包晶合金凝固理論及過程控制基礎(chǔ)-李新中-哈爾濱工業(yè)大學(xué)

1、2017年教育部自然科學(xué)獎(jiǎng)推薦項(xiàng)目公示材料 1、項(xiàng)目名稱：包晶合金凝固理論及過程控制基礎(chǔ) 2、推薦獎(jiǎng)種：自然科學(xué)獎(jiǎng) 3、推薦單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué) 4、項(xiàng)目簡介： 包晶合金是應(yīng)用非常廣泛的工程合金，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片材料Ti-AI、不銹 鋼Fe-Ni-Cr、磁性材料Nb-Fe-B、超導(dǎo)材料Y-Ba-Cu-0等。包晶合金凝固過程會(huì) 出現(xiàn)典型的包晶反應(yīng)：液相+初生相-包晶相。初生相和包晶相 相近相爭”的生 長特性，導(dǎo)致包晶凝固經(jīng)歷較長的非穩(wěn)態(tài)初始過渡，引起組成相及組織形態(tài)之 間競爭與選擇的多樣性。但這些競爭選擇的物理過程還不清楚。2008年，國際 著名凝固科學(xué)家Kurz在總結(jié)進(jìn)入二十一世紀(jì)以來凝固科學(xué)

2、技術(shù)取得的重要進(jìn)展 時(shí)指出，包晶凝固理論研究仍是今后凝固科學(xué)的主要方面之一。本項(xiàng)目將包晶 合金宏觀上分為兩大類，即非小平面包晶合金和小平面包晶合金，針對(duì)這兩大 類合金，圍繞以下具體內(nèi)容開展了系統(tǒng)深入的研究。 (1) 包晶凝固相及組織選擇。通過綜合考慮溶質(zhì)分凝及界面過冷，推導(dǎo)出描 述各種相臨界生長條件的7個(gè)數(shù)學(xué)解析式，建立了從初始過渡向穩(wěn)態(tài)生長發(fā)展整 個(gè)過程的相及組織選擇理論模型，獲得了帶狀組織、共生組織存在范圍對(duì)生長 條件的依賴關(guān)系，解決了包晶凝固初始過渡階段相及組織演化預(yù)測問題，填補(bǔ) 了理論空白。 (2) 非小平面類包晶合金包晶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)及兩相生長機(jī)理。通過對(duì)Fe-Ni、 Cu-Ge等非小平

3、面類包晶合金進(jìn)行系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)了包晶反應(yīng)三相交接區(qū)內(nèi)初 生相的凝固、重熔與再凝固過程，建立了非小平面類包晶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，獲 得了包晶反應(yīng)對(duì)包晶兩相共生生長形態(tài)穩(wěn)定性影響規(guī)律，建立了包晶非等溫共 生生長模型，定量預(yù)測其穩(wěn)定形成區(qū)間，為包晶系共生復(fù)合材料制備提供了理 論和技術(shù)依據(jù)。 (3) 小平面類包晶合金包晶反應(yīng)模式與機(jī)理。利用高溫度梯度定向凝固實(shí) 驗(yàn)，揭示了溫度梯度區(qū)域熔化(TGZM)驅(qū)動(dòng)重熔與再凝的小平面包晶反應(yīng)動(dòng)力學(xué) 本質(zhì)，首次發(fā)現(xiàn)了 TGZM效應(yīng)引起的一種全新的 分離式”包晶反應(yīng)；結(jié)合溶質(zhì) 守恒與Fick擴(kuò)散定律，建立了 分離式”包晶反應(yīng)物理模型和數(shù)學(xué)模型。該成果 的意義在于可以通過合

4、理設(shè)計(jì)凝固參數(shù)而得到我們所期望的組成相，如，得到 全部初生相或全部包晶相。 (4) 包晶合金結(jié)構(gòu)與性能一體化控制。針對(duì)工程上急需的TiAl等包晶合 金，禾I用定向凝固技術(shù)，揭示了液固、包晶和固固耦合相變下成分、組織、取 向與性能的歷史相關(guān)性，提出了凝固路徑控制法和自籽晶法的晶體取向控制技 術(shù)，實(shí)現(xiàn)了領(lǐng)先相擇優(yōu)生長和片層特定取向排列的同步控制，大幅度提高了 TiAl基合金的室溫塑性和強(qiáng)度。 本項(xiàng)目相關(guān)成果在國際著名期刊 Acta Materialia、Applied Physics Letters、 Scientific Reports、Journal of Crystal Growth等上發(fā)表

