【基金標書】2011CB605500-輕質高溫TiAl金屬間化合物合金及其制備加工的科學技術基礎

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項目名稱： 輕質高溫 TiAl 金屬間化合物合金及其制備加工的科學技術基礎首席科學家： 林均品 北京科技大學起止年限： 2011.1 至 2015.8依托部門： 教育部二、預期目標1 總體目標：獲得新型輕質高溫 TiAl 合金及其制備與加工技術基礎，促進其產(chǎn)業(yè)化和應用，滿足國家經(jīng)濟和社會發(fā) 展對輕質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高溫材料可以大幅度降低燃料消耗。發(fā) 展新型輕質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、實現(xiàn) 社會可持續(xù)發(fā)展。在高溫 TiAl 合金設計理論基礎及強韌化機制、高溫 TiAl 合金凝固過程組織及缺陷的調控機制、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體系研究上獲得突破。在此基礎上，發(fā)展和形成高溫 TiAl 合金材料制備與成形加工整套技術的科學基礎，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基礎、鑄錠的熱加工新技術、部件熔模精密鑄造特殊技術、冷坩 堝定向凝固新技術 、高性能粉末冶金板材的新技術。同 時制備出各種全尺寸樣件， 為進一步向部件性能測試試驗發(fā)展打下基礎。以鑄造葉片為重點，突破從小試樣到批量生產(chǎn)的瓶頸關鍵技術基礎。針對鑄造、熱變形和粉末冶金三類加工技術發(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 合金使用溫度達到 900 ℃，900 ℃的抗氧化性按航標達到抗氧化級，對于三種典型部件：鑄造葉片樣件: 尺寸為長 350-400mm、寬 50-70mm900 ℃強度達到 450 MPa，室溫拉伸塑性 1-2%；鍛件: 尺寸為直徑 400-600mm、厚 50-100mm900 ℃強 度達到 400 MPa，室溫拉伸塑性大于 2%；粉末板材：寬度 400-500mm、厚 1-2mm；900 ℃強 度達到 400 MPa，室溫拉伸塑性 2-3%。研究成果將發(fā)表高水平學術論文 200 篇以上，申請國家發(fā)明專利 20 項以上，國家和省部級科技成果獎 3 項以上；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)新與攻堅能力的研究隊伍，形成優(yōu)秀創(chuàng)新群體；建設本領域高水平的基礎研究和技術創(chuàng)新基地。2 五年預期目標：通過系統(tǒng)深入的研究，構建高溫 TiAl 金屬間化合物材料理論和制備加工理論基礎，在精密鑄造等形成關 鍵示范技術， 實現(xiàn)總體 預期目標。具體內容包括：（1）高溫 TiAl 合金成分-組織-性能設計和優(yōu)化原理揭示針對高溫下使用和具體制備加工技術的、多組元高溫 TiAl 合金的相關系和強韌化機制，獲得高溫 TiAl 合金設計和優(yōu)化原理。揭示高溫 TiAl 合金多相有序結構的動態(tài)回復和動態(tài)再結晶規(guī)律。（2）高潔凈度、均質大尺寸 TiAl 合金鑄錠的熔煉和加工科學基礎建立等離子冷床熔煉高溫 TiAl 合金的均質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、純凈的大尺寸鑄錠制備技術；通過高溫TiAl 合金包套擠壓結合等溫鍛造工藝細化和均勻化組織，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 合金熔模鑄造關鍵科學技術基礎通過 Nb、Al 含量控制避免包晶相 變以減少偏析和細化組織；揭示高溫 TiAl合金在多場作用下鑄造充型特性、壁厚效應以及熔體與型殼反應形成表面硬化層的規(guī)律，形成細晶鑄造并有利于減少糊狀區(qū)的變質處理及流場控制技術，建立以鑄造為成形工藝路線的高溫 TiAl 合金優(yōu)化設計基礎，掌握鑄件冶金質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基礎開發(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， 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性能與定向組織狀態(tài)的相關性，建立高溫 TiAl 合金典型構件的定向凝固成形的理論基礎。（5）高溫 TiAl 合金板材的粉末冶金及軋制新技術基礎研究通過添加 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 機械處理-包套軋制制備大尺寸 TiAl 合金板材的完整的技術原型。（6）高溫 TiAl 金屬間化合物材料使用性能表征和評價確立高溫 TiAl 合金安全服役條件下的力學性能控制參量和應用閾值范圍，揭示組織類型和微觀缺陷對合金裂紋萌生和擴展的影響規(guī)律，揭示合金損傷容限性能與微觀組織的關系，建立具有工程應用價值的壽命評估方法和損傷容限參量設計準則，促進合金在航空、航天及其他領域的工程化應用。三、研究方案1 學術思路：本項目在具有國際領先水平和自主知識產(chǎn)權的高 Nb-TiAl 合金的成分-組織-性能關系研究成果的基礎上，發(fā)展針對航空航天發(fā)動機應用的高性能高溫 TiAl合金及其制備加工技術。研究材料集中在一類合金上，避免了研究目標的分散。通過研究高溫 TiAl 合金成分-組織-性能關系和設計理論基礎，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提供優(yōu)化的合金成分和組織設計原則；強韌化機制的建立，為基本保持強度指標的前提下，提升高溫 TiAl 合金的室溫塑性和韌性打下基礎。