供稿|李忠富，隋延力，林均品，朱 潔，李龍飛

舞動新金屬材料科學前沿（11）
——北京科技大學新金屬材料國家重點實驗室的新金屬材料研究進展

供稿|李忠富，隋延力，林均品，朱 潔，李龍飛

內(nèi)容導讀

“培育國家梯隊，盡享金屬魅力；打造國際精英，邁向世界一流”是北京科技大學新金屬材料國家重點實驗室舞動科學前沿的動力源泉 (見封面)，瞄準金屬材料科學的前沿問題，致力重大金屬材料科學的應用基礎(chǔ)問題，新金屬材料國家重點實驗室激活了新金屬材料科學研究一池春水，為我國新金屬材料領(lǐng)域的科技儲備和原始創(chuàng)新能力帶來了新氣象。系列文章 (1)介紹了實驗室的最新科技成果：新金屬結(jié)構(gòu)材料發(fā)展里程碑——高溫高性能高 Nb-TiAl 合金；FeGa 合金主要科研進展；第三代先進汽車用鋼研究進展；第四代單晶高溫合金的基礎(chǔ)研究進展；飛秒激光加工技術(shù)研究進展。

新金屬材料國家重點實驗室于 1989 年 6 月經(jīng)國家計劃委員會審批立項，依托北京科技大學開始實驗室建設(shè)。

新金屬材料國家重點實驗室 (簡稱重點實驗室) 從金屬材料的科學規(guī)律、制備技術(shù)與工藝、計算模擬與設(shè)計、服役評價和實驗技術(shù) 5 個方面進行全面研究，目標是發(fā)展新金屬間化合物結(jié)構(gòu)材料與新金屬功能材料為主的新型金屬材料、新一代基礎(chǔ)材料及先進制備技術(shù)。

重點實驗室設(shè)有材料性能測試、物理模擬系統(tǒng)、物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析、材料制備與加工以及高性能計算模擬 5 個公共實驗平臺和若干個專業(yè)實驗研究平臺；建設(shè)了國家 111 創(chuàng)新引智基地、國家軍工平臺、中廣核聯(lián)合實驗室、中國鋁業(yè)聯(lián)合研發(fā)中心等若干個研究基地。具備較完備的材料合成與加工、性能測試與組織結(jié)構(gòu)分析、數(shù)據(jù)計算模擬與安全服役評估的儀器設(shè)備和裝置系統(tǒng)。

重點實驗室承擔了國家 863 項目、973 項目，國家自然科學基金面上、重點、國際合作重大項目、杰出青年基金、教育部 111 引智等多項重大科研項目。

新金屬結(jié)構(gòu)材料

新金屬結(jié)構(gòu)材料研究梯隊主要研究方向包括輕質(zhì)高溫結(jié)構(gòu)金屬間化合物 (Ti-Al、 Mo-Si 系)；Fe-Si 系金屬間化合物；新型多孔金屬間化合物；超強耐液鋅腐蝕材料；先進清潔能源材料；難變形材料的強加工和組織精確控制等。

研究梯隊負責的國家“973”計劃：輕質(zhì)高溫 TiAl 金屬間化合物合金及其制備加工的科學技術(shù)基礎(chǔ)，軍工平臺、國家自然科學基金等進展順利。

新金屬結(jié)構(gòu)材料發(fā)展里程碑——高溫高性能高Nb-TiAl 合金

美國 GE 公司已經(jīng)采用鑄造 TiAl合金應用于最新的波音787 和 747 民用飛機的 GEnx 發(fā)動機，作低壓渦輪后兩級葉片，單個發(fā)動機減輕重量約200 磅 (1 磅 = 0.454 kg)。

TiAl 金屬間化合物具有低密度(減重效果可達 40 % ～ 50 %)、高強度、高模量、高蠕變抗力、抗燃燒等優(yōu)異性能，成為高溫鈦合金使用溫度上限和高溫合金使用溫度下限區(qū)間減重的惟一候選材料。近年來國內(nèi)外 TiAl 金屬間化合物的研究熱點集中在發(fā)展更高使用溫度的合金上。

研究梯隊突破了國外發(fā)展高溫高性能金屬間化合物思路，提出了高 Nb 化的新思路，提高普通 TiAl 合金使用溫度 60 ℃ ～ 100 ℃，可在 900 ℃ 左右使用。被 TiAl 合金研究領(lǐng)域國際權(quán)威 Y-W Kim 教授肯定為發(fā)展高溫高性能 TiAl 合金的“首例”；在 Nb 提高抗氧化性和合金相關(guān)系兩方面做出原始性貢獻，高 Nb-TiAl 合金具有“里程碑”發(fā)展意義。

