【文章內(nèi)容簡介】 料體系和研究隊伍，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力雄厚、優(yōu)勢互補，具有明顯的產(chǎn)學研結(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(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)計理論基礎(chǔ)及強韌化機制、高溫TiAl合金凝固過程組織及缺陷的調(diào)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(yù)期目標，設(shè)置如下六個課題：（1）高溫TiAl合金合金成分組織性能設(shè)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(chǔ)、（3）高溫TiAl合金熔模鑄造關(guān)鍵科學技術(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。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(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(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(guān)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(guān)鍵科學問題，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(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(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韌化機制、多相有序結(jié)構(gòu)的熱形變動態(tài)復(fù)原機制。主要研究內(nèi)容：（1） 基于密度函數(shù)理論第一性原理的高NbTiAl合金設(shè)計基礎(chǔ)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(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(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；（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(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NbTiAl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(dǎo)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(chǔ)研究目標：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(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)學物理模型?；跓?動力力學分析，對熔體中異質(zhì)夾雜的界面反應(yīng)及其遷移分離的機制進行研究，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、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(zhì)化機理并提出調(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(gòu)關(guān)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(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(dǎo)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(guān)鍵科學技術(shù)基礎(chǔ)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(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(diào)整； （2） 以Pro/E復(fù)雜結(jié)構(gòu)造型、CA法組織模擬、Ansys有限元計算優(yōu)化組合計算為基礎(chǔ)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(shè)計標樣和調(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、力學相容性，進行變質(zhì)劑優(yōu)化選擇；進而提出綜合優(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(shè)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(yīng)用。經(jīng)費比例：%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(dǎo)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(shù)基礎(chǔ)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(guān)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(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；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及動力學及鑄造質(zhì)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(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)力學性能之間的關(guān)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(dǎo)主要承擔人員：傅恒