【基金標(biāo)書】2011CB605500-輕質(zhì)高溫TiAl金屬間化合物合金及其制備加工的科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)

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項(xiàng)目名稱： 輕質(zhì)高溫 TiAl 金屬間化合物合金及其制備加工的科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)首席科學(xué)家： 林均品 北京科技大學(xué)起止年限： 2011.1 至 2015.8依托部門： 教育部二、預(yù)期目標(biāo)1 總體目標(biāo)：獲得新型輕質(zhì)高溫 TiAl 合金及其制備與加工技術(shù)基礎(chǔ)，促進(jìn)其產(chǎn)業(yè)化和應(yīng)用，滿足國家經(jīng)濟(jì)和社會發(fā) 展對輕質(zhì)高溫材料的重大需求。即采用低密度的新型高溫材料替代現(xiàn)有的高溫合金，以降低重量；另一方面采用新型輕質(zhì)高溫材料可以大幅度降低燃料消耗。發(fā) 展新型輕質(zhì)高溫材料可以大幅度提升我國民用工業(yè)和航空航天等工業(yè)的水平，有效減少能源消耗、實(shí)現(xiàn) 社會可持續(xù)發(fā)展。在高溫 TiAl 合金設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及強(qiáng)韌化機(jī)制、高溫 TiAl 合金凝固過程組織及缺陷的調(diào)控機(jī)制、高溫 TiAl 合金粉末冶金制備過程的流變塑變理論、針對金屬間化合物特性建立性能表征方法和評價(jià)體系研究上獲得突破。在此基礎(chǔ)上，發(fā)展和形成高溫 TiAl 合金材料制備與成形加工整套技術(shù)的科學(xué)基礎(chǔ)，主要包括：高溫 TiAl 合金不同使用條件下材料成分和組織優(yōu)化，高潔凈度鑄錠的制備新熔煉技術(shù)基礎(chǔ)、鑄錠的熱加工新技術(shù)、部件熔模精密鑄造特殊技術(shù)、冷坩 堝定向凝固新技術(shù) 、高性能粉末冶金板材的新技術(shù)。同 時(shí)制備出各種全尺寸樣件， 為進(jìn)一步向部件性能測試試驗(yàn)發(fā)展打下基礎(chǔ)。以鑄造葉片為重點(diǎn)，突破從小試樣到批量生產(chǎn)的瓶頸關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)。針對鑄造、熱變形和粉末冶金三類加工技術(shù)發(fā)展的高溫 TiAl 合金的材料成分范圍為：Ti-（44-46）Al - （6-9）Nb-（0 -2.5）W, B, Y, Mn （這些元素都是微量元素，只有 Mn 可高到 2.5）對于鑄造合金：Nb 含量取低限，添加 B（稍高含量）、Y 和 Mn 等；對于變形合金：Nb 含量取中間值，添加 W、B（較低含量）、Y 等；對于粉末冶金板材：Nb 含量取高限，添加 W、Y，Mn 等。高溫 TiAl 合金使用溫度達(dá)到 900 ℃，900 ℃的抗氧化性按航標(biāo)達(dá)到抗氧化級，對于三種典型部件：鑄造葉片樣件: 尺寸為長 350-400mm、寬 50-70mm900 ℃強(qiáng)度達(dá)到 450 MPa，室溫拉伸塑性 1-2%；鍛件: 尺寸為直徑 400-600mm、厚 50-100mm900 ℃強(qiáng) 度達(dá)到 400 MPa，室溫拉伸塑性大于 2%；粉末板材：寬度 400-500mm、厚 1-2mm；900 ℃強(qiáng) 度達(dá)到 400 MPa，室溫拉伸塑性 2-3%。研究成果將發(fā)表高水平學(xué)術(shù)論文 200 篇以上，申請國家發(fā)明專利 20 項(xiàng)以上，國家和省部級科技成果獎 3 項(xiàng)以上；培養(yǎng)優(yōu)秀青年科技人才 15 人以上，造就一支高水平的具有創(chuàng)新與攻堅(jiān)能力的研究隊(duì)伍，形成優(yōu)秀創(chuàng)新群體；建設(shè)本領(lǐng)域高水平的基礎(chǔ)研究和技術(shù)創(chuàng)新基地。2 五年預(yù)期目標(biāo)：通過系統(tǒng)深入的研究，構(gòu)建高溫 TiAl 金屬間化合物材料理論和制備加工理論基礎(chǔ)，在精密鑄造等形成關(guān) 鍵示范技術(shù)， 實(shí)現(xiàn)總體 預(yù)期目標(biāo)。具體內(nèi)容包括：（1）高溫 TiAl 合金成分-組織-性能設(shè)計(jì)和優(yōu)化原理揭示針對高溫下使用和具體制備加工技術(shù)的、多組元高溫 TiAl 合金的相關(guān)系和強(qiáng)韌化機(jī)制，獲得高溫 TiAl 合金設(shè)計(jì)和優(yōu)化原理。揭示高溫 TiAl 合金多相有序結(jié)構(gòu)的動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶規(guī)律。（2）高潔凈度、均質(zhì)大尺寸 TiAl 合金鑄錠的熔煉和加工科學(xué)基礎(chǔ)建立等離子冷床熔煉高溫 TiAl 合金的均質(zhì)化和純潔度控制方法，揭示熔煉工藝路線和工藝參數(shù)對鑄錠夾雜物去除效果及成分組織均勻性的影響規(guī)律。探索出適合高溫 TiAl 合金型材的均質(zhì)、純凈的大尺寸鑄錠制備技術(shù)；通過高溫TiAl 合金包套擠壓結(jié)合等溫鍛造工藝細(xì)化和均勻化組織，通過增加高溫 β相提高熱變形能力，從而研制出組織均勻細(xì)小的大尺寸擠壓棒材、鍛造餅材、板材。（3）高溫 TiAl 合金熔模鑄造關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)通過 Nb、Al 含量控制避免包晶相 變以減少偏析和細(xì)化組織；揭示高溫 TiAl合金在多場作用下鑄造充型特性、壁厚效應(yīng)以及熔體與型殼反應(yīng)形成表面硬化層的規(guī)律，形成細(xì)晶鑄造并有利于減少糊狀區(qū)的變質(zhì)處理及流場控制技術(shù)，建立以鑄造為成形工藝路線的高溫 TiAl 合金優(yōu)化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，掌握鑄件冶金質(zhì)量及表面硬化層的控制方法。（4）高溫 TiAl 合金冷坩堝定向凝固新技術(shù)基礎(chǔ)開發(fā)出冷坩堝定向凝固高溫 TiAl 合金大尺度坯錠的成分優(yōu)化與冶金行為控制技術(shù)， 闡明合金定向凝固坯 錠的凝固組織演化規(guī)律；建立高溫 TiAl 合金定向凝固坯錠的凝固組織及凝固缺陷的演化模型；揭示定向凝固合金的力學(xué)性能與定向組織狀態(tài)的相關(guān)性，建立高溫 TiAl 合金典型構(gòu)件的定向凝固成形的理論基礎(chǔ)。（5）高溫 TiAl 合金板材的粉末冶金及軋制新技術(shù)基礎(chǔ)研究通過添加 β相 穩(wěn)定元素和高 Nb 合金化制備出的含高比例 β相的高溫 TiAl合金粉末，促進(jìn)其后續(xù)軋制的 熱變形能力，保 證大變 形量大尺寸板材的制備；建立粉末冶金合金致密化過程微缺陷形成和控制理論，在應(yīng)力場、溫度場、速度 場及外在約束等多場耦合作用下，板材軋制過程中的精確變形流動理論。建立從合金粉末- 熱等靜 壓致密化- 熱 機(jī)械處理-包套軋制制備大尺寸 TiAl 合金板材的完整的技術(shù)原型。（6）高溫 TiAl 金屬間化合物材料使用性能表征和評價(jià)確立高溫 TiAl 合金安全服役條件下的力學(xué)性能控制參量和應(yīng)用閾值范圍，揭示組織類型和微觀缺陷對合金裂紋萌生和擴(kuò)展的影響規(guī)律，揭示合金損傷容限性能與微觀組織的關(guān)系，建立具有工程應(yīng)用價(jià)值的壽命評估方法和損傷容限參量設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，促進(jìn)合金在航空、航天及其他領(lǐng)域的工程化應(yīng)用。三、研究方案1 學(xué)術(shù)思路：本項(xiàng)目在具有國際領(lǐng)先水平和自主知識產(chǎn)權(quán)的高 Nb-TiAl 合金的成分-組織-性能關(guān)系研究成果的基礎(chǔ)上，發(fā)展針對航空航天發(fā)動機(jī)應(yīng)用的高性能高溫 TiAl合金及其制備加工技術(shù)。研究材料集中在一類合金上，避免了研究目標(biāo)的分散。