青年π谈

• 含Gd元素中子屏蔽Al基材料研究进展

  谭斌;王龙飞;芦鹏彬;丁一耕;杨翠翠;王祺睿;余佳齐;刘志伟;

  随着“碳达峰、碳中和”目标的推进，核能作为清洁低碳能源的重要性不断提升，乏燃料的安全防护问题也日益突出。中子屏蔽材料在乏燃料贮存和运输中起关键作用。传统乏燃料贮运用中子屏蔽材料主要包括硼钢、铝硼合金、B4C/Al复合材料等。当前，研发轻质高强易变形且兼具高中子吸收能力的屏蔽材料成为业界关注热点。含Gd元素中子屏蔽Al基材料具有高比强度和良好的中子吸收性能，成为新型结构功能一体化屏蔽材料的首选。基于此，主要综述了含Gd元素中子屏蔽Al基材料的组分设计及制备工艺相关研究，旨在分析此类中子屏蔽材料组分-制备-组织-性能之间的关系，推进我国乏燃料高效贮存及核工业的安全发展。

  2025年05期 v.46;No.398 405-415页 [查看摘要][在线阅读][下载 1421K]
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• 超声辅助凝固制备Cu-Ti合金组织及性能研究

  张喆;高楠熙;雷作栋;崔尚坤;曹飞;邹军涛;王文;王快社;

  铜钛合金作为一种高强高弹铜合金，具有优异的强度、导热性、高温稳定性和抗应力松弛性能，被认为是替代铍青铜的理想材料。然而，钛和铜之间物性差异大，且钛在铜中的室温固溶度低，导致铜钛合金铸态组织偏析严重，存在粗大富钛初生相，制约合金强度和导电性能的提升。基于此，本研究提出超声辅助凝固方法制备铜钛合金，通过实验研究了超声功率对铜钛合金微观组织的影响规律，发现超声处理能够显著改善组织偏析，细化晶粒尺寸和初生相尺寸，减小富钛相等初生相含量。经相同形变热处理制度，超声辅助凝固铜钛合金抗拉强度由801.38 MPa提升至851.0 MPa，导电率由15.31%IACS提升至15.68%IACS，力学和导电性能的协同提升与超声作用下晶粒尺寸细化和初生相含量减少直接相关。

  2025年05期 v.46;No.398 416-423页 [查看摘要][在线阅读][下载 1660K]
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• 中间层对铝/镁双金属界面调控研究进展与展望

  李广宇;曾乾通;王月佳;蒋文明;王军;康兴;王晓琼;姚山;姚平坤;

  Al/Mg双金属材料结合了铝合金和镁合金的性能优势，但界面易形成脆性金属间化合物，影响接头性能。中间层作为界面调控手段，能够有效阻隔Al与Mg的直接反应，优化界面组织，提升连接性能。本文综述了不同类型中间层(低熔点金属、高熔点金属、多元素金属及高熵合金)在复合铸造、焊接等工艺中对Al/Mg双金属界面的影响，总结了各类中间层的作用机制及界面性能变化规律，并展望了未来高性能中间层材料的发展方向。

  2025年05期 v.46;No.398 424-438页 [查看摘要][在线阅读][下载 2010K]
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试验研究

• 通过预变形奥氏体加速中锰钢贝氏体相变及其对力学性能的影响

  魏玄理;黄林科;刘峰;

  中锰钢常用的IA和QP工艺会产生奥氏体+铁素体和奥氏体+马氏体的组织，前者屈服强度难以提升，后者塑性难以提高，导致出现力学性能瓶颈。为开发新一代中锰钢，亟需引入新的相结构，其中贝氏体相变由于其强度和塑性的较好配合逐渐引起关注。而中锰钢中锰含量较高，贝氏体相变的速率较慢，因此采用在等温前对过冷奥氏体进行冷轧处理以引入位错的方法加速贝氏体相变的发生。研究结果表明，经过预变形处理后，贝氏体组织在变形样品中比未变形样品提前24 h出现，且相变基本完成的时间为60 h，相较于未变形样品提前了12 h。实验中位错不会阻碍贝氏体生长，最终含量减少的原因是位错极大地促进了珠光体组织的形核和长大，大量珠光体消耗了晶界处的形核点，使得贝氏体最终的转变量由40%下降至18%(体积分数)。