通過研究高溫 TiAl 合金熔煉和凝固過程的熱力學與動力學理論，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。通過高溫 TiAl 合金多相有序結構動態(tài)復原機制、熱變形本構關系數(shù)學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、 軋制技術研究提供理論基礎，解決高溫 TiAl 合金 熱加工關鍵技術。 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體系，對于整個課題涉及的制備加工技術提供的合金性能評估分析方法和標準，確保建立統(tǒng)一的性能數(shù)據(jù)庫，為高溫 TiAl 合金應用設計準則的建立提供數(shù)據(jù)支撐。整個項目的研究圍繞三個關鍵科學問題，研究內容相互聯(lián)系緊密，研究體系完整，有利于解決關鍵技術 ，發(fā)展和形成高溫 TiAl 合金制備與成形加工的技術原型。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原型也基本適合普通 TiAl 合金。 2 技術途徑：具體技術路線見圖 1 所示。合金材料體系的發(fā)展重點采用高 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計擬適度降低 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 細化組織；粉末板材的合金設計適度提高 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結合真空自耗熔煉達到均質化和高純潔度冶煉，突破適合高溫 TiAl 合金型材的均質、純凈、大尺寸鑄錠制備。通過熔體與型殼反應形成表面硬化層的規(guī)律探索型殼材料的選擇和優(yōu)化；采用計算模擬和試驗研究結合，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 變質處理相結合，降低偏析和細化鑄態(tài)組織，以提高綜 合力學性能。電磁冷坩堝定向凝固技術將合金連續(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、利用熱擠壓工藝結合等溫鍛造的熱加工工藝，加大首次 變形量，以達到 細化鑄態(tài)組織、提高 變形高溫 TiAl 合金綜合力學性能的目的。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相的預合金粉末為原料，促進后續(xù)熱變 形能力，通 過熱等靜壓， 熱機械處理和包套軋制制備大尺寸高性能高溫 TiAl 合金板材。控制氧、氮及其它 雜質的含量，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性能控制參量和應用閾值范圍，建立具有工程 應用價值的損傷容限參量設計準則，為合金在航空、航天及其他領域的工程化應用提供有力的技術支持。高溫 TiAl 成分組織設計熔煉和鑄造 熱塑性變形 粉末冶金 冷坩鍋定向凝固 冷坩鍋感應熔煉 等離子熔煉 凝固過程數(shù)值模擬 細化晶粒 預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 性能表征與評價方法合金制備與加工的關鍵技術基礎圖 1 項目的具體技術路線3 創(chuàng)新點與特色： 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用基礎研究；把我國航空航天發(fā)動機用高溫結構材料系列，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 合金的高溫力學性能和高溫抗氧化性，達到提升航空航天發(fā)動機使用溫度的目標。高 Nb 合金化引領了國內外 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)，強調圍繞成分組織設計－熔煉－凝固－鑄造－粉末冶金-變形等較全面的精密熱成形技術進行研究，各個課題間相互有機 結合，形成互相關 聯(lián)的整體。主要創(chuàng)新點如下：（1（ 高 Nb 合金化通過連續(xù)有序化， 顯著提高了合金熔點；高 Nb 合金化通過改變表面氧化層結構、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；（2（ 通過高 Nb 合金化和適量其它 β相穩(wěn)定元素，達到擴大 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；調控 Al 含量有利于得到高溫TiAl 合金 β相凝固過程，達到提高熔點和細化組織的目的；（3（ 通過等離子冷床熔煉技術實現(xiàn)高溫 TiAl 合金的均質化和高純潔度冶煉，突破適合高溫 TiAl 合金型材的均質、純凈、大尺寸鑄錠制備及熱加工技術；（4（ 綜合高溫 TiAl 合金在多場作用下的鑄造充型特性、壁厚效應以及熔體與型殼反應形成表面硬化層的規(guī)律，研究可有效提高其鑄件冶金質量、抑制表面硬化層生成的技術基礎；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處理相結合，建立以鑄造為成形工藝路線的高溫 TiAl 合金優(yōu)化設計基礎；（5（ 以冷坩堝定向凝固新技術制備高純凈高溫 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理；（6（ 采用預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性能控制參量和應用閾值范圍，建立具有工程應用價值的損傷容限參量設計準則，為合金在航空、航天及其他領域的工程化應用提供有力的技術支持。