PDF《C07.空间材料科学技术》

1 C07.

空间材料科学技术 学术顾问:魏炳波 分会主席:王海鹏、潘明祥、赵九洲、金蔚青 C07-01 空间微重力条件下的材料制备研究与应用 潘明祥,汪卫华,王彬彬 中国科学院物理研究所 在空间微重力环境下开展与材料制备相关的应用活动,或者说产业化是空间技术应用及材料加工活动的主要方向之一. 特别是在国际空间站建成后的美国、日本、欧洲与俄罗斯,在注重于在上面继续开展基础的材料科学研究的同时,如何开展 微重力环境下的材料加工商业化活动也越来受到人们的重视. 随着我国空间技术发展, 及国家对基于先进技术应用支持的逐 步重视和投入,如何利用我国的空间飞行平台(例如,将于

2022 年左右建成的空间站及我国商业化返回式卫星平台) ,依据 应用需求和未来在先进和尖端材料发展等前瞻性探索方面,走我们自己的路,这也是该考虑的时候了.为此,本报告将对国 际上在空间微重力环境下已经开展的材料科学研究及加工活动如何服务于应用及对地面材料加工工艺的改进等产生的一些 影响或效益等做点介绍,以期服务于我们未来在这方面可能进行的思考,尽可能拓展我国空间技术应用的效益. 关键词:空间飞行平台,微重力环境,材料科学研究,材料,产业化 C07-02 Ag-Cu-Ge 三元共晶合金的空间凝固研究 解文军,魏炳波 西北工业大学理学院应用物理系 空间微重力环境消除了流体静压力和浮力对流, 可以实现熔体由表面张力约束的状态和由扩散机制控制的传热传质过程, 为研究液态金属的形核、相选择、晶体生长、凝固组织演化等提供了理想的实验条件. 三元共晶合金的凝固涉及三个固相在同一个液相中的竞争形核和协作生长, 对理解自发模式形成现象和优化原位复合材 料制备工艺都具有重要的科学和工程意义.

2016 年9月15 日,天宫二号空间实验室成功发射并开展了多项空间材料科学实验,其中包括 Ag-Cu-Ge 三元共晶合金 的空间凝固.本文对空间实验条件、初生相形成、溶质分布、小面-非小面转变、三元共晶模式等进行了分析,发现重力条 件改变了三元共晶凝固过程中初生相和溶质的分布规律,空间实验条件使 Ge 相和 Cu3Ge 相之间的依附关系凸现出来. 本文由中国载人航天工程和国家自然科学基金(51371148)资助. 关键词:三元共晶,空间凝固,天宫二号 C07-03 SiC 纳米线/带强韧化陶瓷涂层研究 褚衍辉 华南理工大学 高温易氧化和烧蚀是碳/碳(C/C) 复合材料作为热结构材料使用的瓶颈问题, 陶瓷涂层技术是解决该难题的最有效途径, 但其自身固有的脆性以及与 C/C 基体之间的弱界面结合是亟需攻克的关键性科学难题.为此,我们提出 SiC 纳米线/带强韧 化陶瓷涂层的新思路,并采用 CVD 法、原位合成法以及包埋浸渗法等相结合的途径成功地将不同形貌和长径比的 SiC 纳米 线/带均匀地引入陶瓷涂层中,在某种程度上解决了陶瓷涂层的脆性以及与 C/C 之间弱的界面结合问题,制备出具有优异防 氧化性能的 SiC 纳米线/带增韧陶瓷涂层, 实现了陶瓷涂层对 C/C 复合材料在室温→1500℃宽温域防氧化的保护, 发现了 SiC 纳米线自身塑性变形和节点咬合以及界面塑性脱粘和铆钉效应等新型纳米强韧化机制. C07-04 微重力环境对高温加热炉温场的影响 汤美波,艾飞,潘秀红 中国科学院上海硅酸盐研究所

2 重力环境、炉内气体压力和加热功率等因素都会影响高温加热炉的温场.由于重力影响,加热时炉内气体产生对流,从 而改变炉内温场;

炉内不同气体压力时, 气体对流强弱也不一样, 也影响炉内温场. 当重力环境变化时, 要使炉内温场不变, 需要改变加热功率或者炉内气体压力.通过分析天宫二号综合材料高温实验装置在空间(微重力)和地面(常重力)相同样 品实验 (温场一致) 参数, 确定了在炉内气体压力相同时空间和地面加热功率的变化关系:空间和地面的功率比值约为 97.5%;

