科技前沿

• 软火花微弧氧化技术突破：TiNbZr中熵合金超厚耐蚀涂层生长行为研究

  黄山;谭鹏飞;黄千里;

  传统钛合金植入材料因力学性能与生物相容性不足，长期面临“应力屏蔽”和离子释放风险。TiNbZr中熵合金凭借低弹性模量和高强度的独特匹配，成为新一代生物医用材料的焦点，但其表面性能仍需进一步提升。区别于常规微弧氧化制得的涂层，采用软火花微弧氧化技术，在TiNbZr合金表面制备了兼具高厚度与优异耐腐蚀性的涂层。研究结果显示，涂层厚度随处理时间的延长持续增长。经30 min处理后，涂层厚度超过70μm。涂层呈现双层结构，内层为非晶氧化物TiNbZr–O，外层由ZrO_2和ZrTiO_4纳米晶分布于非晶基体中构成。电化学实验结果表明该涂层对合金基底具有显著的腐蚀防护作用。

  2025年03期 No.239 1-8页 [查看摘要][在线阅读][下载 2425K]
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• 揭秘LNG船的“低温钢筋”：国产环氧胶如何在–170℃守护能源运输安全

  王瑾;袁凯;游立;

  针对LNG船用胶粘剂依赖进口的现状，通过创新配方设计成功研发出一款可替代国外产品的低温环氧胶粘剂。采用双酚A型环氧树脂为基体，复配聚酰胺固化剂体系，并引入纳米二氧化硅与中空玻璃微珠协同增韧。实验表明，当固化剂聚酰胺651/聚酰胺650质量比为1∶2.7，增韧剂二氧化硅（R972）/中空玻璃微珠（GS60）质量配比为3∶2时，胶粘剂展现出优异综合性能：密度仅1.12 g/cm~3，-25℃拉伸强度达22.1 MPa，-170℃压缩强度突破48.7 MPa，粘接强度在-25℃仍保持11.7 MPa。该材料通过高低温循环测试验证了可靠性，关键性能指标达到国际先进水平。这项技术突破为我国LNG船建造提供了核心材料保障，对打破国外技术垄断、提升能源运输装备国产化水平具有重要意义。

  2025年03期 No.239 9-15页 [查看摘要][在线阅读][下载 1552K]
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金属与文明

• 从汉代球墨铸铁到现代材料科学：郑州古荥遗址考察对课程思政融合的启发

  杨平;

  基于郑州古荥汉代冶铁遗址博物馆考察学习，尝试将《材料科学基础》课程中的铁碳相图、凝固理论等知识点与汉代铸铁工艺进行关联性分析。通过考察出土铁器的组织特征，探讨古代球墨铸铁与现代工艺产品在石墨形态及形成机制上的差异。结合北京科技大学冶金史研究团队的相关成果，回顾柯俊院士等学者对汉代球墨铸铁的鉴定工作，分析积铁块在冶铁工艺研究中的潜在价值。在此基础上，探索将科技史资源融入课程思政的路径，构建以"历史文物—科学原理—文化认知"为线索的教学案例，为材料学科教育提供兼具专业深度与人文内涵的实践参考。

  2025年03期 No.239 16-25页 [查看摘要][在线阅读][下载 4005K]
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炉火探秘

• 真空电弧重熔GH4061凝固过程的数值模拟

  徐宁;姜敏;王豪;钟华军;王康豪;王新华;

  在航空航天、国防军工等尖端领域，高性能镍基高温合金GH4061的制造质量直接决定了关键部件的可靠性。然而，其生产核心工艺——真空电弧重熔（VAR）是一个复杂物理化学过程，依赖经验调整参数，效率低且成本高昂。本研究借助MeltFlow-VAR软件，对直径660 mm的GH4061合金铸锭凝固过程进行动态模拟，揭示了不同熔炼速率对熔池形貌和微观组织的深层影响。模拟结果表明：熔炼速度从3.6 kg/min提升至5.0 kg/min时，熔池深度从156 mm增至188 mm，糊状区同步扩大，熔池形状由“浅U型”向“深U型”转变。枝晶臂间距（影响材料致密性与性能的核心参数）的分布规律同时被精准捕捉——随着熔速增加，一次枝晶臂间距的最大值位置逐渐远离铸锭顶部，而二次枝晶臂间距在距顶部0.32 m处达到峰值。这些发现为优化熔炼速率、减少材料缺陷提供了科学依据，有望推动我国高端合金制造的工艺革新与质量跃升。

  2025年03期 No.239 26-33页 [查看摘要][在线阅读][下载 2020K]
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• 菱镁石替代白云石的转炉造渣冶炼

  张本亮;金进文;张超杰;张立强;张壬寅;李家乐;杜振杰;