4 取得重大突破的可行性分析：研究工作基礎本項目圍繞一種具有國際領先水平、有我國自主知識產(chǎn)權的高溫 TiAl 合金展開，目標集中，避免了研究目標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 礎成分 -組織- 性能關系和實驗室級別的制備加工技術研究，為本項目的順利進行打下了良好的基礎。通過圍繞本項目提出的三個關鍵科學問題的突破，解決高溫 TiAl 合金制備與成形加工的關鍵技術，發(fā)展和形成高溫 TiAl 合金制備與成形加工的技術原型。這些都是國內外 TiAl 合金制備、成形與加工領域的研究熱點及前沿，符合國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃綱要的重點支持方向，符合國家保護環(huán)境、節(jié)能降耗的可持續(xù)發(fā)展方針。國內在金屬間化合物合金的研究與應用也己取得了許多突破性進展，IC10合金己在某型航空發(fā)動機取得應用，TAC-2 在某型主戰(zhàn)坦克發(fā)動機上通過壽命考核，TiAl 合金板材也列入航天科技工程首批試驗材料。針對更高推重比 12 -15、大型 飛機和高馬赫數(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 術實踐中充分暴露了問題，且對這些問題有了基本的認識。 本項目結合了國內 TiAl 合金制備和加工領域優(yōu)勢單位，發(fā)揮各單位在該研究方向上的專長。北京科技大學是高溫 TiAl 合金的發(fā)明單位，在合金基礎成分-組織- 性能關系和實驗室級別的制備和熱加工方面研究基礎深厚。哈爾濱工業(yè)大學在合金熔煉、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，已針對 TiAl 合金的共性問題，從不同學科角度進行學科交叉和學科融合，開展了精密熱成形技術的研究工作，在技術層面上已經(jīng)取得了多項創(chuàng)造性的研究成果；中南大學在粉末冶金等方向上在國內處于領先地位，一直在對粉末冶金 TiAl 基合金進行研究，在 2000 年左右開始快速發(fā)展，特別是在高質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性能相當?shù)呐黧w，室溫延伸率達到 1.5%，闡明了元素粉末反應合成 TiAl 基合金的機理以及相關的致密化原理。制備出了 TiAl 基合金發(fā)動機氣門，在現(xiàn)場試驗中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。西北工業(yè)大學長期從事 Ti 及 Ti合金、TiAl 合金、高溫合金等材料冶金、精密鑄造、稀有金屬材料先進塑性成形技術等的研究與開發(fā)，近年來先后承擔了數(shù)十項國家基礎研究和國防型號研制任務。在國際上率先提出液固界面非平衡溶質再分配的概念及相關函數(shù)關系；在亞快速定向凝固及組織超細化、高溫合金和稀土永磁合金的凝固組織與性能方面進行了開創(chuàng)性研究，獲得性能提高數(shù)倍的超細胞/枝晶定向組織。并將這些理論研究成果應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和動力學模擬、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 高技術新材料研究計劃支持下開展 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)動機用渦流器和航天用 TiAl 合金可逆渦輪轉子等部件己進入應用研究。其中，鑄造 TiAl 合金增壓器渦輪于 2003 年 11 月實現(xiàn)了國內自主研制的 TiAl 合金發(fā)動機熱端轉動部件試車考核“零”的突破，通過與鎳基高溫合的對比試驗表明，應用這種輕質材料可使大型柴油機的加速響應性提高 35%以上、且可顯著降低排放煙度和油耗?；谘b配主機完成的包括 500 小時壽命試驗的多項考核結果良好和其減重所產(chǎn)生的技術推動效果明顯，己被列為某型發(fā)動機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高溫材料的性能和工藝特點有了較深入的認識，尤其是在國防型號技改支持下建立起了鑄造工藝實驗室和中間試驗平臺，可作為本申請項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 ，形成了較強的 TiAl 合金材料研究和工藝實驗技術力量。北京航空材料研究院航空材料檢測研究中心長期進行材料的力學性能測試及行為表征研究工作，具有雄厚的技術力量并擁有多種先進的高溫及常溫材料試驗機和其他儀器設備。在“ 七五”和“八五” 期間，針對發(fā)動機 FWP14 的研制， 編輯、出版了《航空發(fā)動機設計用材料性能數(shù)據(jù)手冊》第一、第二冊，2008 年出版了根據(jù) FWS10 發(fā)動機的材料性能數(shù)據(jù)編寫的第三冊；在《航空推進技術驗證計劃》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)，制定了材料力學性能數(shù)據(jù)表達準則：國軍標GJB/Z 18A-2005《金屬材料力學性能數(shù)據(jù)處理與表達》。在材料的力學性能測試與表征技術的研究方面積累了豐富的經(jīng)驗。研制條件和基地本研究團隊擁有的與本項目有關的國家級重點實驗室、國家工程（技術）研究中心 8 個，一個該領域國內最大的基礎建設項目：高 Nb-TiAl 建設平臺。北京科技大學新金屬材料國家重點實驗室的 TiAl 研究平臺，包括中等規(guī)模的熔煉和熱加工中心、計算中心、專業(yè)測試和檢測平臺。北京航空材料研究院從美國 Retech 公司引進的國內唯一一臺 200kg 級PAM525 等離子束冷床熔煉爐，利用該設備成功制備出了國內最大的高 Nb-TiAl合金錠，尺寸? 150?900mm、重 67kg，鑄錠冶金質量良好，成分比較均勻。