以及在相同加热功率时空间和地面炉内气体压力的变化关系:地面炉内气体压力为空间炉内常压的 50%.这对设计空间高温 加热装置具有重要的指导和参考意义. 关键词:微重力,温场,气体压力,加热功率 C07-05 稀土 Ce 对13Cr 钢微观组织和力学性能的作用规律 阮莹,王青青,魏炳波 西北工业大学理学院应用物理系 超级马氏体不锈钢是在传统马氏体不锈钢的基础上通过降低 C 含量、控制 Ni 和Mo 含量而发展起来的钢种.超级马氏 体不锈钢的强度、韧性、耐蚀性优异,被应用于造船、水轮机叶片、石油和天然气等领域.稀土元素通过与钢中其他合金元 素相互作用,从而可以改善钢的综合性能,因此研究稀土元素在钢中的作用具有重要的科研价值.以13Cr 超级马氏体不锈 钢为实验材料,采用电弧熔炼技术和自由落体技术分析了稀土 Ce 对13Cr 钢的显微组织和力学性能的影响.13Cr 钢中含有 板条马氏体和羽毛状贝氏体两种组织,随着稀土 Ce 含量的增加,13Cr 钢的显微组织逐渐细化,生成的羽毛状贝氏体组织所 占的体积分数也越来越大,同时由 TiN 和Al2O3 形成的不规则夹杂物变质为球形或椭球形,甚至形成尺寸较大的稀土复合夹 杂物.13Cr 钢的硬度和屈服强度随着稀土 Ce 含量的增加而发生变化.在自由落体实验中,通过 TEM 分析确定 13Cr 钢微观 组织由板条马氏体和铁素体组成.钢液获得的冷却速率和过冷度随着液滴直径的减小逐渐增大,其微观组织也发生细化.无 论是否添加稀土 Ce,13Cr 钢液滴在快速凝固后的硬度值都随着过冷度的增加而升高, 在同一过冷度下, 添加稀土 Ce 后13Cr 钢的硬度值降低. 关键词:不锈钢,稀土元素,落管,微观组织,快速凝固 C07-06 极薄 3J1 弹簧片的时效强化机理研究 罗盛宝

1 ,佟晓静

2 ,曾祥兵

1 ,潘晓霞

1 ,廖彬

1 1.中国工程物理研究院总体工程研究所 2.中国工程物理研究院电子工程研究所 3J1 是为制备弹性元件而开发的一种 Fe-Ni-Cr-Ti-Al 超弹合金, 被广泛地用于于航空航天领域. 本文研究了厚度为 0.1 mm 的3J1 弹簧片经

610、

635、

650 和680 ℃时效处理

4 小时后的组织演化特征与力学性能. 时效处理后, 具有 L12 结构的 Ni3(Al, Ti)相从(gamma-Fe, Ni)相基体中析出,表现为纳米纤维和弥散分布的亚微米颗粒.随着时效温度的升高,Ni3(Al, Ti)析出相的 体积分数先增大后减小, 在650℃时效温度时达到最大值

49 vol.%. Ni3(Al, Ti)纳米纤维的直径和间距均随时效温度的增加而 逐渐增大,其最大直径和最宽间距分别为

38 和58 nm.Ni3(Al, Ti)相的析出极大地提升了弹簧片的力学性能.时效处理前, 弹簧片的抗拉强度、屈服强度、伸长率和显微硬度分别为

1126 MPa、1121 MPa、0.6%和367 HV;

时效处理后,其最大值分 别达到了

1471 MPa、1229 Mpa、14.0%和460 HV. 关键词:人工时效,组织演化,力学性能,沉淀强化 C07-07 微重力下几种钛、铝合金及复合材料的凝固行为研究 罗兴宏 1,2,3 ,王亚亚 1,2,3 1.中国科学院金属研究所 2.中国科学院核用材料与安全评价重点实验室 3.中国科学技术大学材料科学与工程学院 钛、铝合金及复合材料有望成为空间增材制造的备选材料,为探究微重力环境对这几类材料凝固行为的影响,采用 50m 落管半熔化法开展了 TC

4、TC

8、TC20 钛合金、Al-5wt%Si、Al-7wt%Si 铝合金以及 7vol% TiB2/Al 复合材料的微重力和重

3 力凝固实验.对比分析了重力、合金成分和实验参数对凝固组织的影响,并探讨了相关机制.结果发现: 1. 钛合金凝固组织为多晶组织,样品底部为尺寸较小等轴晶,中上部多为尺寸较大拉长形态晶粒.相比之下,微重力 样品中大尺寸晶粒比例较高,晶粒数量较少.三种合金中,TC8 合金凝固速度最慢,其微重力与重........