《【基金標(biāo)書(shū)】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)》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《【基金標(biāo)書(shū)】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)（31頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

項(xiàng)目名稱(chēng)： 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(mén)： 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(guó)家經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā) 展對(duì)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(guó)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(huì)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(guò)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(guò)程的流變塑變理論、針對(duì)金屬間化合物特性建立性能表征方法和評(píng)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(cè)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(duì)鑄造、熱變形和粉末冶金三類(lèi)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(duì)于鑄造合金：Nb 含量取低限，添加 B（稍高含量）、Y 和 Mn 等；對(duì)于變形合金：Nb 含量取中間值，添加 W、B（較低含量）、Y 等；對(duì)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(jí)，對(duì)于三種典型部件：鑄造葉片樣件: 尺寸為長(zhǎng) 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(qǐng)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利 20 項(xiàng)以上，國(guó)家和省部級(jí)科技成果獎(jiǎng) 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(guò)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(duì)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(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)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(duì)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(guò)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(guò)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(guò) 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(chǎng)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(chǎng)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(kāi)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(guò)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(guò)程微缺陷形成和控制理論，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，板材軋制過(guò)程中的精確變形流動(dòng)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(píng)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(lèi)型和微觀缺陷對(duì)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(píng)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(guó)際領(lǐng)先水平和自主知識(shí)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(duì)航空航天發(fā)動(dòng)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(lèi)合金上，避免了研究目標(biāo)的分散。通過(guò)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(guò)研究高溫 TiAl 合金熔煉和凝固過(guò)程的熱力學(xué)與動(dòng)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(guò)程合金熔體充型及鑄造組織和缺陷控制和定向凝固過(guò)程中的取向控制提供理論基礎(chǔ)。通過(guò)高溫 TiAl 合金多相有序結(jié)構(gòu)動(dòng)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(guò)高溫 TiAl 合金粉末冶金制備過(guò)程的流變塑變理論的研究、揭示粉末冶金合金制備過(guò)程中的缺陷形成和控制原理，以及對(duì)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(duì)金屬間化合物特性建立高溫 TiAl 合金性能表征方法和評(píng)價(jià)體系，對(duì)于整個(gè)課題涉及的制備加工技術(shù)提供的合金性能評(píng)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(kù)，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(wèn)題，研究?jī)?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(jiàn)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(zhǎng)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(guò)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(chǎng)耦合作用下高溫 TiAl 合金精密鑄造過(guò)程充型問(wèn)題；將控制液固相變路徑得到 β相凝固過(guò)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(guò)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(chǎng)耦合作用下冷坩堝定向凝固過(guò)程控制機(jī)理。通過(guò)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(guò)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?、氮及其它 雜質(zhì)的含量，完全消除微孔和微偏析等缺陷。針對(duì)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(guò)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(zhǎng)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(píng)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(kāi)拓性研究工作推向解決針對(duì)我國(guó)航空航天重大工程需求的應(yīng)用基礎(chǔ)研究；把我國(guó)航空航天發(fā)動(dòng)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(dòng)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(guò)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(dòng)機(jī)使用溫度的目標(biāo)。高 Nb 合金化引領(lǐng)了國(guó)內(nèi)外 TiAl 合金的發(fā)展方向，具有我國(guó)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?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下：（1（ 高 Nb 合金化通過(guò)連續(xù)有序化， 顯著提高了合金熔點(diǎn)；高 Nb 合金化通過(guò)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(guò)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(guò)程，達(dá)到提高熔點(diǎn)和細(xì)化組織的目的；（3（ 通過(guò)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(chǎng)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(duì)液固界面生長(zhǎng)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(chǎng)耦合作用下冷坩堝定向凝固過(guò)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(guò)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(guó)際領(lǐng)先水平、有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高溫 TiAl 合金展開(kāi)，目標(biāo)集中，避免了研究目標(biāo)過(guò)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(jí)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(guò)圍繞本項(xiàng)目提出的三個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)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(guó)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(guó)家中長(zhǎng)期科技發(fā)展規(guī)劃綱要的重點(diǎn)支持方向，符合國(guó)家保護(hù)環(huán)境、節(jié)能降耗的可持續(xù)發(fā)展方針。