寶鋼股份有限公司擁有國內最先進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)）；采用先進的等溫鍛造技術，在萬噸液壓機上鍛造成型國內最大的鈦合金精密鍛件，鍛件尺寸精細、性能優(yōu)異；國內最先進的 6000 噸擠壓設備（2009 年投產(chǎn)）；以及 4500 噸快鍛機，配合以創(chuàng)新的“軟包套”保溫鍛造技術 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、南京理工大學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，同時引入國外 TiAl 精密鑄造高水平的技術人才，使以后的研究工作有更高的起點，使具備全尺寸件的生產(chǎn)能力。西北工業(yè)大學凝固技術國家重點實驗室以航空航天為代表領域的國防重大材料技術需求為主要服務對象，以先進材料精確成形為主要技術方向，以科學基礎、技術創(chuàng)新和工程化應用的綜合集成為主要學術特色，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得到國內外同行認可的研究成果。擁有 1噸、30kg 真空自耗電弧爐及相關的 3000T 液壓機、500T 液壓機、25kg 真空感應熔煉爐、真空熱處理爐、Ti 及 TiAl 合金冷坩堝熔煉與精密鑄造設備等，具備了本項目實施所需的各種設備條件保障。鋼鐵研究總院是鋼鐵材料及冶金工藝綜合技術的科研院所，研究領域涵蓋了以金屬材料為主的材料科學與工程、冶金生產(chǎn)流程的工藝及裝備技術、分析測試技術和儀器設備以及產(chǎn)品質量控制等方面。先進鋼鐵材料國家工程研究中心、國家鋼鐵產(chǎn)品質量監(jiān)督檢驗中心、國家鋼鐵材料測試中心、國家非晶微晶合金工程技術研究中心、國家鋼鐵物料進出口商品檢驗室、中國冶金質量體系認證中心均設在該院。高溫結構材料是 鋼鐵研究總院的重點研究方向之一，為給我國航空、航天、艦 船和兵器等國防工 業(yè)及國民經(jīng)濟的發(fā)展提供高溫合金材料基礎和技術支撐，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伍，建設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力雄厚、優(yōu)勢互補，具有明 顯的產(chǎn)學研結合體，有利于解決高溫 TiAl 合金產(chǎn)業(yè)化和應用的關鍵技術基礎。從研究基礎、研究人員素質到實驗條件均可以滿足本項目的研究需要。因此，具 備了在高溫 TiAl 合金及其制備和成形加工成形相關理論上取得重大突破的可能性。5 課題之間的關系：本項目集中在高溫 TiAl 合金系列上，圍繞輕質高溫 TiAl 的合金設計理論基礎及強韌化機制、高溫 TiAl 合金凝固過程組織及缺陷的調控機制、高溫 TiAl 合金粉末冶金制備過程的流變塑變理論科學問題，根據(jù)本項目的總體思路和預期目標，設 置如下六個課題：（ 1）高溫 TiAl 合金合金成分-組織-性能設計和優(yōu)化原理、 （2）高溫 TiAl 合金的高 潔凈度熔煉和加工科學基礎、 （3）高溫 TiAl 合金熔模鑄造關鍵科學技術基礎、 （4）高溫 TiAl 合金冷坩堝定向凝固新技術基礎、 （5）高溫TiAl 合金板材的粉末冶金及軋制新技術基礎研究、 （6）高溫 TiAl 金屬間化合物材料使用性能表征和評價。課題之間聯(lián)系緊密，見圖 2 所示。其中第一個 課題和第六個課題與其它四個課題的關聯(lián)性最大，課題 1 為不同的制備和加工技術提供優(yōu)化的合金成分和組織設計理論和強韌化機制，提升高溫 TiAl 合金的室溫塑性和韌性，以順利完成項目提出的具體性能指標；課題 6 為不同的制備加工技術有關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 合金應用設計準則的建立提供數(shù)據(jù)支撐。中間四個課題在合金的熔煉、凝固、成型（成形）、粉末冶金上相互關聯(lián)和支撐，實現(xiàn)本項目提出的解決高溫 TiAl 合金制備和加工關鍵科學問題，以發(fā)展出高溫 TiAl 合金制備和加工技術原型。高溫塑性變形②⑤高溫 TiAl 合金優(yōu)化設計 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晶細晶 致密無夾雜組織 定向組織 等軸晶 組織性能表征及評價⑥預合金粉+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)再結晶動態(tài)再結晶圖 2 課題之間的關系圖課題 1：高溫 TiAl 合金成分-組織-性能設計和優(yōu)化原理研究目標：揭示針對高溫條件和具體的制備加工技術下的合金成分-組織-性能關系，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 合金的相關系和新型工程合金的強韌化機制、多相有序結構的熱形變動態(tài)復原機制。主要研究內容：（1（ 基于密度函數(shù)理論第一性原理的高 Nb-TiAl 合金設計基礎和組成相廣義層錯能、反相疇界能與孿晶形成能力等晶體缺陷性質，以及合金元素對以上合金的晶體缺陷性質作用規(guī)律；（2（ 通過熱力學計算和試驗研究不同 Nb 含量的多 組元高溫 TiAl 合金的準相圖、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；（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 等對細化晶粒及片層間距的作用機理和效果；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制；（5（ 研究形變過程中普通位錯-超位錯-孿晶交互作用，Nb 降低層錯能對形變和強韌化的影響機制；（6（ V、Mo 等元素對高溫 TiAl 合金多相有序結構的動態(tài)復原過程的影響規(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制。