通過研究高溫 TiAl 合金成分-組織-性能關(guān)系和設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)，主要包括合金元素 Nb\Al 上下限、微合金化元素的添加原則， 為不同的制備和加工技術(shù)提供優(yōu)化的合金成分和組織設(shè)計(jì)原則；強(qiáng)韌化機(jī)制的建立，為基本保持強(qiáng)度指標(biāo)的前提下，提升高溫 TiAl 合金的室溫塑性和韌性打下基礎(chǔ)。通過研究高溫 TiAl 合金熔煉和凝固過程的熱力學(xué)與動力學(xué)理論，解決合金高潔凈度熔煉的成分組織均勻性、精密鑄造過程合金熔體充型及鑄造組織和缺陷控制和定向凝固過程中的取向控制提供理論基礎(chǔ)。通過高溫 TiAl 合金多相有序結(jié)構(gòu)動態(tài)復(fù)原機(jī)制、熱變形本構(gòu)關(guān)系數(shù)學(xué)模型和熱變形抗力圖的研究，為變 形合金的熱擠壓、等溫鍛造、 軋制技術(shù)研究提供理論基礎(chǔ)，解決高溫 TiAl 合金 熱加工關(guān)鍵技術(shù)。 通過高溫 TiAl 合金粉末冶金制備過程的流變塑變理論的研究、揭示粉末冶金合金制備過程中的缺陷形成和控制原理，以及對熱加工行為的影響，為粉末冶金高溫 TiAl 合金軋制技術(shù)提供保障。針對金屬間化合物特性建立高溫 TiAl 合金性能表征方法和評價(jià)體系，對于整個(gè)課題涉及的制備加工技術(shù)提供的合金性能評估分析方法和標(biāo)準(zhǔn)，確保建立統(tǒng)一的性能數(shù)據(jù)庫，為高溫 TiAl 合金應(yīng)用設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的建立提供數(shù)據(jù)支撐。整個(gè)項(xiàng)目的研究圍繞三個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題，研究內(nèi)容相互聯(lián)系緊密，研究體系完整，有利于解決關(guān)鍵技術(shù) ，發(fā)展和形成高溫 TiAl 合金制備與成形加工的技術(shù)原型。由于高溫 TiAl 合金比普通 TiAl 合金的制備與成形加工難度大，因此制備與成形加工的技術(shù)原型也基本適合普通 TiAl 合金。 2 技術(shù)途徑：具體技術(shù)路線見圖 1 所示。合金材料體系的發(fā)展重點(diǎn)采用高 Nb 合金化提高高溫條件下使用溫度和抗氧化性，Nb 和 Y 交互作用提高長期高溫抗氧化性；精密鑄造合金的成分設(shè)計(jì)擬適度降低 Nb 含量，以減低成分偏析，添加 Mn 等提高鑄造性能和提高室溫塑性，添加 B 和 Y 細(xì)化組織；粉末板材的合金設(shè)計(jì)適度提高 Nb 含量，滿足航天高馬 赫數(shù)飛行的惡劣環(huán)境，提高使用溫度和抗氧化性。擬采用等離子冷床熔煉技術(shù)結(jié)合真空自耗熔煉達(dá)到均質(zhì)化和高純潔度冶煉，突破適合高溫 TiAl 合金型材的均質(zhì)、純凈、大尺寸鑄錠制備。通過熔體與型殼反應(yīng)形成表面硬化層的規(guī)律探索型殼材料的選擇和優(yōu)化；采用計(jì)算模擬和試驗(yàn)研究結(jié)合，解決多場耦合作用下高溫 TiAl 合金精密鑄造過程充型問題；將控制液固相變路徑得到 β相凝固過程與 變質(zhì)處理相結(jié)合，降低偏析和細(xì)化鑄態(tài)組織，以提高綜 合力學(xué)性能。電磁冷坩堝定向凝固技術(shù)將合金連續(xù)熔化、電磁約束成形和連續(xù)凝固過程統(tǒng)一制備高純凈高溫 TiAl 合金，避免了常規(guī)定向凝固造成的型殼反應(yīng)和污染，揭示多外場耦合作用下冷坩堝定向凝固過程控制機(jī)理。通過增加 β相提高高溫 TiAl 合金熱變形能力、利用熱擠壓工藝結(jié)合等溫鍛造的熱加工工藝，加大首次 變形量，以達(dá)到 細(xì)化鑄態(tài)組織、提高 變形高溫 TiAl 合金綜合力學(xué)性能的目的。擬采用添加 β相穩(wěn)定元素和高 Nb 合金化制備出的含高比例 β相的預(yù)合金粉末為原料，促進(jìn)后續(xù)熱變 形能力，通 過熱等靜壓， 熱機(jī)械處理和包套軋制制備大尺寸高性能高溫 TiAl 合金板材?？刂蒲酢⒌捌渌?雜質(zhì)的含量，完全消除微孔和微偏析等缺陷。針對高溫 TiAl 金屬間化合物建立安全服役條件下的力學(xué)性能控制參量和應(yīng)用閾值范圍，建立具有工程 應(yīng)用價(jià)值的損傷容限參量設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，為合金在航空、航天及其他領(lǐng)域的工程化應(yīng)用提供有力的技術(shù)支持。高溫 TiAl 成分組織設(shè)計(jì)熔煉和鑄造 熱塑性變形 粉末冶金 冷坩鍋定向凝固 冷坩鍋感應(yīng)熔煉 等離子熔煉 凝固過程數(shù)值模擬 細(xì)化晶粒 預(yù)合金粉組織和相選擇規(guī)律全致密化等溫鍛造擠壓模殼制備 板材軋制 包套軋制成形晶體生長擇優(yōu)取向 薄壁鑄件 超塑成形 超塑成形 成分組織、缺陷分析及控制 性能表征與評價(jià)方法合金制備與加工的關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)圖 1 項(xiàng)目的具體技術(shù)路線3 創(chuàng)新點(diǎn)與特色： 把具有原始創(chuàng)新的高溫 TiAl 合金開拓性研究工作推向解決針對我國航空航天重大工程需求的應(yīng)用基礎(chǔ)研究；把我國航空航天發(fā)動機(jī)用高溫結(jié)構(gòu)材料系列，高溫 Ti 合金?Ni 基高溫合金，發(fā)展成為：高溫 Ti 合金? 高溫 TiAl 合金?Ni 基高溫合金，成為發(fā)動機(jī)減重新途徑。特色是在解決高溫 TiAl 合金的發(fā)展上提出了高 Nb 合金化的創(chuàng)造性思想，通過高 Nb 合金化大幅度提高 TiAl 合金的高溫力學(xué)性能和高溫抗氧化性，達(dá)到提升航空航天發(fā)動機(jī)使用溫度的目標(biāo)。高 Nb 合金化引領(lǐng)了國內(nèi)外 TiAl 合金的發(fā)展方向，具有我國的原創(chuàng) 性。另一方面，從解決共性理 論出發(fā)，強(qiáng)調(diào)圍繞成分組織設(shè)計(jì)－熔煉－凝固－鑄造－粉末冶金-變形等較全面的精密熱成形技術(shù)進(jìn)行研究，各個(gè)課題間相互有機(jī) 結(jié)合，形成互相關(guān) 聯(lián)的整體。主要創(chuàng)新點(diǎn)如下：（1（ 高 Nb 合金化通過連續(xù)有序化， 顯著提高了合金熔點(diǎn)；高 Nb 合金化通過改變表面氧化層結(jié)構(gòu)、提高 Al2O3 比例等因素極大提高了 TiAl 合金的高溫抗氧化性，與鎳基高溫合金相當(dāng)；（2（ 通過高 Nb 合金化和適量其它 β相穩(wěn)定元素，達(dá)到擴(kuò)大 β相相區(qū)，把液相和 β相的包晶相 變區(qū)推向高 Al 方向移動；調(diào)控 Al 含量有利于得到高溫TiAl 合金 β相凝固過程，達(dá)到提高熔點(diǎn)和細(xì)化組織的目的；（3（ 通過等離子冷床熔煉技術(shù)實(shí)現(xiàn)高溫 TiAl 合金的均質(zhì)化和高純潔度冶煉，突破適合高溫 TiAl 合金型材的均質(zhì)、純凈、大尺寸鑄錠制備及熱加工技術(shù)；（4（ 綜合高溫 TiAl 合金在多場作用下的鑄造充型特性、壁厚效應(yīng)以及熔體與型殼反應(yīng)形成表面硬化層的規(guī)律，研究可有效提高其鑄件冶金質(zhì)量、抑制表面硬化層生成的技術(shù)基礎(chǔ)；將高溫 TiAl 合金成分對液固界面生長以及液固相變路徑選擇的作用與變質(zhì)處理相結(jié)合，建立以鑄造為成形工藝路線的高溫 TiAl 合金優(yōu)化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)；（5（ 以冷坩堝定向凝固新技術(shù)制備高純凈高溫 TiAl 合金，避免了常規(guī)定向凝固造成的型殼反應(yīng)和污染，揭示多外場耦合作用下冷坩堝定向凝固過程控制機(jī)理；（6（ 采用預(yù)合金粉末包套軋制途徑，制備大尺寸高性能高溫 TiAl 合金板材；通過添加 β相穩(wěn) 定元素和高 Nb 合金化制備出含高比例 β相的高溫 TiAl 合金粉末，促進(jìn)其后續(xù)軋制的熱變形能力；（7（ 確立高溫 TiAl 合金安全服役條件下的力學(xué)性能控制參量和應(yīng)用閾值范圍，建立具有工程應(yīng)用價(jià)值的損傷容限參量設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，為合金在航空、航天及其他領(lǐng)域的工程化應(yīng)用提供有力的技術(shù)支持。