國(guó)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(dòng)機(jī)取得應(yīng)用，TAC-2 在某型主戰(zhàn)坦克發(fā)動(dòng)機(jī)上通過(guò)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(duì)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(kāi)創(chuàng)性材料開(kāi)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(wèn)題，且對(duì)這些問(wèn)題有了基本的認(rèn)識(shí)。 本項(xiàng)目結(jié)合了國(guó)內(nèi) TiAl 合金制備和加工領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)單位，發(fā)揮各單位在該研究方向上的專(zhuān)長(zhǎng)。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(jí)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(duì) TiAl 合金的共性問(wèn)題，從不同學(xué)科角度進(jìn)行學(xué)科交叉和學(xué)科融合，開(kāi)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(guó)內(nèi)處于領(lǐng)先地位，一直在對(duì)粉末冶金 TiAl 基合金進(jìn)行研究，在 2000 年左右開(kāi)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(dòng)機(jī)氣門(mén)，在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。西北工業(yè)大學(xué)長(zhǎng)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(kāi)發(fā)，近年來(lái)先后承擔(dān)了數(shù)十項(xiàng)國(guó)家基礎(chǔ)研究和國(guó)防型號(hào)研制任務(wù)。在國(guó)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(kāi)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(duì)各種金屬材料的凝固過(guò)程模擬、金屬單晶晶體生長(zhǎng)熱力學(xué)和動(dòng)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(lái)在相關(guān)現(xiàn)代凝固理論過(guò)冷熔體及溶液法生長(zhǎng)、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(guó)際先進(jìn)水平。西北有色金屬院長(zhǎng)期從事 Ti 合金和 TiAl 合金研究，具有豐富的知識(shí)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(guó)家 863 高技術(shù)新材料研究計(jì)劃支持下開(kāi)展 TiAl等金屬間化合物基高溫材料的研究，車(chē)用增壓渦輪、航空發(fā)動(dòng)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(guó)內(nèi)自主研制的 TiAl 合金發(fā)動(dòng)機(jī)熱端轉(zhuǎn)動(dòng)部件試車(chē)考核“零”的突破，通過(guò)與鎳基高溫合的對(duì)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。基于裝配主機(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(dòng)效果明顯，己被列為某型發(fā)動(dòng)機(jī)的正選增壓器渦輪材料。通過(guò)這些需求牽引的 TiAl 合金研究，鋼鐵研究總院己對(duì)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(shí)，尤其是在國(guó)防型號(hào)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(tái)，可作為本申請(qǐng)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(cè)研究中心長(zhǎng)期進(jìn)行材料的力學(xué)性能測(cè)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(duì)發(fā)動(dòng)機(jī) FWP14 的研制， 編輯、出版了《航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)用材料性能數(shù)據(jù)手冊(cè)》第一、第二冊(cè)，2008 年出版了根據(jù) FWS10 發(fā)動(dòng)機(jī)的材料性能數(shù)據(jù)編寫(xiě)的第三冊(cè)；在《航空推進(jìn)技術(shù)驗(yàn)證計(jì)劃》研制過(guò)程中編寫(xiě)的第四冊(cè)即將出版并利用存量資源創(chuàng)建了發(fā)動(dòng)機(jī)材料性能數(shù)據(jù)庫(kù)。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(guó)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(cè)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(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、國(guó)家工程（技術(shù)）研究中心 8 個(gè)，一個(gè)該領(lǐng)域國(guó)內(nèi)最大的基礎(chǔ)建設(shè)項(xiàng)目：高 Nb-TiAl 建設(shè)平臺(tái)。北京科技大學(xué)新金屬材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的 TiAl 研究平臺(tái)，包括中等規(guī)模的熔煉和熱加工中心、計(jì)算中心、專(zhuān)業(yè)測(cè)試和檢測(cè)平臺(tái)。北京航空材料研究院從美國(guó) Retech 公司引進(jìn)的國(guó)內(nèi)唯一一臺(tái) 200kg 級(jí)PAM525 等離子束冷床熔煉爐，利用該設(shè)備成功制備出了國(guó)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(guó)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(wàn)噸液壓機(jī)上鍛造成型國(guó)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(guó)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(wú)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(yáng)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(guó)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室以航空航天為代表領(lǐng)域的國(guó)防重大材料技術(shù)需求為主要服務(wù)對(duì)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(guó)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(cè)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(guó)家工程研究中心、國(guó)家鋼鐵產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心、國(guó)家鋼鐵材料測(cè)試中心、國(guó)家非晶微晶合金工程技術(shù)研究中心、國(guó)家鋼鐵物料進(jìn)出口商品檢驗(yàn)室、中國(guó)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(guó)航空、航天、艦 船和兵器等國(guó)防工 業(yè)及國(guó)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(shì)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(guò)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(guò)程的流變塑變理論科學(xué)問(wèn)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(píng)價(jià)。