2021年, 第31卷, 第2期　刊出日期：2021-02-25

  

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Materials Science and Engineering
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  挤压熔体浸渗法制备金属涂覆碳纤维增强铝基复合材料的润湿性和力学性能改善

  沙建军,吕钊钊,沙如意,祖宇飞,代吉祥,鲜玉强,张伟,崔鼎,严从林

  中国有色金属学报（英文版）. 2021, 31(2): 317-330.

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  为了改善碳纤维与铝基体之间界面的润湿性和结合性能，采用挤压熔体浸渗法制备镍和铜涂覆碳纤维增强铝基复合材料，对两种不同涂层碳纤维增强铝基复合材料的界面润湿性、显微组织和力学性能进行比较和研究。显微组织结构分析表明，与无涂层碳纤维增强铝基复合材料相比，在相同的浸渗工艺条件下，在碳纤维表面涂覆两种金属均可以显著改善碳纤维与铝基体间的润湿性，铝熔体容易进入纤维束内部；两种金属界面层涂覆在铝熔体浸渗期间均可有效抑制碳纤维与铝基体间的界面化学反应，从而更有利于保持碳纤维的原始强度和改善纤维-基体界面结合性能。单轴拉伸力学性能研究结果表明，铜涂覆碳纤维增强铝基复合材料的屈服强度、极限抗拉强度和弹性模量分别约为124 MPa、140 MPa和82 GPa；镍涂覆碳纤维增强铝基复合材料的屈服强度、极限抗拉强度和弹性模量分别约为60 MPa、70 MPa和79 GPa。铜涂覆碳纤维增强铝基复合材料比镍涂覆碳纤维增强铝基复合材料具有更优性能。这是由于铜具有较低的熔点，在挤压熔渗过程中易形成致密的基体和良好的纤维-基体结合界面，从而使加载过程中的载荷容易从铝基体传输到碳纤维，充分发挥碳纤维的承载作用。
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  原位TiB₂/Al-xSi-0.3Mg复合材料的显微组织与力学性能

  刘宇轩,王日初,彭超群,蔡志勇,周朝晖,李晓庚,曹玄扬

  中国有色金属学报（英文版）. 2021, 31(2): 331-344.

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  采用盐-金属反应制备原位2% TiB₂(体积分数)颗粒增强Al-xSi-0.3Mg(x=7%, 9%, 12%, 15%，质量分数)复合材料，并对其显微组织和力学性能进行研究。结果表明，TiB₂/Al-xSi-0.3Mg复合材料中的主要强化相是直径为20~80 nm的TiB₂颗粒和长度为1~10 μm的共晶硅相。TiB₂颗粒能促进晶粒细化，使共晶硅由针状变为短棒状。但是，当Si含量超过共晶成分时，TiB₂颗粒的强化作用减弱，这可能是由于形成了大且不规则的初生Si相。轴向拉伸试验和断裂观察结果表明，复合材料比相同成分的基体合金具有更多的脆性断裂特征。
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  利用晶粒尺寸构建本构方程模拟AA1070铝的热变形行为

  H. R. REZAEI ASHTIANI, A. A. SHAYANPOOR

  中国有色金属学报（英文版）. 2021, 31(2): 345-357.

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  对原有Johnson-Cook本构模型中的项进行修正，提出一种新的现象学的、基于经验的本构模型。该模型可用于描述和预测具有不同初始晶粒尺寸的AA1070铝在热加工过程中的流变应力。该模型考虑热软化、应变速率硬化、应变硬化、初始晶粒尺寸及其相互影响，能够正确模拟具有不同应变、应变速率和初始晶粒尺寸AA1070铝的高温行为。通过压缩试验测试的AA1070铝的热流变行为，温度范围为623~773 K，应变速率为0.005~0.5 s^-1，初始晶粒尺寸为50~450 μm。 结果表明，初始晶粒尺寸对AA1070铝的流变行为有显著影响。通过相关系数(R)、平均绝对相对误差(AARE)、相对误差评估模型的可预测性。结果表明，新模型预测的具有不同初始晶粒尺寸材料的流变应力与实验值完全一致，平均相对误差为1.19%，证实新修正的Johnson-Cook关系能准确估计考虑初始晶粒尺寸时AA1070铝的热流变应力。
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  钙元素对挤压Mg-Zn-Mn合金的显微组织、耐蚀性、生物相容性及抗菌性能的影响

  刘宝胜,曹苗苗,张跃忠,胡勇,宫长伟,侯利锋,卫英慧,

  中国有色金属学报（英文版）. 2021, 31(2): 358-370.

