【文章內(nèi)容簡介】 目標(biāo)，開展從合金設(shè)計到相關(guān)的合金熔煉和鑄造工藝為技術(shù)路線，并且兼顧未來發(fā)展趨勢。鋁合金：研究不同用途的鋁合金新材料的開發(fā)，對鋁合金的精煉處理、變質(zhì)劑及工藝，新型鋁基復(fù)合材料，鋁合金制備新技術(shù)等開展研究；針對環(huán)保和節(jié)能減排的要求，加大投入力度；針對高速鐵路、列車等具有國際競爭力的拳頭產(chǎn)品，新一代大飛機項目，對鋁合金的應(yīng)用開展研究。銅合金：以典型的軌道交通網(wǎng)線以及海洋工程用高性能銅合金為主要研究對象，建立一套完整的軌道交通及海洋工程用鑄造銅合金鑄造成形的體系，達到各自的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的性能要求?；诟咝阅茔~合金的“設(shè)計制備加工性能評價和壽命管理”的全流程技術(shù)路線，開展基礎(chǔ)研究工作，解決關(guān)鍵科學(xué)問題。鎂合金：以航空航天、國防軍工和汽車產(chǎn)品研制為牽引，以開展鎂稀土（尤其是重稀土）系和鎂鋰系新型合金的強化、耐熱機制研究與成分設(shè)計為核心，研制出高強耐熱鑄造鎂合金和超輕鑄造鎂鋰合金。開發(fā)高強耐熱鑄造鎂合金和超輕鑄造鎂鋰合金，鎂稀土合金及制品的工程化。鈦合金：滿足對高溫高強為重點應(yīng)用目標(biāo)的高溫、高強鈦合金的開發(fā)和應(yīng)用，以深空探測、海洋和船舶低溫、耐腐蝕鈦合金為應(yīng)用目標(biāo)的鈦合金品種的開發(fā)，以醫(yī)療為目標(biāo)的生物鈦合金的開發(fā)。鈦合金熔煉所需的關(guān)鍵設(shè)備，對鈦合金熔煉和生產(chǎn)所需設(shè)備是主線，然后對鈦合金鑄造用造型材料的研究也應(yīng)該跟上，從而促進鈦合金合金的全面應(yīng)用。高溫合金：對定向凝固柱晶高溫合金來說，系列化發(fā)展合金以適應(yīng)不同需求。對于單晶高溫合金，在第一代、第二代單晶高溫合金服役應(yīng)用的基礎(chǔ)上，做好工程應(yīng)用研究，繼續(xù)發(fā)展第三代、第四代單晶高溫合金，促進應(yīng)用。 技術(shù)研究 關(guān)鍵技術(shù)研究鋁合金：針對目前我國鑄造鋁合金發(fā)展中存在的主要問題，結(jié)合國家重點產(chǎn)業(yè)的未來發(fā)展需求，鑄造鋁合金應(yīng)開展的研究內(nèi)容包括如下方面：①半固態(tài)鋁合金、鋁合金復(fù)合材料、高強韌鋁合金新材料開發(fā)與設(shè)計的研究，重點掌握鑄造鋁合金新材料的體系，得到合金成分對其組織與演變的影響特征，掌握合金成分與性能的對應(yīng)關(guān)系；②大型、薄壁、特厚、高復(fù)雜結(jié)構(gòu)鋁合金鑄件制備工藝及關(guān)鍵技術(shù)研究；③鋁合金鑄件凝固及固態(tài)相變過程的組織演變計算機數(shù)值模擬技術(shù)開發(fā)。銅合金：以高強高導(dǎo)的性能需求為導(dǎo)向，結(jié)合第一性原理、分子動力學(xué)理論，綜合考慮成分、組織與性能的對應(yīng)關(guān)系，對銅合金進行成分設(shè)計和組織結(jié)構(gòu)設(shè)計。以高強耐蝕的性能需求為導(dǎo)向，對銅合金進行成分設(shè)計和組織結(jié)構(gòu)設(shè)計，重點研究不同微量元素對腐蝕性能的影響，開發(fā)易鑄造的高強高耐蝕銅合金。改進熔煉及加工裝置，以提高生產(chǎn)效率，降低勞動強度，增加經(jīng)濟效益的同時減少能耗，減少污染，實現(xiàn)綠色制造。鎂合金：開發(fā)高強耐熱鑄造鎂合金和超輕鑄造鎂鋰合金；突破鎂稀土合金大容量熔煉與凈化技術(shù)，突破大規(guī)格鑄錠鑄造關(guān)鍵技術(shù)，突破直徑500 mm鑄錠冷卻技術(shù)。高性能鎂合金用轉(zhuǎn)移涂料及涂層轉(zhuǎn)移制芯技術(shù)。研發(fā)鎂稀土合金專用熔化、精煉、輸送一體化裝備，建立大型鑄錠連鑄裝備。