4 取得重大突破的可行性分析：研究工作基礎(chǔ)本項(xiàng)目圍繞一種具有國際領(lǐng)先水平、有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的高溫 TiAl 合金展開，目標(biāo)集中，避免了研究目標(biāo)過于分散造成研究工作缺乏深度。已 經(jīng)完成了高 Nb-TiAl 合金基 礎(chǔ)成分 -組織- 性能關(guān)系和實(shí)驗(yàn)室級別的制備加工技術(shù)研究，為本項(xiàng)目的順利進(jìn)行打下了良好的基礎(chǔ)。通過圍繞本項(xiàng)目提出的三個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題的突破，解決高溫 TiAl 合金制備與成形加工的關(guān)鍵技術(shù)，發(fā)展和形成高溫 TiAl 合金制備與成形加工的技術(shù)原型。這些都是國內(nèi)外 TiAl 合金制備、成形與加工領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)及前沿，符合國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃綱要的重點(diǎn)支持方向，符合國家保護(hù)環(huán)境、節(jié)能降耗的可持續(xù)發(fā)展方針。國內(nèi)在金屬間化合物合金的研究與應(yīng)用也己取得了許多突破性進(jìn)展，IC10合金己在某型航空發(fā)動機(jī)取得應(yīng)用，TAC-2 在某型主戰(zhàn)坦克發(fā)動機(jī)上通過壽命考核，TiAl 合金板材也列入航天科技工程首批試驗(yàn)材料。針對更高推重比 12 -15、大型 飛機(jī)和高馬赫數(shù)飛 行器需求的高溫 TiAl 合金已有開創(chuàng)性材料開發(fā)成果，在大量的合金制備、加工技 術(shù)實(shí)踐中充分暴露了問題，且對這些問題有了基本的認(rèn)識。 本項(xiàng)目結(jié)合了國內(nèi) TiAl 合金制備和加工領(lǐng)域優(yōu)勢單位，發(fā)揮各單位在該研究方向上的專長。北京科技大學(xué)是高溫 TiAl 合金的發(fā)明單位，在合金基礎(chǔ)成分-組織- 性能關(guān)系和實(shí)驗(yàn)室級別的制備和熱加工方面研究基礎(chǔ)深厚。哈爾濱工業(yè)大學(xué)在合金熔煉、精密鑄造、冷坩堝定向凝固、高溫塑性變形、異種材料連接等方向上有深厚的研究基礎(chǔ)，已針對 TiAl 合金的共性問題，從不同學(xué)科角度進(jìn)行學(xué)科交叉和學(xué)科融合，開展了精密熱成形技術(shù)的研究工作，在技術(shù)層面上已經(jīng)取得了多項(xiàng)創(chuàng)造性的研究成果；中南大學(xué)在粉末冶金等方向上在國內(nèi)處于領(lǐng)先地位，一直在對粉末冶金 TiAl 基合金進(jìn)行研究，在 2000 年左右開始快速發(fā)展，特別是在高質(zhì)量粉末和坯體制備方面，取得了不少成果，主要包括：采用元素粉末冶金方法制備與鍛造材料力學(xué)性能相當(dāng)?shù)呐黧w，室溫延伸率達(dá)到 1.5%，闡明了元素粉末反應(yīng)合成 TiAl 基合金的機(jī)理以及相關(guān)的致密化原理。制備出了 TiAl 基合金發(fā)動機(jī)氣門，在現(xiàn)場試驗(yàn)中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。西北工業(yè)大學(xué)長期從事 Ti 及 Ti合金、TiAl 合金、高溫合金等材料冶金、精密鑄造、稀有金屬材料先進(jìn)塑性成形技術(shù)等的研究與開發(fā)，近年來先后承擔(dān)了數(shù)十項(xiàng)國家基礎(chǔ)研究和國防型號研制任務(wù)。在國際上率先提出液固界面非平衡溶質(zhì)再分配的概念及相關(guān)函數(shù)關(guān)系；在亞快速定向凝固及組織超細(xì)化、高溫合金和稀土永磁合金的凝固組織與性能方面進(jìn)行了開創(chuàng)性研究，獲得性能提高數(shù)倍的超細(xì)胞/枝晶定向組織。并將這些理論研究成果應(yīng)用于對各種金屬材料的凝固過程模擬、金屬單晶晶體生長熱力學(xué)和動力學(xué)模擬、合金相組織模擬、三 維晶體取向控制、合金性能及服役性能等方面的研究。近年來在相關(guān)現(xiàn)代凝固理論過冷熔體及溶液法生長、定向凝固、快速凝固、半固態(tài)凝固以及激光快速熔凝等方面已取得了階段性研究成果，其中部分成果居于國際先進(jìn)水平。西北有色金屬院長期從事 Ti 合金和 TiAl 合金研究，具有豐富的知識積累, 特別是在高 Nb-TiAl 合金熔煉的均勻化上有突出的研究成果。鋼鐵研究總院自 1987 年起在國家 863 高技術(shù)新材料研究計(jì)劃支持下開展 TiAl等金屬間化合物基高溫材料的研究，車用增壓渦輪、航空發(fā)動機(jī)用渦流器和航天用 TiAl 合金可逆渦輪轉(zhuǎn)子等部件己進(jìn)入應(yīng)用研究。其中，鑄造 TiAl 合金增壓器渦輪于 2003 年 11 月實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)自主研制的 TiAl 合金發(fā)動機(jī)熱端轉(zhuǎn)動部件試車考核“零”的突破，通過與鎳基高溫合的對比試驗(yàn)表明，應(yīng)用這種輕質(zhì)材料可使大型柴油機(jī)的加速響應(yīng)性提高 35%以上、且可顯著降低排放煙度和油耗?；谘b配主機(jī)完成的包括 500 小時(shí)壽命試驗(yàn)的多項(xiàng)考核結(jié)果良好和其減重所產(chǎn)生的技術(shù)推動效果明顯，己被列為某型發(fā)動機(jī)的正選增壓器渦輪材料。通過這些需求牽引的 TiAl 合金研究，鋼鐵研究總院己對這種輕質(zhì)高溫材料的性能和工藝特點(diǎn)有了較深入的認(rèn)識，尤其是在國防型號技改支持下建立起了鑄造工藝實(shí)驗(yàn)室和中間試驗(yàn)平臺，可作為本申請項(xiàng)目的重要支撐條件鋼鐵研究總院積累了較豐富的TiAl 合金增壓渦輪精密 鑄造材料和工藝研究經(jīng)驗(yàn) ，形成了較強(qiáng)的 TiAl 合金材料研究和工藝實(shí)驗(yàn)技術(shù)力量。北京航空材料研究院航空材料檢測研究中心長期進(jìn)行材料的力學(xué)性能測試及行為表征研究工作，具有雄厚的技術(shù)力量并擁有多種先進(jìn)的高溫及常溫材料試驗(yàn)機(jī)和其他儀器設(shè)備。在“ 七五”和“八五” 期間，針對發(fā)動機(jī) FWP14 的研制， 編輯、出版了《航空發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)用材料性能數(shù)據(jù)手冊》第一、第二冊，2008 年出版了根據(jù) FWS10 發(fā)動機(jī)的材料性能數(shù)據(jù)編寫的第三冊；在《航空推進(jìn)技術(shù)驗(yàn)證計(jì)劃》研制過程中編寫的第四冊即將出版并利用存量資源創(chuàng)建了發(fā)動機(jī)材料性能數(shù)據(jù)庫。提供了一定數(shù)量的具有置信度、存活率要求的A、B 基值和-3σ 值的性能數(shù)據(jù)，制定了材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)表達(dá)準(zhǔn)則：國軍標(biāo)GJB/Z 18A-2005《金屬材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)處理與表達(dá)》。在材料的力學(xué)性能測試與表征技術(shù)的研究方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。