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  为了寻找合适植入应用的可生物降解材料，采用半连续铸造和热挤压工艺制备Mg-6Zn-0.3Mn-xCa(x=0，0.2，0.5，质量分数)合金，用金相显微镜、扫描电子显微镜和拉伸试验研究Mg-6Zn-0.3Mn-xCa合金的显微组织和力学性能。结果表明，微量Ca元素的加入可以细化挤压态Mg-6Zn-0.3Mn合金的晶粒，提高其强度。当Ca添加量分别为0.2%和0.5%(质量分数)时，合金的晶粒尺寸由4.8 μm分别细化到4.6和4.2 μm。三种合金中，添加0.5%Ca的合金具有更好的综合力学性能，极限拉伸强度和伸长率分别为334 MPa和20.3%。此外，还对所研究合金的腐蚀行为、细胞活性和抗菌性能进行评价。随着Ca含量的增加，合金的耐蚀性降低，这主要是由于Ca₂Mg₆Zn₃相的形成导致有效阴极活性位点的数量增加。L929细胞的细胞毒性评估显示：与Mg-6Zn-0.3Mn和Mg-6Zn-0.3Mn-0.2Ca合金相比，Mg-6Zn-0.3Mn-0.5Ca合金具有更好的细胞活性。由于金黄色葡萄球菌的理化和生物学特性，在骨修复过程中，合金的抗菌活性随着Ca含量的增加而增强。
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  粉末冶金Mg-B₄C复合材料的准静态、动态力学性能及磨损行为

  K.RAHMANI,G.H.MAJZOOBI,G.EBRAHIM-ZADEH,M.KASHFI

  中国有色金属学报（英文版）. 2021, 31(2): 371-381.

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  制备体积分数分别为0、1.5%、3%、5%和10% B₄C颗粒增强Mg金属基复合材料，研究其力学性能和磨损行为。在450℃和不同加载速率下，分别采用分离式霍普金森棒(SHB)、锻锤(DH)和Instron (QS)制备Mg-B₄C样品，其应变速率分别为1600、800和0.008 s^-1。研究Mg-B₄C复合材料的显微硬度、准静态及动态抗压强度等力学性能和磨损性能。结果显示，SHB和DH样品的硬度分别比QS样品高20.2%和5.7%。SHB法制备的Mg-10.0%B₄C样品的磨损率和磨损质量损失分别比QS样品的低33%和39%。与纯Mg相比，SHB、DH和QS 制备的Mg-5.0%B₄C样品的准静态抗压强度分别提高39%、30%和29%。此外，含B₄C样品的动态抗压强度比准静态抗压强度提高51%~110%。
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  密排六方钛中基面堆垛层错导致的孪晶界滑移、孪生台阶及孪晶生长：第一性原理研究

  钱琦*,刘正卿*,江勇,王怡人,安星龙,宋旼

  中国有色金属学报（英文版）. 2021, 31(2): 382-390.

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  基于第一性原理计算研究密排六方结构钛中 共格孪晶界和滑移孪晶界的结构和能量，探讨滑移孪晶界的形成机理及其与孪晶生长的关系。结果表明，共格孪晶界与基面堆垛层错的相互作用可使共格孪晶界产生滑移，从而形成对应的滑移孪晶界。这种滑移最终能在孪晶界处形成一对单层孪生台阶，并恢复共格孪晶界的结构。孪生台阶的塞积可导致高分辨率透射电镜观察到的孪晶界上的台阶宽化，进一步促进孪晶的生长。此外，还评估多种合金化元素对孪晶界滑移的钉扎效应，为钛合金的强化设计提供指导。
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  冷却速率对含TiB₂的TiAl合金凝固组织和力学性能的影响

  贾燚,刘志栋,李莎,姚昊明,任忠凯,王涛,韩建超,肖树龙,陈玉勇

  中国有色金属学报（英文版）. 2021, 31(2): 391-403.

