2022年湖南省自然科學(xué)獎提名公示

2022年湖南省自然科學(xué)獎提名公示

項目名稱：高性能鈦合金及其復(fù)合材料組織與性能調(diào)控技術(shù)研究提名單位：湖南科技大學(xué)

提名等級：湖南省自然科學(xué)獎三等獎主要完成人：郭世柏，何新波，頡芳霞

主要完成單位：湖南科技大學(xué)，北京科技大學(xué)一、項目名稱高性能鈦合金及其復(fù)合材料組織與性能調(diào)控技術(shù)研究二、提名意見“高性能鈦合金及其復(fù)合材料組織與性能調(diào)控技術(shù)研究”依托國家自然科學(xué)基金項目，采用理論計算和實驗研究相結(jié)合的方法，通過合金成分設(shè)計、燒結(jié)致密化機制、塑性變形機制和腐蝕機理的研究，開發(fā)了高性能鈦合金及其復(fù)合材料。該項目的主要創(chuàng)造性成果如下：開發(fā)了鈦合金粉末注射成形用高效水溶性粘結(jié)劑，建立了鈦合金坯體溶劑脫脂和熱脫脂動力學(xué)方程，探明了殘余碳氧含量對鈦合金組織和性能的影響規(guī)律，揭示了鈦及其合金粉末燒結(jié)致密化機制，確立了β相鈦合金塑性變形機制和在人體模擬體液中腐蝕機理，確立了一種鈦合金及其復(fù)合材料制備的方法。這些研究成果為實現(xiàn)粉末注射成形和選擇性激光成形制備高性能復(fù)雜形狀鈦合金產(chǎn)品提供理論支持。發(fā)表的5篇代表作及論文他引總次數(shù)為179次，其中SCI他引次數(shù)為177次，單篇最高SCI他引94次，獲得了國內(nèi)外研究者的高度評價。材料真實可靠，經(jīng)公示，目前無異議。同意推薦該項目申報2022年度湖南省自然科學(xué)獎。提名該項目為湖南省自然科學(xué)獎三等獎。三、項目簡介鈦及其合金具有低密度、高比強度、良好高溫強度、卓越的耐腐蝕性等優(yōu)異性能，廣泛應(yīng)用于汽車、生物工程、手表、醫(yī)療器械、環(huán)保、高爾夫球俱樂部和航空航天等領(lǐng)域，被認(rèn)為是新一代高性能生物醫(yī)用和耐高溫材料的首選材料，近年來已成為新材料領(lǐng)域的研究熱點。由于傳統(tǒng)模壓成形技術(shù)不能制備出形狀復(fù)雜的產(chǎn)品，且該材料機加工性能差，難以切削，成為大量生產(chǎn)復(fù)雜形狀零件的障礙。粉末注射成形和選擇性激光成形技術(shù)是一種近凈成形技術(shù)，該技術(shù)應(yīng)用于鈦合金將為開發(fā)具有復(fù)雜形狀鈦合金產(chǎn)品，擴大其應(yīng)用領(lǐng)域開辟一條新途徑?；谏鲜鏊枷耄卷椖刻岢隼梅勰┳⑸涑尚魏蜔Y(jié)技術(shù)設(shè)計和采用選擇性激光成形技術(shù)制備滿足個體需求的復(fù)雜形狀鈦合金零部件的研究思路，在國家自然科學(xué)基金項目資助下開展鈦合金及其復(fù)合材料成形工藝及相關(guān)基礎(chǔ)問題的研究工作，獲得了一系列成果。重要科學(xué)發(fā)現(xiàn)如下：（1）開發(fā)了鈦合金粉末注射成形用新型高效清潔水溶性粘結(jié)劑，探明了殘余碳氧含量以及后續(xù)鈦合金制品熱處理工藝對鈦合金組織和性能的影響規(guī)律，揭示了鈦及其合金燒結(jié)致密化機制。開發(fā)了鈦合金粉末注射成形用新型高效清潔水溶性粘結(jié)劑，成功降低了鈦合金脫脂坯體的殘余碳氧含量，實現(xiàn)了鈦合金脫脂坯的燒結(jié)致密化；采用實驗表征和理論計算建立了鈦合金注射坯體溶劑脫脂和熱脫脂動力學(xué)方程，揭示了鈦合金燒結(jié)致密化機制為燒結(jié)初期顆粒重排和擴散占主導(dǎo)地位，后期主要由大β相晶粒中析出針狀α相轉(zhuǎn)變?yōu)橄嘧冎旅芑瘷C制，研究成果為復(fù)雜鈦及其合金產(chǎn)品的制備提供了一個新的角度和思路。（2）揭示了生物醫(yī)用鈦合金塑性變形機制和在人體模擬體液中腐蝕機理和生物相容性。發(fā)現(xiàn)了β相是改善生物醫(yī)用鈦合金生物力學(xué)相容性和降低彈性模量的有效途徑，揭示了多孔β相鈦合金塑性變形機制為從彈性變形，塑形屈服到斷裂的變化，相對彈性模量和相對屈服強度和相對密度之間遵循冪律關(guān)系；揭示了多孔鈦合金的腐蝕機制為典型活化-鈍化特征，具有較好的生物相容性。研究成果為可控制備高性能生物醫(yī)用鈦合金生物材料提供了重要的參考價值。（3）揭示了鈦基復(fù)合材料的燒結(jié)致密化機制。通過機械合金化制備了納米Ti3AlC2復(fù)合粉末，真空燒結(jié)制備了Ti3AlC2材料，其燒結(jié)致密化機制為燒結(jié)初期顆粒重排和燒結(jié)后期的物質(zhì)遷移擴散致密化機制。研究成果為鈦基復(fù)合材料的制備提供了重要的參考價值。相關(guān)創(chuàng)新成果已經(jīng)在《J.Mat.Process.Tech》、《J.Alloy.Compd》和《Electrochim.