經(jīng)費比例：23%承擔單位：北京科技大學，上海交通大學課題負責人：林均品，46 歲，博士，教授，博導主要承擔人員：陳國良，宋西平， 孫堅課題 2：高溫 TiAl 合金的高潔凈度熔煉和加工科學基礎研究目標：建立等離子冷床熔煉高溫 TiAl 合金的均質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、 純凈 的大尺寸鑄錠制備技術；通過高溫 TiAl 合金包套擠壓結合等溫鍛造工藝細化和均勻化組織，通過增加高溫 β相提高熱變形能力，研制出 組織均勻細小的大尺寸擠壓棒材、鍛造餅材、板材。主要研究內容：（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、 傳質及流動的數(shù)學物理模型?；跓?動力力學分析，對 熔體中異質夾雜的界面反 應及其遷移分離的機制進行研究，預測鑄錠凝固的宏觀、微 觀偏析和缺陷類型；（2（ 研究晶間熔體流體力學、富溶質熔體在凝固枝晶間的流動結晶行為以及溶質分配規(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，結合對凝固過程中原子擴散、溶質偏聚等所引起的能量障礙的分析，明確鑄錠成分分布規(guī)律及偏析機制；（3（ 通過對高溫 TiAl 合金的冶金工藝途徑和過程參數(shù)調控，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制及其 對綜合力學性能的影響規(guī)律、熔體流變行為，明確冶金 過程純凈化、勻 質化機理并提出調控方法；（4（ 研究 β相穩(wěn)定元素 對高溫 TiAl 合金熱變形能力的影響，研究熱擠壓工藝結合等溫鍛造的熱加工工藝對細化鑄態(tài)組織和綜合力學性能的影響；（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)學模型、熱變形本構關系數(shù)學模型和熱變形抗力圖。利用計算機模擬計算和實驗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)費比例：18%承擔單位：西北工業(yè)大學，北京科技大學，哈爾濱工業(yè)大學，寶 鋼股份有限公司課題負責人：常 輝，41，博士，副教授，博導主要承擔人員：張來啟，陳玉勇，李金山，王寧，楊 昭，孔凡濤課題 3：高溫 TiAl 合金熔模鑄造關鍵科學技術基礎研究目標：以高溫 TiAl 合金在多場作用下鑄造充型特性、壁厚效應以及熔體與型殼反應形成表面硬化層的規(guī)律為基礎，形成可有效提高高溫 TiAl 合金鑄件冶金質量并抑制表面硬化層生成的精鑄技術；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，選擇變質處理作用明顯且相容性良好的變質劑，建立以鑄造為成形工藝路線的高溫 TiAl 合金優(yōu)化設計基礎。主要研究內容：（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理，依此對鑄造高溫 TiAl 合金母合金的成分、間隙元素含量進行優(yōu)化調整； （2（ 以 Pro/E 復雜結構造型、 CA 法組織模擬、Ansys 有限元計算優(yōu)化組合計算為基礎研究高溫 TiAl 精密鑄件軟件接口計算問題，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)律和充型特性進行全面描述；（3（ 通過流動性、收縮性等工藝性能試驗，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；通過設計標樣和調整鑄造參數(shù)，揭示精密鑄造高溫 TiAl 合金的壁厚效應及可能的調控途徑；研究系列變質處理方法的作用以及析出物與基體的物理、力學相容性，進行變質劑優(yōu)化選擇；進而提出綜合優(yōu)化鑄造工藝技術的思路；（4（ 研究熔體與型殼反應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所產(chǎn)生表面硬化層，揭示表面硬化層的形成機制，研究表面硬化層對高溫 TiAl 合金力學性能的影響，探索有利于抑制表面硬化層形成的型殼面層化學組分，以減少其對力學性能的不利影響；（5（ 設置不同工藝邊界條件制備鑄造 TiAl 合金標樣，通過力學性能實驗和整體鑄件的考核，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 合金進入工程應用。經(jīng)費比例：18.5%承擔單位：鋼鐵研究總院，上海交通大學，丹陽市精密合金廠有限公司，西北工業(yè)大學課題負責人：張繼，48 歲，博士，教授，博導主要承擔人員：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基礎研究目標：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；建立相關凝固理論模型，運用對凝固過程的控制，提高該合金的塑性、 強度等性能指標，建立該定向凝固組織典型構件的關鍵成形技術方法。主要研究內容： （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)化設計；連續(xù)定向凝固制備合金錠的冷坩堝電磁感應熔化/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及動力學及鑄造質量控制。合金表面裂紋形成的熱力學及動力學機理及其控制規(guī)律；縮孔縮松形成的熱力學及動力學機理及其控制規(guī)律；成分偏析形成的機理及其控制規(guī)律；綜合鑄造質量的控制方法優(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)-力學性能之間的關系。