開展大型復(fù)雜精密鑄件制造技術(shù)。鈦合金：研究新的鑄造鈦合金品種，特別是高強高溫合金，研究更高使用溫度的TiAl金屬間化合物的新材料，以及耐腐蝕鈦合金等。鈦合金精密鑄造技術(shù)，陶瓷型及精密鑄件大型化的研發(fā)。能夠適合鑄造TiAl金屬間化合物的新的造型材料的開發(fā)。短流程低成本鈦合金制備和鑄造技術(shù)。高溫合金：研制新型等軸晶鑄造高溫合金，開發(fā)高溫合金大型復(fù)雜薄壁鑄件的熱控凝固技術(shù)和細化工藝。發(fā)展更高性能水平的定向凝固柱晶高溫合金，發(fā)展抗腐蝕定向凝固柱晶高溫合金。發(fā)展綜合性能優(yōu)異的單晶高溫合金，研究出超過現(xiàn)有合金強度和承溫能力的新型單晶高溫合金。 共性技術(shù)研究鋁合金：以鋁合金代替銅合金、鋼鐵材料的合金鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計及制備工藝技術(shù)。鋁合金鑄件澆注成形過程實時監(jiān)測及可視化技術(shù)的研究，實現(xiàn)澆注成形過程中對含氣量、溫度、體積分?jǐn)?shù)及凝固狀態(tài)的實時監(jiān)測，并通過可視化技術(shù)完全實現(xiàn)凝固成形過程的實時再現(xiàn)，進而掌握和控制鑄件制備。銅合金：掌握熔體凈化、除氣造渣的關(guān)鍵工藝參數(shù)，重點研發(fā)新型高效保護渣配以惰性保護氣氛取代真空條件，通過施加電磁場調(diào)控銅合金的鑄造過程以獲得均勻的成分與組織，降低鑄造缺陷。鎂合金：高性能鑄造鎂合金成分優(yōu)化設(shè)計、計算；鑄造過程計算機仿真技術(shù)。鈦合金：鈦合金熔煉關(guān)鍵設(shè)備研究，研發(fā)新的真空熔煉鑄造設(shè)備，發(fā)展其他新的熔鑄方法，特別是真空感應(yīng)水冷銅坩堝凝殼爐的普及應(yīng)用推廣，根據(jù)鑄件形狀、尺寸及壁厚等因素摸索實踐合適的離心轉(zhuǎn)速確保金屬鈦及鈦合金鑄造性能。開發(fā)出鈦及鈦合金廢料回收重熔的新技術(shù)，確保在降低成本的同時提高產(chǎn)品的質(zhì)量。高溫合金：高冶金質(zhì)量的熔煉工藝和設(shè)備，將合金中O、N、S等雜質(zhì)元素的含量控制在5106以下。高溫度梯度定向凝固技術(shù)，可以使同一材料最大限度發(fā)揮材質(zhì)的潛力，也可以提高單晶葉片的合格率與生產(chǎn)率，使葉片可靠安全使用。4 重點項目擬開展的重點項目，主要以解決目前國內(nèi)急需的新產(chǎn)品和新技術(shù)，能夠產(chǎn)生巨大經(jīng)濟效益和社會效益的產(chǎn)品或者技術(shù)為目標(biāo)。鋁合金：汽車及新能源汽車輕量化鋁合金鑄件制備技術(shù)；鋁基碳纖維復(fù)合材料成分設(shè)計、加工設(shè)備、制備工藝優(yōu)化；銅合金：軌道交通特別是高速列車用接觸網(wǎng)高強高導(dǎo)銅合金成分設(shè)計及制備技術(shù)的研發(fā)；大型艦船用螺旋槳成分設(shè)計及關(guān)鍵制備工藝的研發(fā)；鎂合金：高強耐熱耐蝕鎂合金機匣及航空發(fā)動機進氣渦輪盤研制；鑄造鎂鋰合金及其液態(tài)成形技術(shù)研究與應(yīng)用開發(fā)；鈦合金：開發(fā)新型低成本鈦合金熔煉復(fù)合設(shè)備；開發(fā)鈦鋁合金新品種，短流程鑄造和成形技術(shù)；高溫合金：面向需求的各類先進鑄造高溫合金母合金；先進航空發(fā)動機和重型燃氣輪機單晶渦輪葉片、定向柱晶葉片。5 政策建議（1）加強以鋁基碳纖維復(fù)合材料等為主要新材料研發(fā)的投入和支持力度，形成我國在鋁基新材料制備的國際領(lǐng)先優(yōu)勢，掌握核心制備技術(shù)，推出一批基于鋁合金新材料鑄件產(chǎn)品。針對特殊性能、特殊結(jié)構(gòu)鋁合金鑄件，應(yīng)予專項重點支持。