研究梯隊揭示了 Nb 和 Y 元素提高 TiAl 合金高溫抗氧化性的本質(zhì)。高 Nb 化顯著提高了 TiAl 合金的高溫抗氧化性，適量 Y 的添加大幅度改善了氧化層抗剝落的能力。

Ti50Al 和 Ti45Al8Nb 合金 900 ℃ 氧化 90 min 的動力學曲線

不同 Y 含量合金 900 ℃ 下循環(huán)氧化動力學曲線

世界上首次發(fā)明自籽晶法制備高 Nb-TiAl 合金 PST 晶體的榮譽歸屬于北京科技大學新金屬材料國家重點實驗室新金屬結(jié)構(gòu)材料研究梯隊，他們創(chuàng)造性地提出了先凝固 β 相 TiAl 合金片層方向控制途徑以及其單晶 PST 制備方法。該研究成果得到了國內(nèi)外專家的承認和高度評價，在材料領(lǐng)域雜志 Acta Materialia, Scripta Materialia, Intermetallics 等發(fā)表論文多篇。Acta Materialia 審稿人認為，該研究工作非常令人感興趣，自籽晶法是首次發(fā)表的原創(chuàng)性成果，對于控制 TiAl 合金的定向片層組織和改善性能很有意義。

二次定向凝固 Ti-46Al-5Nb 棒料縱截面顯微組織：整個縱截面光學組織 (a)，局部區(qū)域放大的光學組織 (b) (c)，局部低倍背散射電子顯微組織 (d)，兩區(qū)域界面附近高倍背散射電子顯微組織 (e)

新金屬功能材料

FeGa 合金主要科研進展

◆ FeGa 合金薄片材料

添加第三元素改變晶界結(jié)構(gòu)及合金的斷裂方式，提高高溫及室溫下的 Fe-Ga 合金的可軋性；通過傳統(tǒng)的熱軋、溫軋及冷軋，精確控制變形溫度、變形速率和中間退火，成功制備出了厚度 0.1 ～ 0.3 mm 的 Fe-Ga 合金薄片材料。對其織構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)軋制材料沿軋向具有一定的 <100> 擇優(yōu)取向。

◆ 探索出具有良好塑性與磁致伸縮性能的合金化學組成為 (Fe83Ga17)97.5B0.5Cr2。

◆ 突破了 Fe-Ga 合金薄帶的制備技術(shù)，采用熱軋、溫軋和冷軋的軋制工藝，制備出厚度 0.05 ～ 0.3 mm、寬度 100 mm 以上的 Fe-Ga 基合金薄帶材料。

◆ 通過控制軋制工藝與高溫退火工藝，獲得了二次再結(jié)晶織構(gòu)為單一 {100}<001> 立方織構(gòu)的薄帶材料。在立方織構(gòu)合金薄帶中觀測到最大的磁致伸縮性能 (λ//- λ^)，達到 225×10-6。

◆ 在立方織構(gòu)Fe-Ga合金薄帶中觀測到磁致伸縮的大“Jump”效應 。在24 MPa預壓力作用下，λ//達到170×10-6，λ//- λ^達到316×10-6；隨著壓力的增加，飽和磁場并沒有增加。

FeGa 磁致伸縮材料的阻尼性能

在 FeGa 磁致伸縮材料的塊體、板材和絲材制備工藝與組織特性研究的基礎(chǔ)上，進一步開展 FeGa 合金應用和應用基礎(chǔ)研究，利用內(nèi)耗測試 FeGa 合金的阻尼性能。發(fā)現(xiàn) (Fe83Ga17)99(NbC)1板材的內(nèi)耗隨熱處理溫度有不同表現(xiàn)，且內(nèi)耗的溫度譜隨振動頻率變化。對 Fe83Ga17合金棒材而言，不同溫度熱處理的樣品在第一次升降溫過程中的內(nèi)耗-溫度譜表現(xiàn)出明顯的不同，反映在存儲模量-溫度譜中加熱和冷卻有接近 30 GPa 差值，但在第二次升降溫過程中，這個差別消失了。

(Fe83Ga17)99(NbC)1板材的內(nèi)耗隨熱處理溫度有不同表現(xiàn)