經(jīng)費比例：13%承擔單位：哈爾濱工業(yè)大學，南京理工大學課題負責人：郭景杰，54 歲，博士，教授，博導主要承擔人員：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基礎研究研究目標：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 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-熱機械處理-包套軋制制備大尺寸 TiAl 合金板材的完整的技術原型。形成具有自主知識產(chǎn)權的高溫 TiAl 合金連接技術，實現(xiàn)高溫 TiAl 合金本身及其與其他材料的連接。主要研究內容：（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構形成與演化規(guī)律影響，得出優(yōu)化的板材成分組織和設計原則；（2（ 研究成分偏擴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部和界面的分布狀態(tài)以及擴散途徑，以及由此造成的對致密化過程物質流動、原始界面消除以及新結構形成的影響；（3（ 雜質和缺陷分布及對粉末冶金高溫 TiAl 合金損傷機理。粉末冶金材料雜質元素、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)力學性能的作用規(guī)律；（4（ 研究高溫 TiAl 合金粉末非平衡結構形成與演化，粉末致密化行為和缺陷形成與控制機理，在應力場、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構演化行為，建立工藝－組織－性能交互作用關系模型，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，實現(xiàn)組織性能精確控制；（6（ 研究板材的超塑性變形機理，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 合金釬焊及擴散連接用中間層成分及其與母材的界面反應機理、反應相形成規(guī)律；探索電子束焊接時的接頭質量控制方法及焊接熱輸入對接頭力學性能的影響。經(jīng)費比例：16%承擔單位：中南大學, 西北有色金屬研究院，哈爾濱工業(yè)大學課題負責人：賀躍輝，46 歲，博士，教授主要承擔人員：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研究目標：確立高溫 TiAl 合金安全服役條件下的力學性能控制參量和應用閾值范圍，揭示組織類型和微 觀缺陷對合金裂紋萌生和擴展的影響規(guī)律，揭示合金損傷容限性能與微觀組織的關系，建立具有理論基礎并具有工程應用價值的壽命評估方法和損傷容限參量設計準則，為合金在航空、航天及其他領域的工程化應用提供有力的技術支持。主要研究內容：（1（ 針對高溫 TiAl 合金在發(fā)動機不同部件上的應用，研究合金在發(fā)動機部件典型使用溫度與復雜載荷條件下（高溫靜力拉伸、持久/蠕變、應力/ 應變疲勞以及疲勞/蠕變等）應力與應變的本構關系， 對合金的性能 進行全面的評估分析，確立安全服役條件下的性能控制參量和應用閾值范圍，建立性能控制參量的表征技術；（2（ 研究合金的微觀斷裂特征和失效機制，包括小裂紋萌生機制、小裂紋和長裂紋的擴展規(guī)律以及斷裂機制；研究組織類型和微觀缺陷對合金裂紋萌生和擴展的影響規(guī)律；（3（ 揭示合金的斷裂韌度 KIC、疲勞裂紋擴展速率 da/dN 以及疲勞裂紋擴展門檻值 ΔKth等 損傷容限性能與微 觀組織的關系，發(fā)展計算機損傷模擬模型，為合金的微觀組織設計和探討微觀組織對損傷容限性能的影響機理奠定基礎；（4（ 研究合金在反復熱循環(huán)和熱沖擊條件下的尺寸穩(wěn)定性和性能穩(wěn)定性評價方法；（5（ 建立具有理論基礎并具有工程應用價值的壽命評估方法和損傷容限參量設計準則；（6（ 航天飛行器短時持久/蠕變、應力/應變疲勞以及疲勞/蠕變等的本構關系及性能表征。經(jīng)費比例：11.5%承擔單位：中航工業(yè)北京航空材料研究院，航天科工集團特種材料工藝技術研究所課題負責人：于慧臣，44 歲，博士，研究員主要承擔人員：郭廣平，黃新躍， 許沂，雷昆 鳥四、年度計劃研究內容 預期目標第一年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 合金設計，Nb 、Al 含量對合金成分-組織-性能關系的影響規(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、傳質及流動的數(shù)學物理模型；基于熱/動力力學分析， 對熔體中異質夾雜的界面反應及其遷移分離的機制進行研究，預測鑄錠凝固的宏觀、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理； 1 初步得到鑄 造高溫 TiAl 合金的合金成分-組織-性能關系和合金設計原則；2 揭示鑄造高溫 TiAl 合金凝固過程的傳熱、傳質及流動規(guī)律和預測鑄錠凝固的宏觀、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理。5 發(fā)表文章 20-30 篇。