（2）建議政府、企業(yè)、學(xué)術(shù)單位開展“產(chǎn)學(xué)研”協(xié)作，三者進行直接有效的合作，有明確目的地針對具體的鑄造銅合金件開展研究，政府以市場及發(fā)展需求為導(dǎo)向，核心企業(yè)為支撐，高校進行科學(xué)研究。（3）根據(jù)鎂材料科技發(fā)展的基礎(chǔ)與現(xiàn)實情況，建議組建由高校、科研院所、企業(yè)、國防總體所及國防用戶單位等參與的協(xié)同創(chuàng)新團隊，建立統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)、規(guī)劃合理、協(xié)調(diào)高效、優(yōu)化配置、目標(biāo)集成的鎂材料科技發(fā)展專項組織管理體系。（4）加大投入，開發(fā)大型優(yōu)質(zhì)鈦合金坯料制備技術(shù)，建立高效、短流程鈦合金加工技術(shù)。繼續(xù)加強鈦的推廣應(yīng)用，包括生物醫(yī)用鈦、汽車用鈦、建筑用鈦，船舶用鈦等。鈦工業(yè)逐漸趨于國際化，企業(yè)競爭與兼并激烈，要制訂適時的戰(zhàn)略與對策。發(fā)展競爭力更強的鈦合金，發(fā)展方向是高性能化、多功能化和低成本化。（5）重視鑄造高溫合金研究，提高技術(shù)成熟度，為先進航空發(fā)動機的研制提供支持。重視發(fā)展具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的鑄造高溫合金，完善鑄造高溫合金體系。第4章 鑄造金屬基復(fù)合材料1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢有色金屬基復(fù)合材料具有高的比強度和剛度，良好的耐磨性和阻尼性，在工程和交通運輸?shù)阮I(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。金屬基復(fù)合材料還具有很好的可設(shè)計性，通過改變增強體的類型、表面狀態(tài)、體積分?jǐn)?shù)以及基體材料，就能夠滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域服役的需要。 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢我國在20世紀(jì)80年中期就開展了鑄造復(fù)合材料方面的研究，并取得了一定的成果，但所制備材料的物理性能與發(fā)達國家相比存在較大的差距，此外，還難以進行大規(guī)模的應(yīng)用和生產(chǎn)。東南大學(xué)試制了陶瓷纖維增強鋁基復(fù)合材料活塞，并將其應(yīng)用于汽車發(fā)動機、大馬力柴油機上，使活塞壽命提高了3～5倍，發(fā)動機功率也明顯提高，汽車油耗和尾氣排放大大減少。與普通鋁合金材料相比，這種陶瓷纖維增強鋁基復(fù)合材料的高溫抗拉強度提高了20%～40%，線膨脹系數(shù)降低了20%。 國外發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢Alcan公司于1995年生產(chǎn)SiCp/Al復(fù)合材料汽車剎車片并在豐田汽車中得到應(yīng)用，Cercast公司生產(chǎn)的SiCp/A357復(fù)合材料已經(jīng)應(yīng)用于飛機攝像鏡方向架上，美國開發(fā)了SiCp/Al復(fù)合材料制造的汽車齒輪箱。俄羅斯在此方面的研究也走在前列，其航空航天總部已成功地將SiCP/Al復(fù)合材料應(yīng)用在飛機起落架和翼前緣加強筋上。日本主要開發(fā)了鋁基復(fù)合材料在汽車零部件中的應(yīng)用。 國內(nèi)外的差距國外在鑄造復(fù)合材料方面的研究較早，獲得了較多的應(yīng)用。國內(nèi)鑄造復(fù)合材料開展的工作主要都側(cè)重于基礎(chǔ)研究，對中試到工業(yè)生產(chǎn)的環(huán)節(jié)，缺少相應(yīng)的支持和生產(chǎn)企業(yè)的參與，制約了鑄造金屬基復(fù)合材料的生產(chǎn)和應(yīng)用。