5、 SCI論文 268篇，總引用 1420次，SCI他引611余次。在Web of Scienc僉索 包晶凝固”論文中，本項(xiàng)目論 文數(shù)量排名世界第1。關(guān)于包晶合金凝固的研究成果匯集到傅恒志院士專著先 進(jìn)材料定向凝固和航空航天材料定向凝固、工信部十二五”規(guī)劃教材 包晶合金定向凝固。在國際學(xué)術(shù)會(huì)議上做主旨和邀請(qǐng)報(bào)告共26次。授權(quán)發(fā) 明專利23項(xiàng)。 5、主要完成人情況表 (1)李新中，排名1,副教授，工作單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，完成單位：哈爾濱 工業(yè)大學(xué) 對(duì)本項(xiàng)目創(chuàng)造性貢獻(xiàn)： a建立了包晶凝固從初始過渡向穩(wěn)態(tài)生長發(fā)展整個(gè)過程的相及組織選擇理論 模型，解決了包晶凝固初始過渡階段相及組織演化預(yù)測問題，填補(bǔ)了

6、理論 空白。 b揭示了溫度梯度區(qū)域熔化(TGZM)驅(qū)動(dòng)重熔與再凝的小平面包晶反應(yīng)動(dòng)力學(xué) 本質(zhì)，首次發(fā)現(xiàn)了 TGZM效應(yīng)引起的一種全新的分離式”包晶反應(yīng)。 c.利用定向凝固技術(shù)，揭示了 TiAl包晶合金液固、包晶和固固耦合相變下成 分、組織、取向與性能的關(guān)聯(lián)機(jī)制，提出了自籽晶”晶向控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn) 了領(lǐng)先相擇優(yōu)生長和片層特定取向排列的同步控制。 對(duì)發(fā)現(xiàn)點(diǎn)1和3做出主要貢獻(xiàn)，對(duì)發(fā)現(xiàn)點(diǎn)2、4做出重要貢獻(xiàn)。代表性論文 1，3-10，該項(xiàng)目工作占工作量的 80%。 曾獲國家科技獎(jiǎng)勵(lì)情況：無 陳瑞潤，排名2,教授，工作單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，完成單位：哈爾濱工 業(yè)大學(xué) 對(duì)本項(xiàng)目技術(shù)創(chuàng)造性貢獻(xiàn)： a.創(chuàng)造性地將

7、冷坩堝定向凝固方法應(yīng)用于TiAl基包晶合金定向凝固，使定向 凝固Ti-47AI-2Cr-2Nb室溫最高抗拉強(qiáng)度達(dá)到 687.0 MPa，最高延伸率可達(dá) 4.2%，較其它方法制備合金的強(qiáng)度提高20.0%以上，延伸率提高 110%以 上，充分證明該方法有望解決 TiAl基包晶合金室溫塑性低的應(yīng)用障礙。屬 重要科學(xué)發(fā)現(xiàn)4。 本人是代表性論文2、7的作者之一。 曾獲國家科技獎(jiǎng)勵(lì)情況：無 (3) 駱良順，排名3,副教授，工作單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，完成單位：哈爾濱 工業(yè)大學(xué) 對(duì)本項(xiàng)目創(chuàng)造性貢獻(xiàn)： a.通過對(duì)非小平面類包晶合金進(jìn)行系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)了包晶反應(yīng)三相交接區(qū)內(nèi)初 生相的凝固、重熔與再凝固過程，建立了非

8、小平面類包晶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型， 獲得了包晶反應(yīng)對(duì)包晶兩相共生生長形態(tài)穩(wěn)定性影響規(guī)律，建立了包晶非等 溫共生生長模型，定量預(yù)測其穩(wěn)定形成區(qū)間，為包晶系共生復(fù)合材料制備提 供了理論和技術(shù)依據(jù)。屬重要科學(xué)發(fā)現(xiàn) 2。 本人是代表性論文4、5的作者之一。 曾獲國家科技獎(jiǎng)勵(lì)情況：無 (4) 王亮，排名4,副教授，工作單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，完成單位：哈爾濱工 業(yè)大學(xué) 對(duì)本項(xiàng)目創(chuàng)造性貢獻(xiàn)： a.開發(fā)了 Ti-44AI-6Nb-1.0Cr-2.0V-0.15Y-0.1B包晶合金，揭示了合金定向凝固 組織演變，并發(fā)現(xiàn)其單向室溫抗拉強(qiáng)度和延伸率分別為660 MPa和1.35%， 較原鑄錠分別提高37.5%和100%，

9、900C時(shí)分別達(dá)到526 MPa和24%，屬 重要科學(xué)發(fā)現(xiàn)4。 本人是代表性論文10的作者之一。 曾獲國家科技獎(jiǎng)勵(lì)情況：無 (5) 蘇彥慶，排名5,教授，工作單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，完成單位：哈爾濱工 業(yè)大學(xué) 對(duì)本項(xiàng)目創(chuàng)造性貢獻(xiàn)： a.計(jì)算了 Ti-Al等典型包晶合金的選擇圖，獲得了初生相/包晶相分別以單相平 -胞-枝生長、包晶兩相帶狀生長和共生生長的工藝參數(shù)范圍，為包晶合金凝 固組織分析和控制提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)依據(jù)。 本人是代表性論文1,3-10的作者之一。 曾獲國家科技獎(jiǎng)勵(lì)情況：2003年獲教育部科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)(排名 2) (6) 郭景杰，排名6,教授，工作單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，完成單位：