  2025年05期 v.46;No.398 439-447页 [查看摘要][在线阅读][下载 1777K]
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• Ce微合金化对免热处理Al-Si合金组织与性能的影响

  谭晓;翟文鑫;于巍;姜凯曦;白玉;郝海;

  由于对热处理工艺存在依赖，传统铝合金普遍面临能耗高、变形大等工程挑战，这一现状促使免热处理铝合金得以快速发展。本文基于JMat Pro热力学计算，优化Al-7Si-Mg-Cu-Mn合金成分体系，揭示稀土Ce调控微观组织的热力学机制，为新型免热处理铝合金的开发提供理论支撑。CALPHAD计算表明，将Mg/Cu质量比控制在1.53时，可促进Q相(Al_5Cu_2Mg_8Si_6)成为主导强化相，取代Mg_2Si和Al_2Cu相，实现强度-塑性协同提升。在优化后的基体合金中添加稀土Ce可进一步强化合金性能。结合实验及偏摩尔吉布斯自由能计算，阐明了Ce微合金化的调控机制：Ce在凝固过程中降低α-Al形核势垒并抑制枝晶生长，使二次枝晶臂间距降低34.2%；在共晶阶段，Ce选择性吸附在硅相表面，促使共晶硅形貌由层片状转变为纤维状。该协同优化效应在Ce含量为0.3%(质量分数)时达到峰值，合金抗拉强度(179 MPa)和伸长率(7.4%)较未添加Ce的合金分别提升了17%和51%。

  2025年05期 v.46;No.398 448-457页 [查看摘要][在线阅读][下载 2224K]
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• 疲劳损伤奥氏体304不锈钢组织与性能的关联性

  张孟浩;支辉辉;王维俊;罗皎;王海丰;

  亚稳态奥氏体304不锈钢在核电领域应用广泛，但易发生疲劳损伤而影响服役寿命，因此通过无损检测手段评估其服役过程中的疲劳损伤至关重要。本文采用X射线衍射、电子背散射衍射、硬度和磁性能测试手段，系统研究了304不锈钢在不同疲劳循环次数下的微观组织与维氏硬度和饱和磁化强度之间的关联性。结果表明，随着疲劳循环次数增加，304不锈钢由奥氏体相转变为马氏体相，且马氏体相含量不断增加；而位错密度在疲劳循环0～1周内增加后基本不变。在疲劳循环0～1周内，304不锈钢的维氏硬度由马氏体含量和位错共同决定；而在后续疲劳循环中，维氏硬度增量仅与马氏体含量增加有关，此时二者呈线性关系。304不锈钢的饱和磁化强度与钢中马氏体含量相关，且二者之间也存在线性关系。

  2025年05期 v.46;No.398 458-463页 [查看摘要][在线阅读][下载 1641K]
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• 低氧环境下FeNiCrAl多主元合金动态铅铋腐蚀行为

  王健斌;赵可;王志军;刘小明;黄赟浩;李俊杰;王锦程;