課題之間聯(lián)系緊密，見(jiàn)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(kù)，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(wèn)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(guò)程及最終凝固組織控制再結(jié)晶細(xì)晶 致密無(wú)夾雜組織 定向組織 等軸晶 組織性能表征及評(píng)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(dòng)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(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，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(dòng)態(tài)復(fù)原機(jī)制。主要研究?jī)?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(duì)以上合金的晶體缺陷性質(zhì)作用規(guī)律；（2（ 通過(guò)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(duì)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(duì)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(duì)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(guò)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(duì)形變和強(qiáng)韌化的影響機(jī)制；（6（ V、Mo 等元素對(duì)高溫 TiAl 合金多相有序結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)復(fù)原過(guò)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(guó)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(duì)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(guò)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(guò)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?jī)?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(guò)程中熱平衡，建立鑄錠凝固過(guò)程傳熱、 傳質(zhì)及流動(dòng)的數(shù)學(xué)物理模型?；跓?動(dòng)力力學(xué)分析，對(duì) 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(lèi)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(dòng)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(guò)程熔池中液相流動(dòng)特征及其受外場(chǎng)的影響，結(jié)合對(duì)凝固過(guò)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(guò)對(duì)高溫 TiAl 合金的冶金工藝途徑和過(guò)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(duì)綜合力學(xué)性能的影響規(guī)律、熔體流變行為，明確冶金 過(guò)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(duì)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(duì)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(duì)組織演變的影響規(guī)律，建立 熱變形過(guò)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(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；（6（ 研究在應(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(lái)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(chǎng)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(duì)液固界面生長(zhǎng)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?jī)?nèi)容：（1（ 研究離心和反重力鑄造過(guò)程中高溫 TiAl 合金中 Ti 及高熔點(diǎn)元素對(duì)液固界面生長(zhǎng)特性的作用，揭示不同成分范圍合金包晶凝固過(guò)程中組織和缺陷形成規(guī)律及其對(duì)鑄件可靠性的影響，探索氧、氮等間隙原子對(duì)凝固行為的作用及作用機(jī)理，依此對(duì)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(wèn)題，通過(guò)多場(chǎng)耦合作用下高溫 TiAl 合金精密鑄造過(guò)程的數(shù)值模擬，對(duì)柱狀晶生長(zhǎng)、糊狀區(qū)形成規(guī)律和充型特性進(jìn)行全面描述；（3（ 通過(guò)流動(dòng)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(guò)程中組織和缺陷交互形成規(guī)律；通過(guò)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(duì)熔體充型流動(dòng)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(duì)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(duì)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(guò)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(duì)高溫 TiAl 合金鑄件可靠性的影響規(guī)律，為推動(dòng)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(yáng)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(wàn)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(duì)凝固過(guò)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?jī)?nèi)容： （1（ 研究冷坩堝無(wú)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(guò)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(guò)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(guò)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(chǎng)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(guò)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(guò)程微缺陷形成和控制理論，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，板材 軋制 過(guò)程中的精確變形流動(dòng)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(shí)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?jī)?nèi)容：（1（ 研究 β相穩(wěn)定元素和高 Nb 合金化對(duì)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(duì)合金粉末致密化過(guò)程的作用規(guī)律，致密化過(guò)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(duì)致密化過(guò)程物質(zhì)流動(dòng)、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(duì)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(duì)材料室、高溫以及 動(dòng)、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(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(guò)程中金屬流動(dòng)規(guī)律；（5（ 研究熱軋過(guò)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(guò)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(guò)程中顯微組織演變及孔洞的形核和長(zhǎng)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(duì)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(píng)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(lèi)型和微 觀缺陷對(duì)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(píng)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?jī)?nèi)容：（1（ 