烧结Nd-Fe-B磁体涡流发热及磁性能的影响

  张庆吉, 史丙强, 王鹏飞, 张玉孟, 王聪, 燕秀龙, 邓聪

  金属功能材料. 2025, 32(3): 97-102. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-8192.20240165

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  将磁体沿长度方向进行分段切割,并根据分段数量及宽度方向上的贯穿与否,将磁体分为了N等分贯穿磁体及未贯穿磁体。通过测量磁通,发现4/6/8等分未贯穿磁体伴随着分段数量的增加,磁体体积损失由0.96%增加至2.24%,从而导致磁通损失由1.12%增加至2.18%;根据110、130、150 ℃不可逆损失测试结果,各温度下不同分段数量的磁体不可逆损失水平基本一致,分别在0.4%~0.6%、0.8%~0.88%、9%~12%等范围内波动,这表明分段加工对磁体不可逆损失影响较小。在交变磁场中放置10 min模拟磁钢的运行环境,伴随着分段数量的增加,磁体的温升幅度逐渐降低,分别为27.5、26.5、25.0 ℃,该结果说明未贯穿分段加工对磁体在交变磁场中的涡流效应有明显的抑制效果;将6等分贯穿分段与未贯穿分段磁体进行装机模拟涡流损耗与电机效率,发现未贯穿磁体涡流损耗为9.68 W,略高于贯穿分段磁体4.95 W,而电机效率为97.40%,略低于6等分贯穿分段磁体的97.46%,但考虑未贯穿分段加工可以减少后续的黏胶成本和黏胶后的加工过程,从而节省成本,因此未贯穿分段磁体在降低涡流损耗方面具有巨大的应用潜力。
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  轨道车辆表面不锈钢重防腐粉末涂料的制备开发

  邢宏楠

  金属功能材料. 2025, 32(3): 103-108. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-8192.20240179

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  轨道车辆长期运行在含有电解质的环境中,在拉应力和腐蚀介质的共同作用下,容易发生点蚀、缝隙腐蚀等电化学腐蚀问题。由于当前涂料无法满足轨道车辆长期在含有电解质环境中运行的需求,且腐蚀介质对基材具有渗透性,导致涂层过早失效,降低列车的使用寿命。为此,通过酚醛改性环氧树脂和环氧树脂的混合,结合多个外掺剂制备出重防腐粉末涂料,改变环氧当量、磷酸锆含量和固化剂比例等参数,对涂料的表观性能、力学性能和耐腐蚀性能进行测试和分析,通过对比不同参数下的涂料性能,优化涂料配方,以获得最佳的防腐效果。该涂料在950 eq环氧基料当量下,具有优异的表观性能和力学性能。磷酸锆添加量为15%和固化剂与环氧树脂比例为1∶5的条件下,涂料表现出良好的耐腐蚀性能和耐冲击性能。这些结果表明,该涂料能够满足轨道车辆不锈钢车体表面的防腐需求。基于此可以继续优化涂料的防腐性能、耐候性能和耐磨性能,以满足更加复杂和恶劣的使用环境。