研制條件和基地本研究團(tuán)隊(duì)擁有的與本項(xiàng)目有關(guān)的國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、國家工程（技術(shù)）研究中心 8 個(gè)，一個(gè)該領(lǐng)域國內(nèi)最大的基礎(chǔ)建設(shè)項(xiàng)目：高 Nb-TiAl 建設(shè)平臺。北京科技大學(xué)新金屬材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的 TiAl 研究平臺，包括中等規(guī)模的熔煉和熱加工中心、計(jì)算中心、專業(yè)測試和檢測平臺。北京航空材料研究院從美國 Retech 公司引進(jìn)的國內(nèi)唯一一臺 200kg 級PAM525 等離子束冷床熔煉爐，利用該設(shè)備成功制備出了國內(nèi)最大的高 Nb-TiAl合金錠，尺寸? 150?900mm、重 67kg，鑄錠冶金質(zhì)量良好，成分比較均勻。寶鋼股份有限公司擁有國內(nèi)最先進(jìn)的大功率等離子冷床爐，可熔煉Ф860mm圓錠 、1200?400mm 扁錠（2010 年投產(chǎn)）；采用先進(jìn)的等溫鍛造技術(shù)，在萬噸液壓機(jī)上鍛造成型國內(nèi)最大的鈦合金精密鍛件，鍛件尺寸精細(xì)、性能優(yōu)異；國內(nèi)最先進(jìn)的 6000 噸擠壓設(shè)備（2009 年投產(chǎn)）；以及 4500 噸快鍛機(jī)，配合以創(chuàng)新的“軟包套”保溫鍛造技術(shù) 等，保 證了大尺寸合金的超純凈、無缺陷材料制備與加工方面的研究工作。上海交通大學(xué)、南京理工大學(xué)與丹陽市精密合金廠有限公司建立了整套 Ti合金和 TiAl 精密鑄造生產(chǎn)線，同時(shí)引入國外 TiAl 精密鑄造高水平的技術(shù)人才，使以后的研究工作有更高的起點(diǎn)，使具備全尺寸件的生產(chǎn)能力。西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室以航空航天為代表領(lǐng)域的國防重大材料技術(shù)需求為主要服務(wù)對象，以先進(jìn)材料精確成形為主要技術(shù)方向，以科學(xué)基礎(chǔ)、技術(shù)創(chuàng)新和工程化應(yīng)用的綜合集成為主要學(xué)術(shù)特色，在凝固組織形態(tài)的形成規(guī)律，多元合金凝固理論方面取得多項(xiàng)得到國內(nèi)外同行認(rèn)可的研究成果。擁有 1噸、30kg 真空自耗電弧爐及相關(guān)的 3000T 液壓機(jī)、500T 液壓機(jī)、25kg 真空感應(yīng)熔煉爐、真空熱處理爐、Ti 及 TiAl 合金冷坩堝熔煉與精密鑄造設(shè)備等，具備了本項(xiàng)目實(shí)施所需的各種設(shè)備條件保障。鋼鐵研究總院是鋼鐵材料及冶金工藝綜合技術(shù)的科研院所，研究領(lǐng)域涵蓋了以金屬材料為主的材料科學(xué)與工程、冶金生產(chǎn)流程的工藝及裝備技術(shù)、分析測試技術(shù)和儀器設(shè)備以及產(chǎn)品質(zhì)量控制等方面。先進(jìn)鋼鐵材料國家工程研究中心、國家鋼鐵產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心、國家鋼鐵材料測試中心、國家非晶微晶合金工程技術(shù)研究中心、國家鋼鐵物料進(jìn)出口商品檢驗(yàn)室、中國冶金質(zhì)量體系認(rèn)證中心均設(shè)在該院。高溫結(jié)構(gòu)材料是 鋼鐵研究總院的重點(diǎn)研究方向之一，為給我國航空、航天、艦 船和兵器等國防工 業(yè)及國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供高溫合金材料基礎(chǔ)和技術(shù)支撐，己形成了變形高溫合金、鑄造高溫合金、粉末高溫合金和金屬 間化合物四大高溫材料體系和研究隊(duì)伍，建設(shè)了涿州粉末高溫合金科研生產(chǎn)基地和永豐高溫合金產(chǎn)業(yè)基地。上述單位研究單位實(shí)力雄厚、優(yōu)勢互補(bǔ)，具有明 顯的產(chǎn)學(xué)研結(jié)合體，有利于解決高溫 TiAl 合金產(chǎn)業(yè)化和應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)。從研究基礎(chǔ)、研究人員素質(zhì)到實(shí)驗(yàn)條件均可以滿足本項(xiàng)目的研究需要。因此，具 備了在高溫 TiAl 合金及其制備和成形加工成形相關(guān)理論上取得重大突破的可能性。5 課題之間的關(guān)系：本項(xiàng)目集中在高溫 TiAl 合金系列上，圍繞輕質(zhì)高溫 TiAl 的合金設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及強(qiáng)韌化機(jī)制、高溫 TiAl 合金凝固過程組織及缺陷的調(diào)控機(jī)制、高溫 TiAl 合金粉末冶金制備過程的流變塑變理論科學(xué)問題，根據(jù)本項(xiàng)目的總體思路和預(yù)期目標(biāo)，設(shè) 置如下六個(gè)課題：（ 1）高溫 TiAl 合金合金成分-組織-性能設(shè)計(jì)和優(yōu)化原理、 （2）高溫 TiAl 合金的高 潔凈度熔煉和加工科學(xué)基礎(chǔ)、 （3）高溫 TiAl 合金熔模鑄造關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)、 （4）高溫 TiAl 合金冷坩堝定向凝固新技術(shù)基礎(chǔ)、 （5）高溫TiAl 合金板材的粉末冶金及軋制新技術(shù)基礎(chǔ)研究、 （6）高溫 TiAl 金屬間化合物材料使用性能表征和評價(jià)。課題之間聯(lián)系緊密，見圖 2 所示。其中第一個(gè) 課題和第六個(gè)課題與其它四個(gè)課題的關(guān)聯(lián)性最大，課題 1 為不同的制備和加工技術(shù)提供優(yōu)化的合金成分和組織設(shè)計(jì)理論和強(qiáng)韌化機(jī)制，提升高溫 TiAl 合金的室溫塑性和韌性，以順利完成項(xiàng)目提出的具體性能指標(biāo)；課題 6 為不同的制備加工技術(shù)有關(guān)的課題提供性能表征方法確保建立統(tǒng)一的性能數(shù)據(jù)庫，為高溫 TiAl 合金應(yīng)用設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的建立提供數(shù)據(jù)支撐。中間四個(gè)課題在合金的熔煉、凝固、成型（成形）、粉末冶金上相互關(guān)聯(lián)和支撐，實(shí)現(xiàn)本項(xiàng)目提出的解決高溫 TiAl 合金制備和加工關(guān)鍵科學(xué)問題，以發(fā)展出高溫 TiAl 合金制備和加工技術(shù)原型。高溫塑性變形②⑤高溫 TiAl 合金優(yōu)化設(shè)計(jì) ①凝固成型 熱塑性變形 粉末冶金 大鑄錠等離子熔煉② 凝固過程及最終凝固組織控制再結(jié)晶細(xì)晶 致密無夾雜組織 定向組織 等軸晶 組織性能表征及評價(jià)⑥預(yù)合金粉+全致密化+包套板材軋制⑤熔模精密鑄造③定向凝固④靜態(tài)再結(jié)晶動態(tài)再結(jié)晶圖 2 課題之間的關(guān)系圖課題 1：高溫 TiAl 合金成分-組織-性能設(shè)計(jì)和優(yōu)化原理研究目標(biāo)：揭示針對高溫條件和具體的制備加工技術(shù)下的合金成分-組織-性能關(guān)系，主要包括合金元素 Nb\Al 上下限、微合金化元素的添加原則、多 組元高溫 TiAl 合金的相關(guān)系和新型工程合金的強(qiáng)韌化機(jī)制、多相有序結(jié)構(gòu)的熱形變動態(tài)復(fù)原機(jī)制。主要研究內(nèi)容：（1（ 基于密度函數(shù)理論第一性原理的高 Nb-TiAl 合金設(shè)計(jì)基礎(chǔ)和組成相廣義層錯(cuò)能、反相疇界能與孿晶形成能力等晶體缺陷性質(zhì)，以及合金元素對以上合金的晶體缺陷性質(zhì)作用規(guī)律；（2（ 通過熱力學(xué)計(jì)算和試驗(yàn)研究不同 Nb 含量的多 組元高溫 TiAl 合金的準(zhǔn)相圖、高溫不同截面圖和其它添加合金元素的影響，揭示多元合金的相變規(guī)律和相關(guān)系；（3（ 在不同制備和加工工藝下，Nb、 Al 含量對合金成分-組織-性能關(guān)系的影響規(guī)律，得到其 Nb/Al 含量的上下限， 滿足課題提出的性能指標(biāo)；（4（ 微合金化元素的作用規(guī)律及添加原則。