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  通过熔模精密铸造制备不同厚度的Ti-48Al-2Cr-2Nb和Ti-48Al-2Cr-2Nb-0.25TiB₂合金铸板，研究冷却速率和TiB₂添加对合金凝固组织和力学性能的影响。实验结果表明，当凝固速率从37增加至2×10² K/s时，合金的凝固路径并未发生改变。基体合金的晶粒从650细化至300 μm，Ti-48Al-2Cr-2Nb-TiB₂合金的晶粒则从550细化至80 μm。随着冷却速率从37提高至2×10² K/s，基体合金的片层间距从360减小至30 nm，TiB₂添加对片层间距的影响较小。在中等冷却速率下(69 K/s)，Ti-48Al-2Cr-2Nb-TiB₂合金铸板表现出最优的力学性能，显微硬度达到HV 550，极限抗拉强度达到570 MPa，这主要归因于晶粒尺寸、片层间距的细化和细小TiB₂颗粒的作用。从冷却速率、成分过冷和添加硼化物等角度对显微组织演化过程进行详细讨论。
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  搅拌摩擦加工TA5钛合金的显微组织和力学性能

  周利,于明润,陈伟光,张自立,杜帅,刘会杰,郁炎,高福洋

  中国有色金属学报（英文版）. 2021, 31(2): 404-415.

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  对TA5钛合金进行搅拌摩擦加工(FSP)，获得超细晶组织。为了研究搅拌摩擦加工过程中的温度分布和材料流动情况，使用欧拉-拉格朗日耦合(CEL)方法对加工过程进行热力耦合模拟。采用光学显微镜、扫描电镜、硬度和拉伸测试技术对合金的显微组织和力学性能进行表征。由于在加工过程中材料发生动态再结晶，因此，加工后的合金由细小等轴晶粒组成。TA5钛合金在加工过程中通过位错塞积与晶界旋转实现动态再结晶。搅拌区组织在前进侧晶粒尺寸最小，且晶粒位相差最大。在200 r/min转速下进行搅拌摩擦加工后，材料的抗拉强度最高，达到830 MPa以上，而伸长率变化不大。所测试样均在晶粒较大的搅拌区后退侧断裂，且断口处观察到细小韧窝。
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  TC4钛合金K-TIG焊接接头的显微组织及力学性能

  崔书婉,石永华,张程士

  中国有色金属学报（英文版）. 2021, 31(2): 416-425.

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  采用锁孔型钨极氩弧焊(K-TIG)在不同热量输入条件下焊接厚度为12 mm的Ti-6Al-4V(TC4)钛合金板，并研究焊缝金属区(WMZ)的显微组织、晶界特征及力学性能。实验结果表明：当输入热量为2.30~2.62 kJ/mm时，K-TIG焊缝成形良好，未出现明显的缺陷；当热输入逐渐增加时，α板条的长度增加，α''''相和残余β相减少。电子背散射衍射(EBSD)测试结果表明：WMZ中的大角度晶界比例随着热量输入的增加而增加。当热量输入从2.30增加到2.62 kJ/mm时，WMZ的抗拉强度逐渐降低，伸长率增加。WMZ的冲击韧性随着热量输入的增加而增加。
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  固溶处理对铸造625合金显微组织和拉伸性能的影响

  杨飞,侯介山,王常帅,周兰章

  中国有色金属学报（英文版）. 2021, 31(2): 426-437.