國內(nèi)鑄造復(fù)合材料的應(yīng)用明顯落后于工業(yè)發(fā)達國家。 問題分析與解決思路目前，復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)競爭非常激烈，隨著大量聚合物復(fù)合材料的發(fā)展，傳統(tǒng)金屬材料不僅需要自身的發(fā)展與完善，還面臨大量高性能非金屬材料的競爭。鑄造界要與工程界加強聯(lián)系和溝通，充分了解對鑄造復(fù)合材料的需求，強化產(chǎn)學(xué)研合作，圍繞重點產(chǎn)品開展中試和生產(chǎn)工作，加快現(xiàn)有成熟鑄造復(fù)合材料技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)移，緊跟國際先進水平，進一步提高工藝的穩(wěn)定性和復(fù)合的材料性能。同時，開拓創(chuàng)新，研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的鑄造復(fù)合材料制備技術(shù)和生產(chǎn)工藝。2 發(fā)展目標(biāo) 鋁基復(fù)合材料“十三五”期間，需要進一步提高鑄造鋁基復(fù)合材料的比強度、比剛度等性能，同時降低生產(chǎn)成本，有效控制鑄造過程中基體與增強顆粒之間的界面反應(yīng)，同時還需要突破鋁基復(fù)合材料的機加工和回收利用等技術(shù)問題。高強韌鑄造鋁基復(fù)合材料（以A356合金為基體）應(yīng)達到以下主要指標(biāo)：室溫拉伸強度≥330 MPa，屈服強度≥275 MPa，伸長率≥12%；鑄件合格率≥98%。耐熱耐磨鑄造鋁基復(fù)合材料應(yīng)達到以下主要指標(biāo)：室溫拉伸強度≥290 MPa，高溫（350 ℃）拉伸強度≥110 MPa；產(chǎn)品成品率不低于90%。 鎂基復(fù)合材料鑄造鎂基復(fù)合材料在高于鎂熔點條件下制備，鎂基體與增強體之間通常浸潤性差，甚至不浸潤，必須設(shè)法對納米顆粒進行適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚硪愿纳婆c基體的浸潤性，但須重視外加增強體在高溫下發(fā)生的界面反應(yīng)，同時避免添加過程中鎂的氧化。對于鑄造鎂基復(fù)合材料，今后數(shù)年間要重點解決界面反應(yīng)、高溫氧化以及界面浸潤性等關(guān)鍵技術(shù)問題，高性能鑄造鎂基復(fù)合材料（以ZM5合金為基體）的室溫拉伸強度≥300 MPa，伸長率≥3%。 銅基復(fù)合材料目前，雖然能用于制備銅基復(fù)合材料的增強體種類較多，但這些增強體與銅基體潤濕性不好，且生產(chǎn)成本偏高，因此，迫切需要尋找新的高性能、廉價的增強體材料，解決其與銅基體間的界面結(jié)合問題，開發(fā)新型的工藝簡單、成本低廉的銅基復(fù)合材料制造技術(shù)，提高材料的性能和生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本。“十三五”期間，鑄造銅基復(fù)合材料應(yīng)達到的主要性能指標(biāo)有：拉伸強度≥600 MPa，導(dǎo)電性≥80％純銅。 鈦基復(fù)合材料鈦基復(fù)合材料以其高的比強度、比剛度和抗高溫特性，在未來的航空航天技術(shù)上有著強大的應(yīng)用潛力，是一項高難度、長遠而帶有方向性的高技術(shù)，必須給予足夠的重視。制備高性能復(fù)合材料，是鈦基復(fù)合材料的發(fā)展目標(biāo)，但鈦及其合金性質(zhì)活潑，它幾乎可以與所有的陶瓷增強相發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)嚴(yán)重時會破壞增強相與基體間的界面結(jié)合狀態(tài)，影響復(fù)合材料的力學(xué)性能。