10、哈爾濱工 業(yè)大學(xué) 對(duì)本項(xiàng)目創(chuàng)造性貢獻(xiàn)： a.前瞻性規(guī)劃了本項(xiàng)目研究的科學(xué)問題，全面指導(dǎo)本項(xiàng)目的開展。 本人是代表性論文1-10的作者之一。 曾獲國家科技獎(jiǎng)勵(lì)情況：2003年獲教育部科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)(排名 1) 6、代表性論文專著目錄 1.不超過10篇代表性論文、專者 序 號(hào) 論文、專者 名稱/刊名/作者 影響因 子 年卷頁 碼 年（卷）： 頁碼 發(fā)表 年月 通訊作 者/第一 作者 （中文名） SCI 他 引 次 數(shù) 他 引 總 次 數(shù) 是 否 國 內(nèi) 宀 兀 成 1 定向凝固包晶合金帶狀組 織形成機(jī)制及相選擇I: 定向凝固包晶合金帶狀組 織形成機(jī)制.金屬學(xué)報(bào)李 新中，郭景杰，蘇彥慶， 吳士平，傅

11、恒志 0.482 2005, 41(6): 593-598 2005. 06 李新中/ 李新中 9 14 是 2 Directional solidification of tita nium alloys by electromag netic confin eme nt in cold crucible. Materials Letters. Hon gshe ng Ding, Ruir un Chen, Jingjie Guo, Weishe ng Bi, Daming Xu, Hen gzhi Fu. 1.625 2005, 59(7): 741-745 2005. 03 陳瑞潤/ 丁

12、宏升 3 9 是 3 Microstructure select ion duri ng the direct ion ally peritectic solidification of Ti-Al bi nary system, In termetallics. Yanqing Su, Chang Liu, Xin zho ng Li, Jingjie Guo, Ban gshe ng Li, Jun Jia, Hen gzhi Fu. 2.219 2005, 13: 267-274 2005. 03 蘇彥慶/ 蘇彥慶 21 32 是 4 Well alig ned in situ comp

13、osites in directi on ally solidified Fe-Ni peritectic system, Applied Physics Letters. Yanqing Su, Lia ngshu n Luo, Xin zho ng Li, Ji ngjie Guo, Huimin Yang, Hen gzhi Fu. 3.794 2006, 89: 1-3 2006. 12 駱良順/ 蘇彥慶 5 18 是 5 Peritectic React ion and Its In flue nces on the Microstructures Evolutio n duri n

14、g Directi onal Solidification of Fe-Ni Alloys. Journal of Alloys and Compo un ds. Lia nashu n Luo, Yanqing 2.390 2008, 461:121127 2008. 08 蘇彥慶/ 駱良順 7 24 是 Su, Jin gjie Guo, Xin zho ng Li, Shua ngming Li, Hong Zhong, Lin Liu, Hen gzhi Fu. 6 Microstructure Evoluti on in Directio nally Solidified Ti- (

15、50, 52) at%AI Alloys. In termetallics. Don gmei Liu, Xinzhong Li, Yanqing Su, Jingjie Guo, Hen gzhi Fu. 1.875 19 (2011) 175-181 2011. 02 李新中/ 劉冬梅 10 20 是 7 Directional solidification of Ti-49at.%AI alloy. Applied Physics A, Jia nglei Fan, Xinzhong Li, Yanqing Su, Ruir un Chen, Jin gjie Guo, Hen gzhi

16、 Fu. 1.63 2011, 105(1): 239-248 2011. 10 李新中/ 樊江磊 4 18 是 8 Directional solidification of Cu-20Sn alloy at low speed: From peritectic coupled growth to banding. Materials Letters. Don gmei Liu, Xinzhong Li, Yanqing Su, Lia ngshu Luo, Bo Zhang, Jin gjie Guo, Hen gzhi Fu. 2.307 2011,65, 16281631 2012. 06 李新中/ 劉冬梅 7 13 是 9 Secon dary den drite arm migrati on by temperature gradie nt zone melt ing in peritectic solidificati on. Acta Materialia. Don gmei Liu, Xinzhong Li, Yanqing Su, Peng Peng, Lia ngshu Luo , Jin gjie Guo, Hen gzhi Fu. 3.755 2012, 60(6-7): 2679 2688 2012. 04 蘇彥慶