Acta》等國內(nèi)國際期刊上發(fā)表論文多篇。5篇代表作及論文被《\o"GotoAdditiveManufacturingonScienceDirect"Addit.Manuf》、《Mater.Design》、《Powder.Technol》、《J.AlloyCompd》等國內(nèi)外高水平期刊引用，他引總次數(shù)為179次，其中SCI他引次數(shù)為177次，單篇最高SCI他引94次，研究工作獲得了該領(lǐng)域同行的廣泛關(guān)注與高度評價。四、客觀評價5篇代表作及論文被《\o"GotoAdditiveManufacturingonScienceDirect"Addit.Manuf》、《\o"GotoJournalofAlloysandCompoundsonScienceDirect"Mater.Design》、《Powder.Technol.》、《J.Alloys.Compd》、《Rare.Metals》等國內(nèi)外該領(lǐng)域高水平期刊引用，他引總次數(shù)為179次，其中SCI他引次數(shù)為177次，單篇最高SCI他引94次，研究工作獲得了該領(lǐng)域同行的廣泛關(guān)注與積極評價。在《JournalofMaterialsProcessingandTechnology》上發(fā)表的論文《PowderinjectionmoldingofTi-6Al-4Valloy》提出了新型水溶性粘結(jié)劑用于鈦合金粉末注射成形，降低殘余碳氧含量，有助于鈦合金的燒結(jié)致密化。致密化機制為燒結(jié)初期顆粒重排和擴散占主導(dǎo)地位，后期主要是大的β相晶粒析出α相出現(xiàn)相變致密化機制。鈦合金制品尺寸精度達(dá)到0.26％。論文被美國的俄勒岡州立大學(xué)、路易斯威爾大學(xué)、圣地亞哥州立大學(xué)、常州大學(xué)等單位引用。路易斯威爾大學(xué)KunalH.Kate教授課題組在《\o"GotoPowderTechnologyonScienceDirect"PowderTechnology》發(fā)表的論文《FactorsaffectingpropertiesofTi-6Al-4Valloyadditivemanufacturedbymetalfusedfilamentfabrication》中引用了本人鈦合金粉末注射成形脫脂坯體燒結(jié)致密化機制和較好力學(xué)性能。圣地亞哥州立大學(xué)German教授在《\o"GotoInternationalJournalofRefractoryMetalsandHardMaterialsonScienceDirect"InternationalJournalofRefractoryMetalsandHardMaterials》發(fā)表的論文《Titaniumsinteringscience:Areviewofatomiceventsduringdensification》中引用鈦合金燒結(jié)致密化機制。俄勒岡州立大學(xué)SomayehPasebani教授課題組在《\o"GotoAdditiveManufacturingonScienceDirect"AdditiveManufacturing》發(fā)表論文《Microstructure-propertyrelationshipinbinderjetproducedandvacuumsintered316