  在钢铁行业竞争日益激烈的背景下，如何降低炼钢成本并减少环境污染成为企业关注的重点。传统转炉炼钢中，轻烧白云石作为主要造渣材料成本较高，且生产过程伴随环境压力。本研究提出用价格低廉的菱镁石替代白云石进行炼钢造渣，并系统验证其可行性。菱镁石主要成分为碳酸镁（MgCO_3），在500～700℃高温下可快速分解为氧化镁（MgO）和二氧化碳（CO_2）。氧化镁不仅能高效中和炼钢过程中产生的酸性物质，保护转炉内壁，还能减少渣料消耗量。工业实践显示，每吨钢的渣料用量减少约18 kg，冶炼成本显著降低。同时，炉渣形成速度加快，炉衬磨损减少，设备寿命延长。菱镁石作为菱镁矿开采的副产品，资源丰富且利用价值低。将其“变废为宝”用于炼钢，既缓解了尾矿堆积造成的环境污染，又避免了白云石开采和加工中的生态破坏。经6年实际生产验证，该方案累计创造经济效益约1.5亿元，实现了降本增效与绿色生产的双赢。

  2025年03期 No.239 34-38页 [查看摘要][在线阅读][下载 1539K]
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• 高炉铁水As含量升高的原因分析及对策

  崔政;王瑞;杨铭;毛威昂;王刘艳;

  某钢厂近期生产的钢材在加工后频繁出现裂纹缺陷，经检测发现罪魁祸首竟是铁水中的“隐形杀手”—砷元素。砷是一种有害残留元素，过量会导致钢材变脆、热加工性能下降，甚至引发产品报废。研究发现，该钢厂铁水中的砷含量在半年内飙升近一倍，源头竟与进口的高砷俄罗斯铁矿密切相关！通过追踪冶金全流程，揭示了砷污染的传递路径：俄罗斯铁矿粉和块矿含砷量高，且在烧结和冶炼过程中难以有效脱除。同时，高炉工艺参数（如温度、碱度）的微小波动也加剧了砷的富集。针对这一问题，提出“源头控制+工艺优化”双管齐下的解决方案：严控高砷原料比例、优化烧结脱砷技术，并建立实时监测机制。为同类企业提供了经济可行的治理范本。

  2025年03期 No.239 39-46页 [查看摘要][在线阅读][下载 1936K]
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• 从人工到智能：扒渣系统升级如何年省钢铁企业千万成本？

  邓力文;田运辉;谢卫东;汪维;宁湾;

  铁水预处理是炼钢工艺的关键环节，其扒渣效果直接影响钢水质量与生产成本。传统人工扒渣依赖操作经验，存在效率低、铁损高、质量不稳定等问题。本研究开发了一套基于智能传感器、机器视觉与闭环控制的自动扒渣系统，旨在实现铁水预处理的全流程自动化作业。系统通过双目视觉相机与液位雷达精准识别铁渣三维坐标，结合智能路径规划算法控制扒渣机精准作业；集成倾角传感器、激光测距仪等设备实现铁水罐的自动运输与倾翻；引入吹气赶渣联动技术优化渣面处理效率，并通过图像分析算法对扒渣效果进行智能评级。实际应用表明，该系统可缩短扒渣时间2～3 min，渣面识别准确率达98%，以武钢四炼钢为例，改造后单罐铁水铁损减少315 kg，年经济效益超千万元。该技术显著提升了铁水预处理环节的自动化水平和工艺稳定性，为钢铁行业智能化转型提供了可靠的技术支撑。

  2025年03期 No.239 47-51页 [查看摘要][在线阅读][下载 1945K]
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金属变形记

• 不同火次厚度钛及钛合金板材轧制力与道次变形

  翟欣姣;岳旭;同晓乐;王玉佳;林来儿;

  钛及钛合金因强度高、耐腐蚀等特性，被广泛用于飞机、船舶、化工设备等领域。但在生产过程中，如何控制轧制力（即机器对板材施加的压力）和变形量（板材厚度的变化），一直是工程师们研究的热点。本文通过实验研究了不同厚度的TA2、TA8和TC4板材在多次轧制过程中的表现，发现如下现象：厚板材的“自我加热”效应：轧制较厚板材时，材料变形产生的热量会抵消表面散热，导致轧制力不随变形量增加而明显上升，甚至可能下降；薄板材的“同步响应”规律：轧制较薄板材时，轧制力会与变形量变化趋势一致。

  2025年03期 No.239 52-58页 [查看摘要][在线阅读][下载 1618K]
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• 从手机到汽车：揭秘高性能铜合金如何炼成？——C70250材料的制造与性能研究

  王梦娜;