主要研究 W、B、Si 等對細(xì)化晶粒及片層間距的作用機(jī)理和效果；研究 Mn、稀土元素對合金鑄造性能的影響；研究添加稀土元素改善高溫抗氧化性的機(jī)制；（5（ 研究形變過程中普通位錯(cuò)-超位錯(cuò)-孿晶交互作用，Nb 降低層錯(cuò)能對形變和強(qiáng)韌化的影響機(jī)制；（6（ V、Mo 等元素對高溫 TiAl 合金多相有序結(jié)構(gòu)的動態(tài)復(fù)原過程的影響規(guī)律，以提高合金的熱加工性能。（7（ 高溫條件和不同加工方式下高 Nb-TiAl 合金的高溫抗氧化機(jī)制。經(jīng)費(fèi)比例：23%承擔(dān)單位：北京科技大學(xué)，上海交通大學(xué)課題負(fù)責(zé)人：林均品，46 歲，博士，教授，博導(dǎo)主要承擔(dān)人員：陳國良，宋西平， 孫堅(jiān)課題 2：高溫 TiAl 合金的高潔凈度熔煉和加工科學(xué)基礎(chǔ)研究目標(biāo)：建立等離子冷床熔煉高溫 TiAl 合金的均質(zhì)化和純潔度控制方法，揭示熔煉工藝路線和工藝參數(shù)對鑄錠夾雜物去除效果及成分組織均勻性的影響規(guī)律。探索出適合高溫 TiAl 合金型材的均質(zhì)、 純凈 的大尺寸鑄錠制備技術(shù)；通過高溫 TiAl 合金包套擠壓結(jié)合等溫鍛造工藝細(xì)化和均勻化組織，通過增加高溫 β相提高熱變形能力，研制出 組織均勻細(xì)小的大尺寸擠壓棒材、鍛造餅材、板材。主要研究內(nèi)容：（1（ 利用有限元模擬研究高溫 TiAl 合金等離子冷爐床熔煉和真空自耗電弧熔煉過程中熱平衡，建立鑄錠凝固過程傳熱、 傳質(zhì)及流動的數(shù)學(xué)物理模型?；跓?動力力學(xué)分析，對 熔體中異質(zhì)夾雜的界面反 應(yīng)及其遷移分離的機(jī)制進(jìn)行研究，預(yù)測鑄錠凝固的宏觀、微 觀偏析和缺陷類型；（2（ 研究晶間熔體流體力學(xué)、富溶質(zhì)熔體在凝固枝晶間的流動結(jié)晶行為以及溶質(zhì)分配規(guī)律，分析高溫 TiAl 合金熔煉過程熔池中液相流動特征及其受外場的影響，結(jié)合對凝固過程中原子擴(kuò)散、溶質(zhì)偏聚等所引起的能量障礙的分析，明確鑄錠成分分布規(guī)律及偏析機(jī)制；（3（ 通過對高溫 TiAl 合金的冶金工藝途徑和過程參數(shù)調(diào)控，研究大鑄錠合金的偏析、夾雜、縮孔、疏松等冶金缺陷的形成機(jī)制及其 對綜合力學(xué)性能的影響規(guī)律、熔體流變行為，明確冶金 過程純凈化、勻 質(zhì)化機(jī)理并提出調(diào)控方法；（4（ 研究 β相穩(wěn)定元素 對高溫 TiAl 合金熱變形能力的影響，研究熱擠壓工藝結(jié)合等溫鍛造的熱加工工藝對細(xì)化鑄態(tài)組織和綜合力學(xué)性能的影響；（5（ 研究 Z 參數(shù)對組織演變的影響規(guī)律，建立 熱變形過程中宏觀參量和材料微觀組織演變之間的數(shù)學(xué)模型、熱變形本構(gòu)關(guān)系數(shù)學(xué)模型和熱變形抗力圖。利用計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究熱變形參量對合金組織性能的影響規(guī)律，建立熱加工工藝優(yōu)化原理；（6（ 研究在應(yīng)力場、溫度場、速度 場及外在約束等多場耦合作用下熱變形包套技術(shù)在擠壓、等溫鍛造和軋制中的作用原理，優(yōu)化熱加工工藝參數(shù)。 經(jīng)費(fèi)比例：18%承擔(dān)單位：西北工業(yè)大學(xué)，北京科技大學(xué)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)，寶 鋼股份有限公司課題負(fù)責(zé)人：常 輝，41，博士，副教授，博導(dǎo)主要承擔(dān)人員：張來啟，陳玉勇，李金山，王寧，楊 昭，孔凡濤課題 3：高溫 TiAl 合金熔模鑄造關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)研究目標(biāo)：以高溫 TiAl 合金在多場作用下鑄造充型特性、壁厚效應(yīng)以及熔體與型殼反應(yīng)形成表面硬化層的規(guī)律為基礎(chǔ)，形成可有效提高高溫 TiAl 合金鑄件冶金質(zhì)量并抑制表面硬化層生成的精鑄技術(shù)；揭示高溫 TiAl 合金成分對液固界面生長和液固相變路徑選擇的作用規(guī)律，選擇變質(zhì)處理作用明顯且相容性良好的變質(zhì)劑，建立以鑄造為成形工藝路線的高溫 TiAl 合金優(yōu)化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。主要研究內(nèi)容：（1（ 研究離心和反重力鑄造過程中高溫 TiAl 合金中 Ti 及高熔點(diǎn)元素對液固界面生長特性的作用，揭示不同成分范圍合金包晶凝固過程中組織和缺陷形成規(guī)律及其對鑄件可靠性的影響，探索氧、氮等間隙原子對凝固行為的作用及作用機(jī)理，依此對鑄造高溫 TiAl 合金母合金的成分、間隙元素含量進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整； （2（ 以 Pro/E 復(fù)雜結(jié)構(gòu)造型、 CA 法組織模擬、Ansys 有限元計(jì)算優(yōu)化組合計(jì)算為基礎(chǔ)研究高溫 TiAl 精密鑄件軟件接口計(jì)算問題，通過多場耦合作用下高溫 TiAl 合金精密鑄造過程的數(shù)值模擬，對柱狀晶生長、糊狀區(qū)形成規(guī)律和充型特性進(jìn)行全面描述；（3（ 通過流動性、收縮性等工藝性能試驗(yàn)，分析 鑄造高溫 TiAl 合金包晶凝固過程中組織和缺陷交互形成規(guī)律；通過設(shè)計(jì)標(biāo)樣和調(diào)整鑄造參數(shù)，揭示精密鑄造高溫 TiAl 合金的壁厚效應(yīng)及可能的調(diào)控途徑；研究系列變質(zhì)處理方法的作用以及析出物與基體的物理、力學(xué)相容性，進(jìn)行變質(zhì)劑優(yōu)化選擇；進(jìn)而提出綜合優(yōu)化鑄造工藝技術(shù)的思路；（4（ 研究熔體與型殼反應(yīng)以及熱交換對熔體充型流動的阻滯作用，分析高溫TiAl 合金熔體與鑄型表面反應(yīng)所產(chǎn)生表面硬化層，揭示表面硬化層的形成機(jī)制，研究表面硬化層對高溫 TiAl 合金力學(xué)性能的影響，探索有利于抑制表面硬化層形成的型殼面層化學(xué)組分，以減少其對力學(xué)性能的不利影響；（5（ 設(shè)置不同工藝邊界條件制備鑄造 TiAl 合金標(biāo)樣，通過力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)和整體鑄件的考核，揭示組織和缺陷對高溫 TiAl 合金鑄件可靠性的影響規(guī)律，為推動高可靠性鑄造高溫 TiAl 合金進(jìn)入工程應(yīng)用。經(jīng)費(fèi)比例：18.5%承擔(dān)單位：鋼鐵研究總院，上海交通大學(xué)，丹陽市精密合金廠有限公司，西北工業(yè)大學(xué)課題負(fù)責(zé)人：張繼，48 歲，博士，教授，博導(dǎo)主要承擔(dān)人員：陸敏，張建偉，王新英，萬柏方，張鐵邦課題 4：高溫 TiAl 合金冷坩堝定向凝固新技術(shù)基礎(chǔ)研究目標(biāo)：揭示新型高溫 TiAl 合金在冷坩堝定向凝固條件下的組織、缺陷演變規(guī)律；建立相關(guān)凝固理論模型，運(yùn)用對凝固過程的控制，提高該合金的塑性、 強(qiáng)度等性能指標(biāo)，建立該定向凝固組織典型構(gòu)件的關(guān)鍵成形技術(shù)方法。主要研究內(nèi)容： （1（ 研究冷坩堝無污染定向凝固高溫 TiAl 合金的相選擇和組織演化規(guī)律，定向凝固過程電磁感應(yīng)加熱熔化及凝固界面的控制方法及原理；（2（ 合金連續(xù)熔化、鑄造與定向凝固用多功能冷坩堝系統(tǒng)的電熱性能及優(yōu)化設(shè)計(jì)；連續(xù)定向凝固制備合金錠的冷坩堝電磁感應(yīng)熔化/凝固成形過程組織隨工藝參數(shù)變化規(guī)律及其優(yōu)化；（3（ 研究高溫 TiAl 合金的缺陷演化熱力學(xué)及動力學(xué)及鑄造質(zhì)量控制。