L》中引用粉末注射成形脫脂坯殘余碳、氧含量對塊體材料組織和性能的影響的觀點。常州大學(xué)的方必軍教授課題組在《\o"GotoCeramicsInternationalonScienceDirect"CeramicsInternational》上發(fā)表論文《EnhancingpiezoelectricityofPLZTceramicsbybismuthstearatecoatingviawater-solubledefattedpowderinjectionmolding》中引用粉末注射成形粘結(jié)劑成分對喂料流變性能和注射性能的影響的觀點。在《JournalofAlloysandCompounds》上發(fā)表的論文《Effectofsinteringprocessingonmicrostructure,mechanicalpropertiesandcorrosionresistanceofTi-24Nb-4Zr-7.9Snalloyforbiomedicalapplications》設(shè)計和提出了低彈性模量的β相-24Nb-4Zr-7.9Sn合金應(yīng)用于生物醫(yī)藥植入體，在人體模擬體液中表現(xiàn)良好的耐腐蝕性能，其腐蝕機制為典型的活化-鈍化特征，在鈦合金表面形成較致密的TiO2保護(hù)膜。論文被印度理工學(xué)院、澳大利亞陽光海岸大學(xué)、西南科技大學(xué)等單位引用。印度理工學(xué)院VinayKumarSingh教授課題組在《CeramicsInternational》發(fā)表的論文《EffectofreinforcingS53P4bioactiveglassonphysio-mechanicalandbiologicalpropertiesofTi8Nb2Fealloy》中引用了本人提出的β相鈦合金可以明顯降低其彈性模量和較好的力學(xué)性能的觀點。陽光海岸大學(xué)DamonKent教授課題組在《\o"GotoJournalofAlloysandCompoundsonScienceDirect"JournalofAlloysandCompounds》發(fā)表的論文《Microstructure,phasecompositionandmechanicalpropertiesofnew,lowcostTi-Mn-Nballoysforbiomedicalapplications》中引用本項目組提出的β相鈦合金燒結(jié)過程中相變致密化機制。南方科技大學(xué)余鵬教授課題組在《\o"GotoJournalofAlloysandCompoundsonScienceDirect"JournalofAlloysandCompounds》發(fā)表論文《FabricationofbiomedicalTi-24Nb-4Zr-8Snalloywithhighstrengthandlowelasticmodulusbypowdermetallurgy》中引用本項目組提出的β相鈦合金具有較低彈性模量和較好力學(xué)性能的觀點。在《Electrochim

Acta》上發(fā)表的論文《Influenceofporecharacteristicsonmicrostructure,mechanicalpropertiesandcorrosionresistanceofselectivelasersinteredporousTi–Moalloysforbiomedicalapplications》提出了采用選擇性激光成形技術(shù)制備低Mo含量的-Mo多孔鈦合金，探明了低合金的塑性變形機制，揭示了腐蝕機制為活化-鈍化特征。論文被捷克布爾諾理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)和吉林大學(xué)等單位引用。布爾諾理工大學(xué)Ond?ej?ervinek教授課題組在《\o"GotoJournalofMaterialsResearchandTechnologyonScienceDirect"JournalofMaterialsResearchandTechnology》發(fā)表論文《Non-lineardynamicfiniteelementanalysisofmicro-strutlatticestructuresmadebylaserpowderbedfusion》中引用了本項目組提出多孔鈦合金孔隙計算方法的觀點。哈爾濱工業(yè)大學(xué)謝國強教授課題組在《\o"GotoJournalofAlloysandCompoundsonScienceDirect"JournalofAlloysandCompounds》發(fā)表論文《TheinfluenceofporousstructureonthecorrosionbehaviorandbiocompatibilityofbulkTi-basedmetallicglass》中引用本項目組提出的β相多孔鈦合金具有較好腐蝕性能的觀點。吉林大學(xué)任露泉教授課題組在《\o"GotoJournalofAlloysandCompoundsonScienceDirect"MaterialsandDesign》發(fā)表論文《DirectinkwritingofporousFe-HAmetal-matrixcomposites(MMCs)withindependentlyadjustableporosityanddegradationrateforboneimplantapplications》中引用本項目組提出的多孔鈦合金存在點蝕腐蝕的觀點，并用實驗進(jìn)行驗證。五、代表作目錄序號代表作及論文名稱/刊名/作者影響因子年卷頁碼發(fā)表時間通訊作者第一作者國內(nèi)作者他引總次數(shù)SCI他引次數(shù)知識產(chǎn)權(quán)是否歸國內(nèi)所有是否代表作1PowderinjectionmoldingofTi-6Al-4Valloy/J.Mater.Process.Tech./GuoShibo,QuXuanhui,HeXinbo,ZhouTing,DuanBohua6.1622006,173(3):310-3142006.4.20GuoShiboGuoShibo郭世柏，曲選輝，何新波，周廷，段柏華。4847是是2Effectofsinteringprocessingonmicrostructure,mechanicalpropertiesandcorrosionresistanceofTi-24Nb-4Zr-7.9Snalloyforbiomedicalapplications/J.Alloy.Compd./GuoShibo,ChuAimin,WuHaijiang,CaiChunbo,QuXuanhui6.3712014,597:211–2162014.6.5GuoShiboGuoShibo郭世柏，儲愛民，吳海江，蔡春波，曲選輝。2120是是3PowderinjectionmoldingofpureTitanium/Rare.Metals./GuoShibo,DuanBohua,HeXinbo,QuXuanhui,2.1612009,28(3):261-2652009.6.20GuoShiboGuoShibo郭世柏，段柏華，何新波，曲選輝。1212是是4Influenceofporecharacteristicsonmicrostructure,mechanicalpropertiesandcorrosionresistanceofselectivelasersinteredporousTi–Moalloysforbiomedicalapplications/Electrochim