研究內容 預 期目標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)學模型、熱變形本構關系數(shù)學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構形成與演化規(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、超位錯、廣義層錯能、反相疇界能與孿晶形成能力等晶體缺陷性質，以及合金元素對以上合金的晶體缺陷性質作用規(guī)律，理論計算結果與試驗作對比；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、超位錯、層錯、反相疇界及形變孿晶等形變微結構的作用規(guī)律；2 揭示變形和粉末高溫 TiAl 合金成分-組織 -性能關系；3 初步提出改進的高溫 TiAl 合金的精密鑄造工藝，優(yōu)化提高陶瓷型殼的質量及制備工藝；4 獲得冷坩堝電磁感應熔化/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 合金蠕變斷裂機制，研究內容 預 期目標固過程的模擬計算提出工藝性能試驗方案，并實驗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形成硬化層的機制，探索優(yōu)化型殼材料的熱力學和動力學基礎；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理；5 高 Nb-TiAl 合金粉末冶金坯體的力學行為，研究粉末冶金材料雜質元素、殘余孔隙和其它缺陷的存在方式，對材料室、高溫力學性能的作用規(guī)律；6 航空發(fā)動機用高 Nb-TiAl 合金的微觀斷裂特征和失效機制，包括蠕變斷裂機制、疲勞小裂紋萌生機制、小裂紋和長裂紋的擴展規(guī)律以及疲勞斷裂機制。疲勞小裂紋萌生、擴展機制。6 發(fā)表文章 30-50 篇， 申請國家發(fā)明專利 5-8 項。研究內容 預 期目標第三年1 通過熱力學計算和試驗研究不同Nb 含量的多組元高溫 TiAl 合金的準相圖、高溫不同截面圖，其它微量添加合金元素對相關系和相穩(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；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系，優(yōu)化 TiAl 合金熱加工工藝；4 改進精密鑄造數(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)律進行預測，進行標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)律以及力學性能，優(yōu)化組織性能；6 合金元素對高溫 TiAl 合金釬焊及擴散連接的影響，釬焊及擴散連接界面組織對接頭力學性能的影響；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、均質化機理并提出調控方法；3 形成高溫 TiAl 合金鑄造葉片樣件成形完整的工藝基礎；4 大尺寸高溫 TiAl 合金板坯的模擬軋制參數(shù)優(yōu)化；5 實現(xiàn)高溫 TiAl 合金釬焊及擴散連接的工藝優(yōu)化。6 發(fā)表文章 30-50 篇， 申請國家發(fā)明專利 8-12 項。研究內容 預 期目標件下的短時應用特點，研究高溫TiAl 合金短時高溫持久強度極限、短時高溫蠕變、短時高溫持久強度等力學性能參數(shù)與制備技術的關連性。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系；2 解剖分析標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行評價，綜合優(yōu)化高溫 TiAl 合金的力學性能、抗氧化性能及工藝性能，改進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，組織演化以及力學性能；5 研究航空發(fā)動機用高 Nb-TiAl 合1 得出提高高溫 TiAl 合金室溫塑性和韌性的技術途徑和成分-組織調控原理；2 高溫 TiAl 合金鑄造葉片樣件成形完整、內部冶金質量同比達到高溫合金葉片的水平；3 得到一種高溫 TiAl 合金能夠提高力學性能的定向熱處理熱處理工藝；4 制備出力學性能基本達到指標要求，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 展門檻值 ΔKth，的影響規(guī)律。研究內容 預 期目標金的斷裂韌度 KIC、疲勞裂 紋擴展速率 da/dN 以及疲 勞裂紋擴 展門檻值ΔKth 等 損傷容限性能與微觀組織的關系；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構的影響因素。6 發(fā)表文章 30-50 篇， 申請國家發(fā)明專利 8-12 項。第五年1 結合合金變形機理和強韌化機制，優(yōu)化高溫 TiAl 合金成分-組織設計，提高室溫塑性和韌性的調控原理；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- 性能關系；3 均質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)質鑄錠的技術基礎；4 鍛態(tài)、軋態(tài)高溫 TiAl 合金的顯微組織與力學性能關系；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下的合金成分-組織-性能關系和建立合金設計理論；2 揭示不同加工方式下大尺寸材料的成分-組織-性能關系和合金設計原理；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；4 形成有效提高高溫 TiAl 合金鑄件冶金質量并抑制表面硬化層生成的基礎理論和精鑄技術；5 建立針對高 Nb-TiAl 合金的具有理論基礎及工程應用價值的壽命評估方法、損傷容限參量設計準則和數(shù)據(jù)庫。6 發(fā)表文章 50 篇，申報國家發(fā)明專利 8-12 項，國家或省部級獎 3-5 項。研究內容 預 期目標航天航空壽命評估方法和損傷容限參量設計準則。一、研究內容1 關鍵科學問題本項目的研究重點是高溫 TiAl 合金及其制備與成形加工的科學技術基礎。