合金表面裂紋形成的熱力學(xué)及動力學(xué)機(jī)理及其控制規(guī)律；縮孔縮松形成的熱力學(xué)及動力學(xué)機(jī)理及其控制規(guī)律；成分偏析形成的機(jī)理及其控制規(guī)律；綜合鑄造質(zhì)量的控制方法優(yōu)化；（4（ 高溫 TiAl 合金片層組織的定向熱處理過程中組織演化規(guī)律及其取向控制。高溫平衡相組成及雙相鈦鋁基合金梯度溫度場內(nèi)平衡相組成及分布；（5（ 定向凝固高溫 TiAl 合金成分-組織-工藝參數(shù)-力學(xué)性能之間的關(guān)系。經(jīng)費(fèi)比例：13%承擔(dān)單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，南京理工大學(xué)課題負(fù)責(zé)人：郭景杰，54 歲，博士，教授，博導(dǎo)主要承擔(dān)人員：傅恒志，陳光，丁宏升課題 5：高溫 TiAl 合金板材的粉末冶金及軋制新技術(shù)基礎(chǔ)研究研究目標(biāo)：通過添加 β相穩(wěn) 定元素和高 Nb 合金化制備出的含高比例 β相的高溫 TiAl 合金粉末，促進(jìn) 其后續(xù)軋制的熱變形能力，保證大變形量大尺寸板材的制備；建立粉末冶金合金致密化過程微缺陷形成和控制理論，在應(yīng)力場、溫度場、速度 場及外在約束等多 場耦合作用下，板材 軋制 過程中的精確變形流動理論。建立從合金粉末- 熱等靜壓致密化-熱機(jī)械處理-包套軋制制備大尺寸 TiAl 合金板材的完整的技術(shù)原型。形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高溫 TiAl 合金連接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高溫 TiAl 合金本身及其與其他材料的連接。主要研究內(nèi)容：（1（ 研究 β相穩(wěn)定元素和高 Nb 合金化對高溫 TiAl 合金粉末的非平衡相的結(jié)構(gòu)形成與演化規(guī)律影響，得出優(yōu)化的板材成分組織和設(shè)計(jì)原則；（2（ 研究成分偏擴(kuò)散以及微偏析對合金粉末致密化過程的作用規(guī)律，致密化過程中 Al，Nb，Cr，W 等元素在粉末顆粒內(nèi)部和界面的分布狀態(tài)以及擴(kuò)散途徑，以及由此造成的對致密化過程物質(zhì)流動、原始界面消除以及新結(jié)構(gòu)形成的影響；（3（ 雜質(zhì)和缺陷分布及對粉末冶金高溫 TiAl 合金損傷機(jī)理。粉末冶金材料雜質(zhì)元素、殘余孔隙和其它缺陷的存在方式，對材料室、高溫以及 動、靜態(tài)力學(xué)性能的作用規(guī)律；（4（ 研究高溫 TiAl 合金粉末非平衡結(jié)構(gòu)形成與演化，粉末致密化行為和缺陷形成與控制機(jī)理，在應(yīng)力場、溫度 場、速度場及外在 約束等多場耦合作用下，合金板材包套軋制過程中金屬流動規(guī)律；（5（ 研究熱軋過程中組織結(jié)構(gòu)演化行為，建立工藝－組織－性能交互作用關(guān)系模型，確定變形缺陷形成演化規(guī)律及其控制原理；研究高溫 TiAl 合金板材后續(xù)熱處理過程中的組織性能演變規(guī)律，實(shí)現(xiàn)組織性能精確控制；（6（ 研究板材的超塑性變形機(jī)理，超塑性變形過程中顯微組織演變及孔洞的形核和長大規(guī)律；（7（ 研究高溫 TiAl 合金釬焊及擴(kuò)散連接用中間層成分及其與母材的界面反應(yīng)機(jī)理、反應(yīng)相形成規(guī)律；探索電子束焊接時(shí)的接頭質(zhì)量控制方法及焊接熱輸入對接頭力學(xué)性能的影響。經(jīng)費(fèi)比例：16%承擔(dān)單位：中南大學(xué), 西北有色金屬研究院，哈爾濱工業(yè)大學(xué)課題負(fù)責(zé)人：賀躍輝，46 歲，博士，教授主要承擔(dān)人員：劉詠，劉海彥，馮吉才課題 6：高溫 TiAl 金屬間化合物材料使用性能表征和評價(jià)研究目標(biāo)：確立高溫 TiAl 合金安全服役條件下的力學(xué)性能控制參量和應(yīng)用閾值范圍，揭示組織類型和微 觀缺陷對合金裂紋萌生和擴(kuò)展的影響規(guī)律，揭示合金損傷容限性能與微觀組織的關(guān)系，建立具有理論基礎(chǔ)并具有工程應(yīng)用價(jià)值的壽命評估方法和損傷容限參量設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，為合金在航空、航天及其他領(lǐng)域的工程化應(yīng)用提供有力的技術(shù)支持。主要研究內(nèi)容：（1（ 針對高溫 TiAl 合金在發(fā)動機(jī)不同部件上的應(yīng)用，研究合金在發(fā)動機(jī)部件典型使用溫度與復(fù)雜載荷條件下（高溫靜力拉伸、持久/蠕變、應(yīng)力/ 應(yīng)變疲勞以及疲勞/蠕變等）應(yīng)力與應(yīng)變的本構(gòu)關(guān)系， 對合金的性能 進(jìn)行全面的評估分析，確立安全服役條件下的性能控制參量和應(yīng)用閾值范圍，建立性能控制參量的表征技術(shù)；（2（ 研究合金的微觀斷裂特征和失效機(jī)制，包括小裂紋萌生機(jī)制、小裂紋和長裂紋的擴(kuò)展規(guī)律以及斷裂機(jī)制；研究組織類型和微觀缺陷對合金裂紋萌生和擴(kuò)展的影響規(guī)律；（3（ 揭示合金的斷裂韌度 KIC、疲勞裂紋擴(kuò)展速率 da/dN 以及疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值 ΔKth等 損傷容限性能與微 觀組織的關(guān)系，發(fā)展計(jì)算機(jī)損傷模擬模型，為合金的微觀組織設(shè)計(jì)和探討微觀組織對損傷容限性能的影響機(jī)理奠定基礎(chǔ)；（4（ 研究合金在反復(fù)熱循環(huán)和熱沖擊條件下的尺寸穩(wěn)定性和性能穩(wěn)定性評價(jià)方法；（5（ 建立具有理論基礎(chǔ)并具有工程應(yīng)用價(jià)值的壽命評估方法和損傷容限參量設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；（6（ 航天飛行器短時(shí)持久/蠕變、應(yīng)力/應(yīng)變疲勞以及疲勞/蠕變等的本構(gòu)關(guān)系及性能表征。經(jīng)費(fèi)比例：11.5%承擔(dān)單位：中航工業(yè)北京航空材料研究院，航天科工集團(tuán)特種材料工藝技術(shù)研究所課題負(fù)責(zé)人：于慧臣，44 歲，博士，研究員主要承擔(dān)人員：郭廣平，黃新躍， 許沂，雷昆 鳥四、年度計(jì)劃研究內(nèi)容 預(yù)期目標(biāo)第一年1 以鑄造合金為對象，基于密度函數(shù)理論第一性原理的高 Nb-TiAl 合金設(shè)計(jì)，Nb 、Al 含量對合金成分-組織-性能關(guān)系的影響規(guī)律，得到其 Nb/Al含量的上下限和微量元素的添加規(guī)律；2 利用有限元模擬研究高溫 TiAl 合金等離子冷爐床熔煉和真空自耗電弧熔煉過程中熱平衡，建立鑄錠凝固過程傳熱、傳質(zhì)及流動的數(shù)學(xué)物理模型；基于熱/動力力學(xué)分析， 對熔體中異質(zhì)夾雜的界面反應(yīng)及其遷移分離的機(jī)制進(jìn)行研究，預(yù)測鑄錠凝固的宏觀、微觀偏析和缺陷類型；3 鑄造過程中高溫 TiAl 合金中 Ti及高熔點(diǎn)元素對液固界面生長特性的作用，不同成分范圍合金包晶凝固過程中組織和缺陷形成規(guī)律及其對鑄件可靠性的影響，探索氧、氮等間隙原子對凝固行為的作用及作用機(jī)理； 1 初步得到鑄 造高溫 TiAl 合金的合金成分-組織-性能關(guān)系和合金設(shè)計(jì)原則；2 揭示鑄造高溫 TiAl 合金凝固過程的傳熱、傳質(zhì)及流動規(guī)律和預(yù)測鑄錠凝固的宏觀、微觀偏析和缺陷類型；3 揭示 β相穩(wěn) 定元素對高溫 TiAl 合金熱變形能力的影響規(guī)律和 Z 參數(shù)對組織演變的影響規(guī)律；4 闡明粉末冶金坯體制備過程缺陷控制和非平衡相演化機(jī)理。5 發(fā)表文章 20-30 篇。