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  研究1050~1250 °C固溶处理对铸造625合金显微组织和拉伸性能的影响。采用SEM、EDS、EPMA和DTA研究合金的显微组织及凝固特征。结果表明，合金的凝固顺序为L→L+γ→L+γ+MC→L+γ+MC+γ/Laves→ γ+MC+γ/Laves。经1225和1250 °C固溶处理后，组织中Laves相发生初熔。经不同温度固溶处理后，合金的极限抗拉强度随固溶温度的升高而降低，屈服强度则无明显变化；伸长率随固溶温度升高先略微增加，在1250 °C达到最小值。经1250 °C固溶处理后，合金断裂机制由穿晶断裂转变为沿晶断裂，主要原因为晶界上大量的Laves相熔化，微裂纹在熔池中大量萌生。该合金的最佳固溶处理温度为1200 °C。
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  镍基高温合金低能孪晶界密度与热塑性变形参数的响应关系

  权国政,张钰清,张普,马遥遥,王卫永

  中国有色金属学报（英文版）. 2021, 31(2): 438-455.

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  为深入理解甚至描述热塑性变形过程中低能孪晶界密度(BLD_∑3n)的演化，建立以平均晶粒尺寸和储能为变量的改进孪晶密度模型。对于Nimonic 80A高温合金，在温度范围1273~1423 K、应变速率范围0.001~10 s^-1下进行等温压缩和EBSD实验，基于EBSD数据统计的晶粒尺寸和BLD_∑3n结果对其孪晶密度模型进行求解。通过建立等高线叠加图，揭示BLD_∑3n与晶粒尺寸和储能随温度和应变速率变化的对应关系。结果表明，BLD_∑3n随储能的增加和晶粒尺寸的减小而增大；高的BLD_∑3n和细晶组织对应较低的温度和较高的应变速率。这种对应关系最终可以用Nimonic 80A合金改进孪晶密度模型表示，该模型的预测容差为2.8%。
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  电弧收缩电流频率对航空航天合金钨极氩弧焊薄板拉伸性能和显微组织演变的影响

  Tushar SONAR, Sudersanan MALARVIZHI, Visvalingam BALASUBRAMANIAN

  中国有色金属学报（英文版）. 2021, 31(2): 456-474.

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  研究电弧收缩电流频率(ACCF )对收缩电弧钨极氩弧焊(CA-TIG)焊接航空航天718合金板(厚度为2 mm)拉伸性能和显微组织演变的影响。实验设计每次一个变量，即采用从4 kHz到20 kHz之间5个不同的ACCF，其他参数保持不变。结果显示，采用4 kHz ACCF的接头具有良好的拉伸性能，焊接效率可达99.20%。这是由于熔化区的晶粒细化导致枝晶间析出更细小、离散的Laves相。ACCF高于12 kHz时熔化区发生严重晶粒长大和粗大 Laves相演变。718合金焊缝在较高的ACCF下由于冷却速度较慢，Nb偏析和Laves相形成的趋势更明显。当 ACCF为20 kHz时，Laves相的体积分数比4 kHz时提高62.31%，因此，接头的拉伸性能降低。这主要是由于当ACCF增加时，焊接热循环中热输入的叠加。
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  热等静压扩散连接CuAgZn/GH909接头组织及力学性能

  肖 毅,郎利辉,徐文才

  中国有色金属学报（英文版）. 2021, 31(2): 475-484.

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  通过热等静压-扩散连接工艺直接连接CuAgZn和GH909，利用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)和X射线衍射仪(XRD)观察接头的显微组织和成分，并通过测试显微硬度和剪切强度研究接头的力学性能。结果表明，CuAgZn/GH909结合界面紧密完整，接头密实、均匀，无未连接的缺陷。接头的最大显微硬度为HV 443，高于两种基体合金，平均剪切强度高达172 MPa。由此得出，CuAgZn和GH909两种合金通过热等静压-扩散连接工艺在700 °C、150 MPa和3 h的参数下可以实现良好的冶金结合。
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  镁造孔多孔NiTi合金的微波烧结制备与表征

  赖涛,徐吉林,肖奇飞,佟运祥,黄俊,张剑平,罗军明,刘勇

  中国有色金属学报（英文版）. 2021, 31(2): 485-498.