(Fe83Ga17)99(NbC)1板材的內(nèi)耗的溫度譜隨振動頻率變化

FeGa 合金絲材的力學行為

不同熱處理方式下的 φ 1 mm Fe83Ga17合金絲的拉伸，分步加載變形過程中合金絲拉伸應力應變曲線與彈性模量的變化規(guī)律，如圖所示。

新一代基礎(chǔ)金屬材料

新一代基礎(chǔ)金屬材料研究梯隊立足于金屬材料科學的國際前沿問題和我國國民經(jīng)濟建設(shè)中對金屬材料的重大需求，開展以發(fā)展新金屬材料和使傳統(tǒng)材料升級換代為目的應用基礎(chǔ)研究，強調(diào)發(fā)展新材料，注重新材料的制備工藝－組織－性能關(guān)系研究。主要研究方向包括：先進鋼鐵材料、先進高溫合金材料、金屬材料的各向異性、金屬及復合材料半固態(tài)加工和飛秒激光加工技術(shù)。

第三代先進汽車用鋼研究

在國家“973”計劃項目子課題“第三代高強高韌低合金鋼精細組織的研究”的支持下，在前期研究工作的基礎(chǔ)上，開展了第三代先進汽車用鋼的研究工作。

1) 對基于動態(tài)相變的熱軋低合金 TRIP 鋼技術(shù)的基礎(chǔ)上進行合金成分設(shè)計和工藝優(yōu)化，如圖所示，通過添加微合金化元素或調(diào)整 Mn、Si 含量，獲得了力學性能指標在第三代先進汽車用鋼范圍內(nèi)的細晶 TRIP 鋼。

不同熱處理方式下的 φ 1 mm Fe83Ga17合金絲的力學性能

2) 進行了低合金 TRIP 鋼的具有一定物理意義的并且融入了具體組織參數(shù)的應力-應變關(guān)系的本構(gòu)模型的研究工作，并結(jié)合模型和實驗從微觀層面初步研究了 TRIP 鋼變形過程中各相之間應力應變的配分情況、各相中位錯的演變行為以及殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變對材料加工硬化行為的影響等。

第四代單晶高溫合金的基礎(chǔ)研究

在國家“973”計劃項目子課題“單晶高溫合金成分設(shè)計與強韌化基礎(chǔ)研究”的支持下，以尋求減少和替代貴元素 Re 的途徑，探索低成本、高性能的鎳基單晶高溫合金為設(shè)計思路，發(fā)展低成本的第三代單晶合金基本體系，目前研究表明在低 Re 和 Ru 含量合金中，Co 含量的增加降低了 Cr、Mo 和 Re 元素的成分分配比 (Ki= Cγ/ Cγ′)，提高合金的組織穩(wěn)定性。這對于研究低貴重元素含量的單晶合金的強化機制有一定意義。在國家自然基金項目“界面對鎳基單晶高溫合金不連續(xù)脫溶轉(zhuǎn)變影響機理的研究”的支持下，通過單晶連接技術(shù)，制備單晶的人工晶界，探索人工晶界出不連續(xù)脫溶現(xiàn)象的影響因素與相關(guān)機理，目前已成功實現(xiàn)了單晶的連接，制備出制定角度的人工晶界。初步結(jié)果表明合金成分和界面角對不連續(xù)脫溶區(qū)的形成有直接的影響。該研究對單晶葉片生產(chǎn)中存在的小角度晶界對性能的影響和對開組合式葉片的生產(chǎn)有指導意義。

飛秒激光加工技術(shù)研究

在國家 863 項目的支持下，利用先進飛秒激光加工葉片冷卻孔，消除重鑄層、微裂紋等加工缺陷；優(yōu)化加工工藝，從而提高加工效率。目前研究表明：通過合理選取加工方式、激光參數(shù)，可以有效提高飛秒激光冷卻孔加工質(zhì)量和效率。這對于建立飛秒激光航空發(fā)動機葉片冷卻孔加工技術(shù)方案具有一定的指導意義。

(未完待續(xù))

Dancing at New Metal Materials Science Frontiers——Latest Research of Science and Technology Frontiers in State Key Laboratory of New Metal Materials, University of Science and Technology Beijing

LI Zhong-fu, SUI Yan-li, LIN Jun-pin, ZHU Jie, LI Long-fei

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李忠富 (1972—)，男，籍貫河南新鄉(xiāng)，現(xiàn)任北京科技大學期刊中心副編審，中國金屬學會理事，金屬世界雜志社主任，E–mail: lizhongfu@ustb.edu.cn，研究方向主要為金屬加工工藝、冶金機械及自動化、機械設(shè)計及理論等。

北京科技大學，北京 100083

隋延力，女，博士，北京科技大學新金屬材料國家重點實驗室副主任、研究員，E–mail: yls@admin.ustb.edu. cn，研究方向主要為粉末冶金技術(shù)及其應用、鋼結(jié)硬質(zhì)合金及其工模具研制、稀土永磁材料、直接還原海綿鐵以及尾礦綜合利用等。