主要包括適用于高溫應用的 TiAl 合金設計理論基礎及強韌化機制、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體系。擬解決的關鍵科學問題如下：科學問題一：輕質高溫 TiAl 合金的設計理論基礎及強韌化機制高 Nb-TiAl 合金的基 礎成分 -組織- 性能關系已進行了大量研究，但針對高溫使用條件和具體制備加工技術，在成分設計、微合金化的影響機制方面尚缺乏理論設計依據(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合金室溫和高溫強度指標。 同時 Nb 降低層錯能促 進孿晶變形和孿晶交截，導致應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-超位錯-孿晶交互作用復雜，Al/Nb 反位原子缺陷的作用和變形機制有待于進一步研究。掌握高溫 TiAl 合金多相有序結構的動態(tài)回復和動態(tài)再結晶規(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)動機不同部件上的應用，研究合金在發(fā)動機部件典型使用溫度與復雜載荷條件下的本構關系，建立合金性能表征方法并進行全面的評估分析?？茖W問題二：高溫 TiAl 合金凝固過程組織及缺陷的調控原理主要通過高 Nb 合金化和適量其它 β相穩(wěn)定元素，達到擴大 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。 調控 Al 含量有利于得到高溫 TiAl合金 β相凝固 過程，達到提高熔點和細化組織的目的；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)及變質處 理方法，形成有利于 細晶化和低偏析的鑄造技術，作 為鑄造成形工藝路線的優(yōu)化設計基礎；掌握影響 TiAl合金熔體與鑄型表面反應產(chǎn)生表面反應的主要因素，分析表面反應的性質及其對 TiAl 合金力學性能的影響規(guī)律；通過采用等離子熔煉技術降低高密度和低密度夾雜等鑄造缺陷。科學問題三：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在材料制備方面具有均勻的成分和組織結構，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 預合金粉末為原料，通過熱等靜壓，后續(xù)熱機械處理和軋制而成，其主要技術障礙是控制氧、氮及其它雜質的含量，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散行為，使得粉末在高溫高壓下的致密化行為更為復雜。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，促進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小均勻，但由于具有特殊缺陷和結構，其熱變形行為也有其特殊的科學規(guī)律，主要表現(xiàn)在較低的變形激活能，但較高的應變速率敏感性。此外，大尺寸 TiAl 合金的包套軋制技術目前仍是國內外的技術難題。2 主要研究內容針對高溫下使用和具體制備加工技術，圍繞上述三個關鍵科學問題開展系統(tǒng)深入的研究工作。具體研究內容分為以下幾個方面：（1）高溫 TiAl 合金的成分-組織-性能關系和強韌化理 論進行不同 Nb 含量的多組元高溫 TiAl 合金相關系的 熱力學計算模擬和試驗研究；研究針對高溫應用的不同制備和加工技術下 Nb、Al 含量對合金成分-組織-性能關系的影響規(guī)律，微合金化元素的作用機制及添加原則，從而建立高溫 TiAl合金的合金設計原理；研究形變過程中普通位錯-超位錯-孿晶交互作用、Al/Nb 反位原子缺陷的作用和變形機制，揭示高溫 TiAl 合金強韌化的機制。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制。（2）高溫 TiAl 合金的高潔凈度熔煉技術基礎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、傳質及流動的數(shù)學物理模型；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；進行高溫 TiAl 合金熔體中異質夾雜的界面反應及其遷移分離的機制進行研究，預測鑄錠凝固的宏觀、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制及其對高溫 TiAl 合金綜合力學性能的影響規(guī)律，揭示高溫 TiAl 合金鑄錠冶金缺陷形成機理及其控制理論。明確高溫 TiAl 合金冶金過程純凈化、勻質化機理并提出調控方法。（3）高溫 TiAl 合金熔模鑄造關鍵科學技術基礎研究高 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在關系，調控 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，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；分析系列變質劑對 TiAl 合金細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)化設計基礎；研究影響 TiAl 合金熔體與鑄型表面反應產(chǎn)生表面硬化層的主要因素，分析表面硬化層的性質及其對 TiAl 合金力學性能的影響規(guī)律，并在此基礎上優(yōu)化調整型殼面層的化學組分，為獲得組織 、性能及冶金 質量優(yōu)良的高溫 TiAl 合金鑄錠和鑄件奠定堅實的理論基礎。(4) 高溫 TiAl 合金冷坩堝定向凝固新技術基礎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、動力學原理；建立多外