研究內(nèi)容 預(yù) 期目標(biāo)4 β相穩(wěn)定元素對高溫 TiAl 合金熱變形能力的影響，Z 參數(shù)對組織 演變的影響規(guī)律，熱變形過程中宏觀參量和材料微觀組織演變之間的數(shù)學(xué)模型、熱變形本構(gòu)關(guān)系數(shù)學(xué)模型和熱變形抗力圖；5 高 Nb-TiAl 合金的霧化粉末的制備；研究 β相 穩(wěn)定元素和高 Nb 合金化對高溫 TiAl 合金粉末的非平衡相的結(jié)構(gòu)形成與演化規(guī)律影響，高 Nb合金粉末的致密化。第二年1 高 Nb-TiAl 合金各組成相位 錯(cuò)、超位錯(cuò)、廣義層錯(cuò)能、反相疇界能與孿晶形成能力等晶體缺陷性質(zhì)，以及合金元素對以上合金的晶體缺陷性質(zhì)作用規(guī)律，理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)作對比；2 變形和粉末高溫 TiAl 合金 Nb、Al含量對合金成分-組織- 性能關(guān)系的影響規(guī)律，得到其 Nb/Al 含量的上下限和微量元素的添加規(guī)律；3 通過多場耦合作用下高溫 TiAl 凝1 初步得到位錯(cuò)、超位錯(cuò)、層錯(cuò)、反相疇界及形變孿晶等形變微結(jié)構(gòu)的作用規(guī)律；2 揭示變形和粉末高溫 TiAl 合金成分-組織 -性能關(guān)系；3 初步提出改進(jìn)的高溫 TiAl 合金的精密鑄造工藝，優(yōu)化提高陶瓷型殼的質(zhì)量及制備工藝；4 獲得冷坩堝電磁感應(yīng)熔化/凝固成形過程組織隨工藝參數(shù)變化規(guī)律；5 揭示高溫 TiAl 合金蠕變斷裂機(jī)制，研究內(nèi)容 預(yù) 期目標(biāo)固過程的模擬計(jì)算提出工藝性能試驗(yàn)方案，并實(shí)驗(yàn)分析凝固過程中組織和缺陷形成規(guī)律；研究揭示熔體與鑄型表面反應(yīng)形成硬化層的機(jī)制，探索優(yōu)化型殼材料的熱力學(xué)和動力學(xué)基礎(chǔ)；4 在不同工藝參數(shù)條件下，利用電磁冷坩堝制備出一批高 Nb-TiAl 合金試樣，研究冷坩堝定向凝固合金錠的電磁感應(yīng)熔化/凝固成形過程組織隨工藝參數(shù)變化規(guī)律，分析其相選擇及影響機(jī)理；5 高 Nb-TiAl 合金粉末冶金坯體的力學(xué)行為，研究粉末冶金材料雜質(zhì)元素、殘余孔隙和其它缺陷的存在方式，對材料室、高溫力學(xué)性能的作用規(guī)律；6 航空發(fā)動機(jī)用高 Nb-TiAl 合金的微觀斷裂特征和失效機(jī)制，包括蠕變斷裂機(jī)制、疲勞小裂紋萌生機(jī)制、小裂紋和長裂紋的擴(kuò)展規(guī)律以及疲勞斷裂機(jī)制。疲勞小裂紋萌生、擴(kuò)展機(jī)制。6 發(fā)表文章 30-50 篇， 申請國家發(fā)明專利 5-8 項(xiàng)。研究內(nèi)容 預(yù) 期目標(biāo)第三年1 通過熱力學(xué)計(jì)算和試驗(yàn)研究不同Nb 含量的多組元高溫 TiAl 合金的準(zhǔn)相圖、高溫不同截面圖，其它微量添加合金元素對相關(guān)系和相穩(wěn)定性的影響，高溫環(huán)境和不同加工方式下高溫 TiAl 合金高溫抗氧化性；2 大尺寸 TiAl 合金鑄錠的等離子冷床熔煉和真空自耗熔煉工藝基礎(chǔ)；3 高溫 TiAl 合金的包套等溫鍛造和軋制過程中微觀組織演化規(guī)律及其與 Z 參數(shù)等宏觀參量的相互關(guān)系，優(yōu)化 TiAl 合金熱加工工藝；4 改進(jìn)精密鑄造數(shù)值模擬方法，對鑄造葉片典型樣件的充型和組織、缺陷形成規(guī)律進(jìn)行預(yù)測，進(jìn)行標(biāo)樣和鑄造葉片樣件的研制；5 粉末冶金高溫 TiAl 合金板材后續(xù)熱處理過程中的組織性能演變規(guī)律以及力學(xué)性能，優(yōu)化組織性能；6 合金元素對高溫 TiAl 合金釬焊及擴(kuò)散連接的影響，釬焊及擴(kuò)散連接界面組織對接頭力學(xué)性能的影響；7 針對航天飛行器高溫高載飛行條1 揭示 Nb 含量對高溫 TiAl 合金相圖及相關(guān)系的影響規(guī)律；2 確立高溫 TiAl 合金鑄錠冶金過程純凈化、均質(zhì)化機(jī)理并提出調(diào)控方法；3 形成高溫 TiAl 合金鑄造葉片樣件成形完整的工藝基礎(chǔ)；4 大尺寸高溫 TiAl 合金板坯的模擬軋制參數(shù)優(yōu)化；5 實(shí)現(xiàn)高溫 TiAl 合金釬焊及擴(kuò)散連接的工藝優(yōu)化。6 發(fā)表文章 30-50 篇， 申請國家發(fā)明專利 8-12 項(xiàng)。研究內(nèi)容 預(yù) 期目標(biāo)件下的短時(shí)應(yīng)用特點(diǎn)，研究高溫TiAl 合金短時(shí)高溫持久強(qiáng)度極限、短時(shí)高溫蠕變、短時(shí)高溫持久強(qiáng)度等力學(xué)性能參數(shù)與制備技術(shù)的關(guān)連性。第四年1 高溫 TiAl 合金的成分-組織參量及組織均勻性與室溫塑性和韌性的關(guān)系；2 解剖分析標(biāo)樣和鑄件中的組織和缺陷，對高溫 TiAl 合金鑄造葉片樣件的可靠性進(jìn)行評價(jià)，綜合優(yōu)化高溫 TiAl 合金的力學(xué)性能、抗氧化性能及工藝性能，改進(jìn)陶瓷型殼和精密鑄造工藝；3 建立多外場耦合作用下定向凝固高溫 TiAl 合金組織凝固模型，進(jìn)行高溫 TiAl 合金片層組織的定向熱處理，研究熱處理工藝對組織演化規(guī)律及其取向控制；4 大尺寸粉末冶金高溫 TiAl 合金板材的軋制工藝，研究具體工藝制度對板材缺陷形成的影響規(guī)律，板材的熱處理，組織演化以及力學(xué)性能；5 研究航空發(fā)動機(jī)用高 Nb-TiAl 合1 得出提高高溫 TiAl 合金室溫塑性和韌性的技術(shù)途徑和成分-組織調(diào)控原理；2 高溫 TiAl 合金鑄造葉片樣件成形完整、內(nèi)部冶金質(zhì)量同比達(dá)到高溫合金葉片的水平；3 得到一種高溫 TiAl 合金能夠提高力學(xué)性能的定向熱處理熱處理工藝；4 制備出力學(xué)性能基本達(dá)到指標(biāo)要求，寬度 400-500mm、厚度 1-2mm的粉末冶金高溫 TiAl 合金板材；5 揭示顯微組織對高 Nb-TiAl 合金的斷裂韌度 KIC、疲勞裂紋擴(kuò) 展門檻值 ΔKth，的影響規(guī)律。研究內(nèi)容 預(yù) 期目標(biāo)金的斷裂韌度 KIC、疲勞裂 紋擴(kuò)展速率 da/dN 以及疲 勞裂紋擴(kuò) 展門檻值ΔKth 等 損傷容限性能與微觀組織的關(guān)系；6 研究高馬赫數(shù)飛行器服役環(huán)境下材料熱物理性能對結(jié)構(gòu)的影響因素。6 發(fā)表文章 30-50 篇， 申請國家發(fā)明專利 8-12 項(xiàng)。第五年1 結(jié)合合金變形機(jī)理和強(qiáng)韌化機(jī)制，優(yōu)化高溫 TiAl 合金成分-組織設(shè)計(jì)，提高室溫塑性和韌性的調(diào)控原理；2 鑄造葉片樣件和不同加工方式下大尺寸材料的成分-組織- 性能關(guān)系；3 均質(zhì)化和高潔凈度熔煉適合高溫TiAl 合金型材制備需求的大尺寸優(yōu)質(zhì)鑄錠的技術(shù)基礎(chǔ)；4 鍛態(tài)、軋態(tài)高溫 TiAl 合金的顯微組織與力學(xué)性能關(guān)系；5 解決鑄造葉片從小樣品到全尺寸部件的工藝瓶頸和工藝再現(xiàn)性問題；6 分析已有的合金性能數(shù)據(jù)和已有模型，建立針對高 Nb-TiAl 合金的1 揭示針對高溫條件和具體的制備加工技術(shù)下的合金成分-組織-性能關(guān)系和建立合金設(shè)計(jì)理論；2 揭示不同加工方式下大尺寸材料的成分-組織-性能關(guān)系和合金設(shè)計(jì)原理；3 獲得大尺寸高溫 TiAl 鑄錠和變形餅材、棒材、板材的工藝基礎(chǔ)；4 形成有效提高高溫 TiAl 合金鑄件冶金質(zhì)量并抑制表面硬化層生成的基礎(chǔ)理論和精鑄技術(shù)；5 建立針對高 Nb-TiAl 合金的具有理論基礎(chǔ)及工程應(yīng)用價(jià)值的壽命評估方法、損傷容限參量設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和數(shù)據(jù)庫。6 發(fā)表文章 50 篇，申報(bào)國家發(fā)明專利 8-12 項(xiàng)，國家或省部級獎 3-5 項(xiàng)。