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(zhǎng)裂紋的擴(kuò)展規(guī)律以及斷裂機(jī)制；研究組織類(lèi)型和微觀缺陷對(duì)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(mén)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(duì)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(píng)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(píng)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(niǎo)四、年度計(jì)劃研究?jī)?nèi)容 預(yù)期目標(biāo)第一年1 以鑄造合金為對(duì)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(duì)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(guò)程中熱平衡，建立鑄錠凝固過(guò)程傳熱、傳質(zhì)及流動(dòng)的數(shù)學(xué)物理模型；基于熱/動(dòng)力力學(xué)分析， 對(duì)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(lèi)型；3 鑄造過(guò)程中高溫 TiAl 合金中 Ti及高熔點(diǎn)元素對(duì)液固界面生長(zhǎng)特性的作用，不同成分范圍合金包晶凝固過(guò)程中組織和缺陷形成規(guī)律及其對(duì)鑄件可靠性的影響，探索氧、氮等間隙原子對(duì)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(guò)程的傳熱、傳質(zhì)及流動(dòng)規(guī)律和預(yù)測(cè)鑄錠凝固的宏觀、微觀偏析和缺陷類(lèi)型；3 揭示 β相穩(wěn) 定元素對(duì)高溫 TiAl 合金熱變形能力的影響規(guī)律和 Z 參數(shù)對(duì)組織演變的影響規(guī)律；4 闡明粉末冶金坯體制備過(guò)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?jī)?nèi)容 預(yù) 期目標(biāo)4 β相穩(wěn)定元素對(duì)高溫 TiAl 合金熱變形能力的影響，Z 參數(shù)對(duì)組織 演變的影響規(guī)律，熱變形過(guò)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(duì)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(duì)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(duì)比；2 變形和粉末高溫 TiAl 合金 Nb、Al含量對(duì)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(guò)多場(chǎng)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(guò)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?jī)?nèi)容 預(yù) 期目標(biāo)固過(guò)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(guò)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(dòng)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(guò)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(duì)材料室、高溫力學(xué)性能的作用規(guī)律；6 航空發(fā)動(dòng)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(zhǎng)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(qǐng)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利 5-8 項(xiàng)。研究?jī)?nèi)容 預(yù) 期目標(biāo)第三年1 通過(guò)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(duì)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(guò)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(duì)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(cè)，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(guò)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(duì)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(duì)接頭力學(xué)性能的影響；7 針對(duì)航天飛行器高溫高載飛行條1 揭示 Nb 含量對(duì)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(guò)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(qǐng)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利 8-12 項(xiàng)。研究?jī)?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(duì)高溫 TiAl 合金鑄造葉片樣件的可靠性進(jìn)行評(píng)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(chǎng)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(duì)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(duì)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(dòng)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(duì)高 Nb-TiAl 合金的斷裂韌度 KIC、疲勞裂紋擴(kuò) 展門(mén)檻值 ΔKth，的影響規(guī)律。研究?jī)?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(mén)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(duì)結(jié)構(gòu)的影響因素。6 發(fā)表文章 30-50 篇， 申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)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(wèn)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 Nb-TiAl 合金的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 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(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(zhuān)利 8-12 項(xiàng)，國(guó)家或省部級(jí)獎(jiǎng) 3-5 項(xiàng)。研究?jī)?nèi)容 預(yù) 期目標(biāo)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。一、研究?jī)?nèi)容1 關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)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(wèn)題如下：科學(xué)問(wèn)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(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(guò)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(wèn)題二：高溫 TiAl 合金凝固過(guò)程組織及缺陷的調(diào)控原理主要通過(guò)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(guò)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(guò)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(wèn)題三：高溫 TiAl 合金粉末冶金制備過(guò)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(guò)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(guò)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(wèn)題開(kāi)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(guò)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(guò)程中熱平衡規(guī)律，建立高溫 TiAl 合金鑄錠凝固過(guò)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(lèi)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(guò)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(guò)程的包晶相變；研究高溫 TiAl 合金在精密鑄造過(guò)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