【正文】 材料熱物理性能對(duì)結(jié)構(gòu)的影響因素。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400500mm、厚度12mm的粉末冶金高溫TiAl合金板材；5揭示顯微組織對(duì)高NbTiAl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。6發(fā)表文章3050篇，申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利812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(duì)高NbTiAl合金的航天航空壽命評(píng)估方法和損傷容限參量設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。1揭示針對(duì)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(duì)高NbTiAl合金的具有理論基礎(chǔ)及工程應(yīng)用價(jià)值的壽命評(píng)估方法、損傷容限參量設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和數(shù)據(jù)庫(kù)。6 發(fā)表文章50篇，申報(bào)國(guó)家發(fā)明專利812項(xiàng)，國(guó)家或省部級(jí)獎(jiǎng)35項(xiàng)。一、研究?jī)?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(píng)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NbTiAl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(duì)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(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)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(duì)高溫TiAl合金在發(fā)動(dòng)機(jī)不同部件上的應(yīng)用，研究合金在發(fā)動(dòng)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(píng)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(dòng)。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(zhǎng)，流場(chǎng)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(duì)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。科學(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(huì)提高TiAl合金的蠕變強(qiáng)度，但降低粉末致密化速率，而且會(huì)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(guó)內(nèi)外的技術(shù)難題。2主要研究?jī)?nèi)容針對(duì)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?jī)?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(duì)高溫應(yīng)用的不同制備和加工技術(shù)下Nb、Al含量對(duì)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NbTiAl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(dòng)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(duì)成分和組織均勻性的影響；熔煉工藝參數(shù)和工藝路徑對(duì)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(cè)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(duì)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(duì)TiAl合金成分與液固界面生長(zhǎng)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(chǎng)控制方法，揭示離心和反重力鑄造對(duì)克服高溫TiAl合金熔體流動(dòng)性差、靜液壓頭小的作用及控制因素；分析系列變質(zhì)劑對(duì)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(duì)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?jī)?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(dòng)力學(xué)原理；建立多外場(chǎng)耦合作用下定向凝固高溫TiAl 合金組織及缺陷形成過程的凝固理論模型，提出調(diào)控機(jī)理；研究定向凝固高溫TiAl合金坯錠凝固組織與力學(xué)性能相關(guān)性，初步探索底漏式真空吸鑄凝固方法。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(duì)凝固過程的控制，提高該合金的塑性、強(qiáng)度等性能指標(biāo)，建立該典型定向凝固構(gòu)件的關(guān)鍵成形技術(shù)方法。 (5) 高溫TiAl合金的熱加工技術(shù)基礎(chǔ)研究β相對(duì)高溫TiAl合金的熱形變過程動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶規(guī)律的影響、Z參數(shù)對(duì)組織演變的影響，建立熱變形過程中宏觀參量，如流變應(yīng)力、溫度分布、應(yīng)變及應(yīng)變速率等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(duì)合金組織性能的影響規(guī)律，建立熱加工工藝優(yōu)化原理；研究熱變形包套技術(shù)在擠壓、等溫鍛造和軋制中的作用原理；研究熱擠壓結(jié)合等溫鍛造變形對(duì)合金組織和性能的影響規(guī)律，優(yōu)化熱加工工藝參數(shù)，為解決高溫TiAl合金熱加工關(guān)鍵技術(shù)打下基礎(chǔ)。（6）高溫TiAl合金板材的粉末冶金及軋制新技術(shù)基礎(chǔ)研究研究高Nb化和β相穩(wěn)定元素對(duì)高溫TiAl合金粉末非平衡結(jié)構(gòu)形成與演化的影響，粉末致密化行為和缺陷形成與控制機(jī)理。在應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)及外在約束等多場(chǎng)耦合作用下，合金板材包套軋制過程中金屬流動(dòng)規(guī)律；研究熱軋過程中組織演化行為，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金屬間化合物板材后續(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；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(zhǎng)大規(guī)律。研究高溫TiAl合金板材的連接技術(shù)。（7）高溫TiAl金屬間化合物材料使用性能表征和評(píng)價(jià)針對(duì)高溫TiAl合金在發(fā)動(dòng)機(jī)不同部件上的應(yīng)用，研究合金在發(fā)動(dòng)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(duì)合金的性能進(jìn)行全面的評(píng)估分析，確立安全服役條件下的性能控制參量；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(zhǎng)裂紋的擴(kuò)展規(guī)律以及斷裂機(jī)制，發(fā)展計(jì)算機(jī)損傷模擬模型，揭示組織類型和微觀缺陷對(duì)合金力學(xué)行為的影響規(guī)律；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(píng)價(jià)方法；建立具有理論基礎(chǔ)并具有工程應(yīng)用價(jià)值的應(yīng)用性能評(píng)估方法和參量設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。31 / 3