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  为了获得轻质、高强和高阻尼的多孔NiTi合金，采用微波烧结协同镁造孔技术制备多孔NiTi合金。考察多孔NiTi合金的显微组织、力学性能、相变行为、超弹性和阻尼性能。结果表明：当烧结温度低于或等于900 °C时，多孔NiTi合金主要由B2 NiTi相和少量B19'''' NiTi相组成。随着烧结温度的升高，多孔NiTi合金的孔隙率逐渐降低，而压缩强度先增加后下降，在900 °C时获得最大值。随着造孔剂Mg的含量从1%增加到7% (质量分数)，多孔NiTi合金的孔隙率从37.8% 增加到 47.1%，而压缩强度从2058 MPa 降低至 1146 MPa。与碳酸氢铵造孔多孔NiTi合金相比，镁造孔多孔NiTi合金的相变行为发生变化，而压缩强度、超弹性、形状记忆效应和阻尼性能均获得极大的提高。
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  镍-铝-青铜合金表面类金刚石涂层的腐蚀性能和摩擦学行为

  SeyedEliasMOUSAVI,NastaranNAGHSHEHKESH,MohabbatAMIRNEJAD,HosseinSHAMMAKHI,AliSONBOLI

  中国有色金属学报（英文版）. 2021, 31(2): 499-511.

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  研究阴极电弧沉积制备的类金刚石(DLC)涂层对镍-铝-青铜(NAB)合金力学性能、摩擦学行为和腐蚀性能的影响。纳米硬度测试显示，与 NAB合金相比，DLC涂层具有更大的硬度。销盘摩擦测试显示，摩擦因数由NAB合金的0.2降低为DLC涂层的0.13。动电位极化和电化学阻抗谱结果表明，在3.5%(质量分数)的NaCl溶液中，腐蚀电流密度由NAB合金的2.5 μA/cm²降低到DLC涂层的0.14 μA/cm²。此外，基体-电解质界面的电荷转移电阻由NAB合金的3.3 kΩ·cm²提高到DLC涂层的120.8 kΩ·cm²，表明DLC涂层能提高合金的耐腐蚀性能。
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  镧对NbMoTiVSi_0.2难熔高熵合金显微组织与力学性能的影响

  徐琴,陈德志,王聪锐,曹文超,王琪,崔洪芝,张书彦,陈瑞润,

  中国有色金属学报（英文版）. 2021, 31(2): 512-520.

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  为了研究La对难熔高熵合金显微组织与力学性能的影响，制备不同La含量的NbMoTiVSi_0.2合金，并对其相组成、显微组织演变、压缩性能及相关机理进行系统分析。结果表明，不同La含量的合金由BCC固溶体、共晶组织、MSi₂二硅化物和La析出相组成。共晶组织及大部分La析出相在晶界处形成，而二硅化物相在晶粒内部形成。La的添加使合金晶粒形态由树枝晶转变为近等轴晶，且随着La含量从0增加到0.5 at.%，合金的平均晶粒尺寸由180减小到20 μm。压缩性能测试结果表明，由于晶界强化作用，合金的压缩强度和屈服强度均随着La含量的增加而增加；但是由于低强度MSi₂相的形成，其提高幅度有限。由于La析出相和脆性MSi₂相的形成，因此合金的韧性随着La含量的增加而降低。
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  用于骨再生的铷改性生物活性玻璃陶瓷

  谭彦妮,陈文娟,韦 伟,黄千里,和 祥

  中国有色金属学报（英文版）. 2021, 31(2): 521-532.