研究內(nèi)容 預(yù) 期目標(biāo)航天航空壽命評估方法和損傷容限參量設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。一、研究內(nèi)容1 關(guān)鍵科學(xué)問題本項(xiàng)目的研究重點(diǎn)是高溫 TiAl 合金及其制備與成形加工的科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)。主要包括適用于高溫應(yīng)用的 TiAl 合金設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及強(qiáng)韌化機(jī)制、高潔凈度凝固與定向、精密鑄造、相 變與形變交互行為、性能表征方法和評價(jià)體系。擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問題如下：科學(xué)問題一：輕質(zhì)高溫 TiAl 合金的設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及強(qiáng)韌化機(jī)制高 Nb-TiAl 合金的基 礎(chǔ)成分 -組織- 性能關(guān)系已進(jìn)行了大量研究，但針對高溫使用條件和具體制備加工技術(shù)，在成分設(shè)計(jì)、微合金化的影響機(jī)制方面尚缺乏理論設(shè)計(jì)依據(jù)；相組成、相穩(wěn) 定性也缺乏規(guī)律性探索。Nb 元素的添加提高了 TiAl合金室溫和高溫強(qiáng)度指標(biāo)。 同時(shí) Nb 降低層錯(cuò)能促 進(jìn)孿晶變形和孿晶交截，導(dǎo)致應(yīng)力集中松弛和提高斷裂阻力，有利于提高塑韌性。由于普通位錯(cuò)-超位錯(cuò)-孿晶交互作用復(fù)雜，Al/Nb 反位原子缺陷的作用和變形機(jī)制有待于進(jìn)一步研究。掌握高溫 TiAl 合金多相有序結(jié)構(gòu)的動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶規(guī)律，為熱加工過程參數(shù)和組織控制提供理論依據(jù)。 針對高溫 TiAl 合金在發(fā)動機(jī)不同部件上的應(yīng)用，研究合金在發(fā)動機(jī)部件典型使用溫度與復(fù)雜載荷條件下的本構(gòu)關(guān)系，建立合金性能表征方法并進(jìn)行全面的評估分析?？茖W(xué)問題二：高溫 TiAl 合金凝固過程組織及缺陷的調(diào)控原理主要通過高 Nb 合金化和適量其它 β相穩(wěn)定元素，達(dá)到擴(kuò)大 β相相區(qū)，把液相和 β相的包晶相 變區(qū)推向高 Al 方向移動。 調(diào)控 Al 含量有利于得到高溫 TiAl合金 β相凝固 過程，達(dá)到提高熔點(diǎn)和細(xì)化組織的目的；揭示高溫 TiAl 合金凝固的定向生長，流場和組織演化特性，控制糊狀區(qū)及變質(zhì)處 理方法，形成有利于 細(xì)晶化和低偏析的鑄造技術(shù)，作 為鑄造成形工藝路線的優(yōu)化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)；掌握影響 TiAl合金熔體與鑄型表面反應(yīng)產(chǎn)生表面反應(yīng)的主要因素，分析表面反應(yīng)的性質(zhì)及其對 TiAl 合金力學(xué)性能的影響規(guī)律；通過采用等離子熔煉技術(shù)降低高密度和低密度夾雜等鑄造缺陷?？茖W(xué)問題三：高溫 TiAl 合金粉末冶金制備過程的流變塑變理論粉末冶金技術(shù)在材料制備方面具有均勻的成分和組織結(jié)構(gòu)，是解決高溫TiAl 合金鑄造過程成分和組織偏析與熱裂紋產(chǎn)生的重要途徑。因此，大尺寸薄板坯主要以 TiAl 預(yù)合金粉末為原料，通過熱等靜壓，后續(xù)熱機(jī)械處理和軋制而成，其主要技術(shù)障礙是控制氧、氮及其它雜質(zhì)的含量，完全消除微孔和微偏析等缺陷。Nb 含量的增加會提高 TiAl 合金的蠕變強(qiáng)度，但降低粉末致密化速率，而且會形成更多的中間相和微偏析（包括 β相），此外，由于氣體固溶脫溶和熱擴(kuò)散行為，使得粉末在高溫高壓下的致密化行為更為復(fù)雜。在致密化處理和熱加工方面，可以利用 β相高溫塑性 較高的特點(diǎn)，促進(jìn)致密化和提高熱變形能力。與鑄錠冶金坯體相比，高溫 TiAl 粉末冶金坯體雖然顯微組織細(xì)小均勻，但由于具有特殊缺陷和結(jié)構(gòu)，其熱變形行為也有其特殊的科學(xué)規(guī)律，主要表現(xiàn)在較低的變形激活能，但較高的應(yīng)變速率敏感性。此外，大尺寸 TiAl 合金的包套軋制技術(shù)目前仍是國內(nèi)外的技術(shù)難題。2 主要研究內(nèi)容針對高溫下使用和具體制備加工技術(shù)，圍繞上述三個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題開展系統(tǒng)深入的研究工作。具體研究內(nèi)容分為以下幾個(gè)方面：（1）高溫 TiAl 合金的成分-組織-性能關(guān)系和強(qiáng)韌化理 論進(jìn)行不同 Nb 含量的多組元高溫 TiAl 合金相關(guān)系的 熱力學(xué)計(jì)算模擬和試驗(yàn)研究；研究針對高溫應(yīng)用的不同制備和加工技術(shù)下 Nb、Al 含量對合金成分-組織-性能關(guān)系的影響規(guī)律，微合金化元素的作用機(jī)制及添加原則，從而建立高溫 TiAl合金的合金設(shè)計(jì)原理；研究形變過程中普通位錯(cuò)-超位錯(cuò)-孿晶交互作用、Al/Nb 反位原子缺陷的作用和變形機(jī)制，揭示高溫 TiAl 合金強(qiáng)韌化的機(jī)制。揭示高溫條件和不同加工方式下高 Nb-TiAl 合金的高溫抗氧化機(jī)制。（2）高溫 TiAl 合金的高潔凈度熔煉技術(shù)基礎(chǔ)利用有限元模擬研究高溫 TiAl 合金等離子冷爐床熔煉和真空自耗電弧熔煉過程中熱平衡規(guī)律，建立高溫 TiAl 合金鑄錠凝固過程傳熱、傳質(zhì)及流動的數(shù)學(xué)物理模型；研究高溫 TiAl 合金鑄錠不同熔煉方法對成分和組織均勻性的影響；熔煉工藝參數(shù)和工藝路徑對成分組織均勻性的影響；進(jìn)行高溫 TiAl 合金熔體中異質(zhì)夾雜的界面反應(yīng)及其遷移分離的機(jī)制進(jìn)行研究，預(yù)測鑄錠凝固的宏觀、微觀偏析和缺陷類型；研究大鑄錠合金的偏析、夾雜、 縮孔、疏松等冶金缺陷的形成機(jī)制及其對高溫 TiAl 合金綜合力學(xué)性能的影響規(guī)律，揭示高溫 TiAl 合金鑄錠冶金缺陷形成機(jī)理及其控制理論。明確高溫 TiAl 合金冶金過程純凈化、勻質(zhì)化機(jī)理并提出調(diào)控方法。（3）高溫 TiAl 合金熔模鑄造關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)研究高 Nb 化和添加 β相穩(wěn)定元素對 TiAl 合金成分與液固界面生長規(guī)律以及液固相變路徑之間的內(nèi)在關(guān)系，調(diào)控 Al 含量以避免高溫 TiAl 合金凝固過程的包晶相變；研究高溫 TiAl 合金在精密鑄造過程中的充型特性和壁厚效應(yīng)，探索有利于減少糊狀區(qū)的流場控制方法，揭示離心和反重力鑄造對克服高溫 TiAl 合金熔體流動性差、靜液壓頭小的作用及控制因素；分析系列變質(zhì)劑對 TiAl 合金細(xì)晶鑄造的作用及相容性，作為 以鑄造為成形工藝路線的 TiAl 合金優(yōu)化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)；研究影響 TiAl 合金熔體與鑄型表面反應(yīng)產(chǎn)生表面硬化層的主要因素，分析表面硬化層的性質(zhì)及其對 TiAl 合金力學(xué)性能的影響規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化調(diào)整型殼面層的化學(xué)組分，為獲得組織 、性能及冶金 質(zhì)量優(yōu)良的高溫 TiAl 合金鑄錠和鑄件奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。(4) 高溫 TiAl 合金冷坩堝定向凝固新技術(shù)基礎(chǔ)研究冷坩堝定向凝固高溫 TiAl 合金的凝固組織演化規(guī)律及其熱力學(xué)、動力學(xué)原理；建立多外