  作为支撑智能手机芯片和新能源汽车电路的关键材料，C70250铜合金的强度与导电性平衡难题长期制约电子器件的小型化发展。本研究通过调控一次冷轧变形（加工率0～80%）、高温固溶退火（800℃）和梯度时效退火（400～500℃）工艺，揭示了材料性能演变的微观机制：冷轧锻造"钢筋铁骨"：晶粒纤维化使抗拉强度提升46%(464→677 MPa)，但高密度位错等导致导电率降低8%；高温固溶"固本增效"：固溶处理为时效退火过程中析出相的均匀分布提供基础；时效退火"精准调校"：480℃处理时，弥散析出的纳米级Ni_2Si相使材料兼具高强度（695 MPa）与优良导电性（2.44×10~7 S/m），综合性能超越国标要求。

  2025年03期 No.239 59-64页 [查看摘要][在线阅读][下载 2462K]
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材料物语

• 钛材表面氮化处理：让钛更硬更美

  王宁波;王磊;范晓杰;张少辉;

  钛材表面渗氮不仅可以有效提高材料表面硬度、耐磨损性能、延长钛材料使用寿命，还可以将氮化层作为装饰性薄膜，增加钛材料的美观性，因而对钛材料进行表面渗氮这一技术应用前景广阔。文中介绍了钛材料渗氮的常用方法：气体渗氮、离子渗氮及激光气体渗氮，阐述其原理并详细分析各自的优缺点。研究发现，这些渗氮方法均能在钛材表面形成氮化钛渗层，有效提高钛材表面硬度和耐磨性，延长其使用寿命，并且不同组分的氮化钛涂层还能增加钛材的美观性和装饰性。综合来看，氮化处理技术在钛制生活品领域具有一定的应用前景，为钛材在更多领域的广泛应用提供了技术支持。

  2025年03期 No.239 65-68页 [查看摘要][在线阅读][下载 1541K]
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• TA10钛合金性能调控的秘密：氧含量与退火温度如何决定材料“性格”？

  曲家东;张薇;高尚飞;赵兵兵;王怀勇;

  TA10钛合金凭借其优异的抗腐蚀性和轻量化特性，在海洋工程、化工设备、航空航天等领域备受青睐。然而，其性能稳定性问题限制了更广泛的应用。本文从“氧含量”和“退火温度”两大关键因素入手，揭秘TA10钛合金性能的调控机制。研究发现：当氧质量分数为0.05%时，通过调节退火温度（550～800℃），可使材料在“高强耐蚀”（A类标准）与“易加工成型”（B类标准）两种性能模式间灵活切换；而质量分数升高至0.12%时，材料只能满足A类标准，无法兼顾成型需求。进一步分析表明，退火温度通过改变微观组织形态（如针状→球状→块状α+β相）直接影响性能：680℃退火时，材料形成均匀等轴晶，强度与延展性达到最佳平衡；温度过高则引发晶粒异常生长，导致性能下降。

  2025年03期 No.239 69-73页 [查看摘要][在线阅读][下载 2411K]
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• 内氧化法制备Cu–Y₂O₃材料及其性能分析

  田径;金思远;蔡林生;林音;翁雨琦;

  铜基复合材料因兼具高导电性和优异力学性能，在电子器件、航空航天等领域备受关注。然而，传统铜合金的强度与导电性往往相互制约，成为技术瓶颈。本研究通过内氧化工艺（即利用工业氮气中的氧气作为介质，在铜基体中原位生成氧化钇颗粒），成功制备出新型铜–氧化钇（Cu–Y_2O_3）复合材料。实验表明，微量稀土钇的添加可显著细化铜晶粒，并形成高稳定性氧化钇弥散相。当钇质量分数为0.05%时，材料的电导率达58.99 MS/m，较纯铜提升显著；而钇质量分数增至0.40%时，经900℃内氧化处理的复合材料硬度高达HV 91，较未氧化前提升明显。研究进一步发现，氧化钇颗粒不仅通过阻碍位错运动增强材料强度，还能减少晶格畸变。该工艺兼具低成本、短周期优势，为开发新一代高强高导铜基材料提供了重要技术支撑。

  2025年03期 No.239 74-78页 [查看摘要][在线阅读][下载 2072K]
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• 金属间化合物Al₄Sr的力学与热力学性质揭秘：基于第一性原理的压力效应研究

  黄在告;