  铅冷快堆作为第Ⅳ代核反应堆的推荐堆型，具有显著的先进性。然而，耐铅铋腐蚀结构材料一直是制约其发展的重要因素。已有研究表明Fe_(37)Ni_(36)Cr_(10)Al_(17)多主元合金具有良好的静态铅铋相容性。基于此，以Fe_(37)Ni_(36)Cr_(10)Al_(17)合金为对象，在含氧量为10~(-7)%(质量分数)、流速为2 m/s的550℃液态铅铋中暴露2 000 h以探究其动态腐蚀行为，为新型含Al金属材料在铅冷快堆中的应用提供研究基础。结果表明，Al对氧化层的致密性和稳定性起决定性作用。当合金表面生成富Al氧化层时，合金能够得到很好保护；当氧化层中Al含量较低或分布不均时，合金会发生明显的溶解腐蚀。溶解腐蚀主要发生在FCC相中，导致FCC相中的Ni大量流失，并析出弥散的B2相。相比于传统商用不锈钢，Fe_(37)Ni_(36)Cr_(10)Al_(17)合金的溶解腐蚀深度较浅，具有明显的应用优势。

  2025年05期 v.46;No.398 464-470页 [查看摘要][在线阅读][下载 1640K]
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工艺技术

• 超重力定向凝固熔铸炉的研制与实践

  赵建江;王飞;陈云敏;韦华;

  超重力定向凝固是一种有潜力的改善合金力学性能的技术。在足够高的离心加速度下，熔体从层流状态转变为湍流，然后再恢复为层流状态，这势必显著影响凝固前沿的稳定性，从而影响合金的微观结构和力学性能。为了在离心超重力方向上建立一个可控的温度梯度，将多区温度调节系统与坩埚底部的氩气冷却系统相结合，研发了一种超重力定向凝固炉，并在1g和535g条件下进行测试，验证了超重力定向凝固熔铸炉设计方案的可行性。实现了在超重力环境下对于温度梯度和冷却速率的调控。力学性能结果表明，535g样品的力学性能显著优于1g样品，抗拉强度提高了约18%，伸长率约提升76%。证实其在优化合金微观结构及提升力学性能方面的显著优势，为高性能材料制备提供了新方法。

  2025年05期 v.46;No.398 471-480页 [查看摘要][在线阅读][下载 1887K]
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• 大型海上风电机组高强度高韧性抗低温冲击球墨铸铁主轴的研发

  徐德安;纪汉成;肖志瑜;

  随着海上风电快速发展和装机容量攀升，市场对大型风电主轴需求激增，这对高性能主轴材料及其先进制造工艺的研发提出了迫切要求。针对大型海上风电主轴结构及使用需求，从铸造主轴材料、关键铸造及加工工艺3个方面进行创新研究。材料上，优化成分配方并创新球化和孕育处理工艺，获得了铸态高性能固溶强化铁素体球墨铸铁，满足了海上风电对主轴高强度、高韧性、抗低温冲击的严苛需求；铸造工艺集成无冒口自补缩等技术，提高了工艺出品率和成品率；采用立式多头数控机床和优化的机加工工艺，提高了加工精度和生产效率。本主轴生产技术降低了生产成本，并投入批量化工业生产，提高了主轴整体的成品率和经济效益。

  2025年05期 v.46;No.398 481-490页 [查看摘要][在线阅读][下载 1744K]
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• 基于ProCAST的TC18钛合金泵体真空凝壳铸造工艺仿真研究

  谭聪;赵杰;何宇航;董英杰;邓洪宇;滕凤远;王镜钢;罗渝琨;

  基于ProCAST有限元仿真平台，开展了TC18钛合金泵体真空凝壳铸造工艺优化研究。通过构建合金牛顿流体本构模型，量化分析了TC18与TC4钛合金的流变特性差异，确定TC18优化浇注温度为1 770℃。建立了泵体三维流-固耦合模型，并系统对比传统顶注式与改进底注式浇注系统的熔体充型行为及凝固特征。结果表明，优化浇注系统后有效抑制了金属液紊流（流速降幅达38.6%），促使缩松缩孔体积分数降低74.3%；同时二次枝晶间距缩减21.4%，关键部位抗拉强度提升15.5%。X射线探伤与拉伸试验验证了模拟结果的可靠性。

  2025年05期 v.46;No.398 491-498页 [查看摘要][在线阅读][下载 1717K]
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