Acta/XieFangxia,HeXinbo,CaoShunli,MeiMin,XuanhuiQu7.3362013,105:121-1292013.8.30HeXinboXieFangxia頡芳霞，何新波，曹順利，梅敏，曲選輝。9494是是5FabricationofTi3AlC2

ceramicmaterialbymechanicalalloying/Rare.Metals./GuoShibo,KangQiping,LiuJun,QuXuanhui3.7842010,29(4):376-3792010.8.10GuoShiboGuoShibo郭世柏，康啟平，劉君，曲選輝。44是是合計179177六、主要完成人情況姓名排名職務(wù)職稱工作單位主要完成單位對本項目的貢獻(xiàn)郭世柏1無教授湖南科技大學(xué)湖南科技大學(xué)作為項目第一完成人，是重要科學(xué)發(fā)現(xiàn)(1)、(2)、(3)的主要完成人，是代表作(1)、(2)、(3)、(5)的第一作者和通訊作者。學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)有：開發(fā)了鈦合金粉末注射成形用高效水溶性粘結(jié)劑，探明了殘余碳氧含量對鈦合金組織和性能的影響規(guī)律，揭示了鈦及其合金粉末燒結(jié)致密化機制；探明了β相Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn合金燒結(jié)致密化機制和腐蝕機制；揭示了Ti3AlC2復(fù)合材料的燒結(jié)致密化機制。在該項目研究中的工作量約占70%。何新波2院長教授北京科技大學(xué)北京科技大學(xué)作為項目第二完成人，是重要科學(xué)發(fā)現(xiàn)(2)的主要完成人，是代表作(4)的通訊作者。學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)有：探明了孔隙特性對生物醫(yī)用鈦合金組織和性能的影響規(guī)律，揭示了多孔鈦合金的塑性變形機制。在該項目研究中的工作量約為20%。頡芳霞3無副教授湖南鑫聚利機械有限公司北京科技大學(xué)作為項目第三完成人，是重要科學(xué)發(fā)現(xiàn)(2)的重要參與人，是代表作(4)的第一作者。學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)有：建立了孔隙特性對生物醫(yī)用鈦合金組織和性能的影響規(guī)律，探明了多孔鈦合金的塑性變形機制，揭示了鈦合金在人體模擬體液中的腐蝕機理。在該項目研究中的工作量約為10%。七、主要完成單位情況本項目主要完成單位為湖南科技大學(xué)和北京科技大學(xué)。湖南科技大學(xué)作為項目第一完成單位，制定了項目的研究目的、研究內(nèi)容、研究思路以及研究方案等，對高性能鈦合金及其復(fù)合材料組織調(diào)控技術(shù)進(jìn)行了深入研究，取得了一系列重要成果。開發(fā)了鈦合金粉末注射成形用高效水溶性粘結(jié)劑，探明了殘余碳氧含量對鈦合金組織和性能的影響規(guī)律，揭示了鈦及其合金粉末燒結(jié)致密化機制；探明了β相Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn合金燒結(jié)致密化機制和腐蝕機制；揭示了Ti3AlC2復(fù)合材料的燒結(jié)致密化機制。研究成果為可控制備高性能鈦合金及其復(fù)合材料提供了重要的參考價值，解決了鈦合金粉末注射成形中如何有效控制殘余碳氧含量的應(yīng)用難題。北京科技大學(xué)作為第二完成單位，為本項目的實施與開展提供了主要的實驗場地和項目資金支持，在資源配置和調(diào)研交流等方面也提供了大力支持。在國家“863”計劃、“973”計劃和國家自然科學(xué)基金項目資助下，對鈦合金粉末注射成形工藝及其燒結(jié)致密化進(jìn)行了深入研究，取得了一系列重要成果。探明了孔隙特性對生物醫(yī)用鈦合金組織和性能的影響規(guī)律，揭示了多孔鈦合金的塑性變形機制，提出了鈦合金在人體模擬體液中的腐蝕機理。研究成果為分析多孔生物醫(yī)用鈦合金的增材制造及其腐蝕機理提供了一個全新的角度。八、主要完成人合作關(guān)系說明項目依托湖南科技大學(xué)和北京科技大學(xué)，在郭世柏教授牽頭的項目組成員共同努力下，圍繞高性能鈦合金及其復(fù)合材料制備技術(shù)開展了較為長