  采用基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算方法，系统探究了金属间化合物Al_4Sr在0～60 GPa压力范围内的结构稳定性、力学性能及热力学性质。结果表明：（1）力学性能：Al_4Sr的弹性常数在高压下满足机械稳定性条件，其体积模量随压力线性增长，而杨氏模量和剪切模量呈现3阶段变化趋势——0～20 GPa时线性上升，20～50 GPa时增速趋缓，50～60 GPa时则略微下降。通过体积模量与剪切模量比值（B/G>1.75）、泊松比及柯西压力分析，证实Al_4Sr在高压下为韧性相，且金属键合特征显著。（2）热力学行为：Al_4Sr的德拜温度随压力先升后降，与杨氏模量变化趋势一致；焓和熵随温度升高单调增加，而自由能随温度急剧降低。热容在低温区遵循T3规律，高温区则趋近杜隆–珀替极限，揭示了其原子振动模式与能量耗散的关联性。（3）应用潜力：研究通过微观性能计算，阐释了Al_4Sr作为镁合金强化相的机制，为开发低成本、高耐热性镁合金提供了理论依据。本研究不仅深化了对Al_4Sr高压行为的理解，也为新型轻量化材料的性能优化与设计提供了重要参考。

  2025年03期 No.239 79-84页 [查看摘要][在线阅读][下载 1720K]
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• 不同热处理温度对09CrCuSb钢板焊缝组织和性能的影响

  臧伟;李鸿斌;袁雪婷;王维东;王维亮;王晓波;王泽宇;闫涛;

  09CrCuSb钢是工业锅炉和油田酸化作业连续油管的关键材料，但其焊接后的性能易因残余应力和组织不均匀而下降。为解决这一问题，本研究采用等离子填丝焊接工艺对5.2 mm厚的09CrCuSb钢板进行对接，并分别在880、900、920和940℃下进行焊后热处理。通过金相显微镜、硬度测试、拉伸试验、冲击试验及弯曲试验，系统分析了不同温度对焊缝微观组织和力学性能的影响。实验结果表明：未经热处理的焊缝因残余应力导致硬度显著升高，但塑性和抗拉强度较低；随着热处理温度提升至920℃，焊缝组织逐渐均匀化，形成弥散分布的铁素体+珠光体结构。此时，焊缝硬度达到峰值（HV 215），抗拉强度（633 MPa）超过母材(622 MPa)，低温冲击功（159 J）和抗弯曲性能均显著改善。然而，当温度继续升高时，硬度和强度略有下降。综合来看，920℃热处理有效消除了焊接残余应力，优化了组织均匀性，使焊缝兼具高强度与良好韧性。

  2025年03期 No.239 85-90页 [查看摘要][在线阅读][下载 3305K]
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冶途质监站

• 钛带退火后的四大“黑手”：揭秘黑边、黑圈、变色与白斑的成因与对策

  曲家东;高尚飞;赵兵兵;王怀勇;

  钛金属凭借轻质、耐腐蚀等特性，已广泛应用于手机边框、保温杯等日常产品中。冷轧钛带作为钛制品的核心原料，其表面质量直接影响成品品质。在钛带生产的退火环节中，钟罩炉因效率高、成本低被广泛使用，但退火后常出现黑边、黑圈、变色和白斑4大表面缺陷，严重制约产品质量。通过系统性分析发现：黑边源于脱脂不彻底与带卷边部减薄，导致残留轧制油碳化并渗入钛基体；黑圈由带卷层间贴合不严或工模具变形引发脏污沉积；变色因氩气保护失效或密封不严等导致钛表面氧化；白斑则是退火温度过高或卷曲张力不均引发的层间粘连。针对上述问题，提出关键解决措施：优化冷轧工艺减少边部减薄、加强脱脂清洗与氩气分压监控、修复变形工模具、精准控制退火温度与张力。通过综合优化，钛带表面缺陷显著减少，良品率大幅提升。研究表明，钛带质量需从前端冷轧、脱脂到退火全流程协同管控，方能实现高品质生产。

  2025年03期 No.239 91-95页 [查看摘要][在线阅读][下载 1768K]
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• 热轧钢板氧化铁皮与基体结合强度技术解析与测量方法探秘

  张猛;郭立合;王超;王朝金;李振忠;

  在钢铁生产过程中，高温加热会使热轧钢板表面形成一层氧化层（俗称“氧化铁皮”）。这层氧化铁皮在初轧前需采用高压水除去，工业上称这一过程为“除鳞”，准确测量氧化层与钢材基体的结合强度，成为优化除磷水压的关键问题。本文系统解析了三种常用测量方法：拉拔法：像“拔河”一样测试氧化层与基体的分离力，简单直观，适合工业现场快速检测，但仅适用于测试结合强度应不大于90 MPa的情况。划痕法：用“金刚石笔”划刻氧化层，通过声音信号和摩擦变化及显微分析共同判断其抗剥离能力，适合科研精细分析。纳米压痕法：通过微小压痕评估氧化层的“软硬程度”，间接推测结合强度，适合复杂多层结构研究。不同方法各有优劣，需根据氧化层厚度和实际需求灵活选择。

  2025年03期 No.239 96-102页 [查看摘要][在线阅读][下载 2120K]
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