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  为了研究铷(Rb)元素对CaO-SiO₂-Na₂O-B₂O₃-MgO-ZnO-P₂O₅系生物玻璃陶瓷的相组成、显微结构、力学性能和细胞响应的影响，设计加铷和不加铷的玻璃陶瓷成分。结果表明，在不含Rb的生物玻璃陶瓷基体中形成羟基磷灰石(HA)和Mg-白磷钙矿(Ca₁₈Mg₂H₂(PO₄)₁₄)晶相；而添加Rb后，仅检测到HA相。添加Rb后，生物玻璃陶瓷中晶体的晶粒尺寸增大。添加Rb可以提高生物玻璃陶瓷的抗弯强度。细胞实验结果显示，含Rb的生物玻璃陶瓷具有更好的细胞粘附、增殖和碱性磷酸酶(ALP)活性。总之，含Rb玻璃陶瓷具有良好的力学性能、优良的生物活性和生物相容性，有望应用于骨再生领域。
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  一种通用的相转换策略构建BiVO₄纳米薄片@WO₃阵列异质结光阳极

  苏昕,刘灿军,刘洋,杨亚辉,刘玄,陈述

  中国有色金属学报（英文版）. 2021, 31(2): 533-544.

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  提出一种制备BiVO₄纳米薄片@WO₃纳米棒和纳米片薄膜的相转换策略。这种策略包括三步水热过程(WO₃→WO₃/Bi₂WO₆→WO₃/BiVO₄)。表征结果表明：大量的BiVO₄纳米薄片原位生长在WO₃纳米棒和纳米片阵列薄膜表面，从而形成WO₃/BiVO₄异质结。制备的WO₃/BiVO₄异质结薄膜作为光阳极被用于光电化学分解水，并展现出优异的光电化学活性。在可见光照射和没有沉积助催化剂的情况下，WO₃/BiVO₄ 纳米棒和纳米片光阳极的光电流密度分别达到约1.56和1.20 mA/cm²(V=1.23 V (vs RHE))。
Mining, Minerals Processing and Metallurgical Engineering
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  黄铜矿精矿在甘氨酸介质中的循环伏安及动电位极化研究

  MaryamKHEZRI,BahramREZAI,AliAkbarABDOLLAHZADEH,BenjaminP.WILSON,MehdiMOLAEINASAB,MariLUNDSTR？M

  中国有色金属学报（英文版）. 2021, 31(2): 545-554.

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  采用循环伏安及动电位极化方法研究黄铜矿在甘氨酸介质中的浸出反应机理及动力学。使用黄铜精矿-碳糊电极研究pH值 (9~12)，温度 (30~90 °C)及甘氨酸浓度 (0~2 mol/L)对腐蚀电流密度、腐蚀电位及循环伏安曲线的影响。结果显示，甘氨酸浓度从0增加到2 mol/L导致氧化峰电流密度增加；在相同条件下，腐蚀电流密度从约28 μA/cm²增加至约89 μA/cm²，同时腐蚀电位由-80 mV降至-130 mV。在温度不高于60 °C的条件下，电流密度随温度的增加而增加；当温度高于60 °C时，电流密度随温度增加而降低。电流密度随pH值的变化与温度相似，当pH值从9增至10.5时电流密度增加，pH值高于10.5时电流密度降低。此外，铜氧化物及铁氧化物的热力学稳定性在较高温度下增加。
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  从锌置换渣中分段浸出锌、铅、镓和锗

  饶帅,刘志强,王东兴,曹洪杨,朱薇,张魁芳,陶进长,

  中国有色金属学报（英文版）. 2021, 31(2): 555-564.

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  采用分段浸出方法从锌置换渣中选择性提取锌、铅、镓和锗。首段浸出过程通过控制合适的硫酸浓度与液固比条件，锌和镓的浸出率达到90%和99%以上，超过92%的锗留在硫酸浸出渣中；二段采用盐酸作为浸出剂选择性提取铅，铅的浸出率为99%，锗损失率小于2%；三段采用1 mol/L氢氧化钠作为浸出剂，通过破坏硅锗固溶体的结构，实现锗高效溶出(90%)。对浸出渣进行物相分析，结果表明：三段浸出过程分别选择性溶解锌置换渣中硫酸锌、硫酸铅以及二氧化硅，实现锌、铅、镓和锗的高效溶出。上述分段浸出工艺为锌置换渣中有价金属高效回收提供了一条新思路。