因此，降低和抑制基體和增強相的相互作用是鑄造鈦基復(fù)合材料的組成和制備過程中需重點關(guān)注的問題。鑄造鈦基復(fù)合材料未來產(chǎn)業(yè)化的主要性能指標(biāo)：彈性模量115~125 GPa，屈服強度700~1 000 MPa，抗拉強度900~1 200 MPa，伸長率3%~5%。3 發(fā)展重點 技術(shù)路線采用鑄造工藝制備復(fù)合材料，主要有攪拌鑄造法、擠壓鑄造法、浸滲法、原位（或內(nèi)生）復(fù)合法，以及用于回轉(zhuǎn)體零件的離心鑄造法。 技術(shù)研究 關(guān)鍵技術(shù)研究 攪拌法制備工藝的完善和優(yōu)化顆粒增強金屬基復(fù)合材料因其具有增強體成本低、材料性能各向同性、制造成本低，可應(yīng)用傳統(tǒng)的鑄造技術(shù)大規(guī)模生產(chǎn)，還具有高的比強度和比模量，以及耐磨、耐熱和耐腐蝕等優(yōu)良性能，近年來其機械加工工藝也得到長足的進步，進一步確立了其優(yōu)勢地位。進一步完善攪拌法制備工藝，加快該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)。 浸滲制備工藝熔體浸滲法制得的材料密度比較均勻，熔融金屬冷卻決，制備過程周期短，減輕了顆粒界面反應(yīng)，材料性能較高，可以制備出高體積分?jǐn)?shù)增強體的金屬基復(fù)合材料，同時可以減輕或彌補疏松、氣孔等鑄造缺陷。瞄準(zhǔn)該技術(shù)適用的材料和零件，拓展工藝技術(shù)的應(yīng)用。 原位反應(yīng)法原位反應(yīng)法避免了傳統(tǒng)工藝中將增強相直接加入基體時，由于基體與增強相的潤濕性差，易出現(xiàn)縮孔縮松等缺陷等問題，簡化了制備工藝，從20世紀(jì)80年代中后期以來，引起材料研究人員的廣泛興趣，得到大量研究，就繼續(xù)強化反應(yīng)過程的調(diào)控，最終實現(xiàn)對材料性能的可控制備。 局部復(fù)合材料零件的失效常常是由于表面或局部部位的損傷引起，因此，只需要提高零件表面或局部區(qū)域的性能，就能有效延長零件的服役時間。結(jié)合鑄造有色金屬的特點，研發(fā)適用的反應(yīng)體系和制備工藝技術(shù)。 共性技術(shù)研究復(fù)合材料都是由兩種或兩種以上材料復(fù)合而成，不同的材料復(fù)合方法、材料之間的界面、材料相互的分散方式等都影響材料的性能，如何對復(fù)合材料的性能進行預(yù)測和控制，也是復(fù)合材料的研究熱點；另一方面，還要考慮材料的循環(huán)利用，以下為未來鑄造有色金屬基復(fù)合材料研究的共性技術(shù)。（1）界面結(jié)合。鑄造金屬基復(fù)合材料通常是以顆粒、晶須、纖維為增強體，進一步探索控制增強體和基體界面行為的有效手段，優(yōu)化界面結(jié)構(gòu)，提高“界面”對材料性能的貢獻。在側(cè)重于增強體與基體的結(jié)合界面及增強體在基體中的分布研究之外，強化對基體和增強體性能同步提高的研究。（2）界面反應(yīng)。研究增強體和金屬液的界面潤濕性和反應(yīng)程度的控制途徑，尤其是在高溫制備條件下的界面反應(yīng)需控制在一個合適的程度。（3）創(chuàng)新工藝。注重不同工藝技術(shù)的結(jié)合與融合，開展新型鑄造復(fù)合材料合成、成形工藝技術(shù)研究，研究低成本、短流程的復(fù)合成形技術(shù)，簡化制備工藝，進一步降低生產(chǎn)成本。（4）性能預(yù)測。借助現(xiàn)代計算機模擬技術(shù)，對金屬基復(fù)合材料的熱力學(xué)和動力學(xué)、強韌化機理以及基體和增強顆粒在外力作用下的變形及失效機制等進行深入研究，建立相關(guān)模型，指導(dǎo)復(fù)合材料的設(shè)計和制備。（5）注重應(yīng)用。在實驗研究的基礎(chǔ)上，注重制備工藝的放大和工程化研究，應(yīng)結(jié)合實際工程應(yīng)用選擇恰當(dāng)?shù)蔫T造成形工藝方法。（6）循環(huán)利用。解