1、项目名称： 高性能金属材料控制凝固与控制成形的科学基础首席科学家： 谢建新 北京科技大学起止年限： 2011.1至 2015.8依托部门： 教育部二、预期目标1 总体目标推动我国材料先进制备与成形加工技术的发展，满足国家可持续发展战略，以及国家经济、社会发展对 高性能金属材料和产品的重大需求，为节约资源、降低能耗、保护环境等做出积 极贡献。具体包括： 发展金属材料控制凝固与控制成形的新原理与新方法，满 足高新技术发展与国防建设的需求； 发展适合于工业应用的金属材料控制凝固与控制成形技术原型，满足传统结构材料向高性能化、复合化、结构功能一体化发展的需求； 发展智能化精确控制制备与成形加工的新原理
2、与新方法，构建基本理论框架，促 进前沿技术与材料科学与工程学科自身的发展。通过系统研究高性能金属材料控制凝固与控制成形的共性关键科学问题，发展与完善“ 强制凝固过程的 传质传热行为与组织 形成原理” 、“制备与成形加工全过程的组织遗传特征及其控制理论”、“材料组织-性能-构形的一体化智能控制理论”三项基 础理论，取得创新性研究成果。在基础理论研究的指导下，发展制备加工共性关键技术，在高性能金属材料短流程制备加工的精确控形控性、高质量工业应用关键技术上取得突破，开发 5 种具有国际先进水平和自主知识产权的新技术与新工艺原型，包括：高性能非晶复合材料的低成本制备与成形加工技术；大体积金属熔体强制均
3、匀凝固技术；直接喷射沉积制备无余量或少余量高合金化工模具技术；高性能脆性难加工材料高效制备加工技术；双性能材料激光熔化沉积成形一体化制备技术。同时，开拓材料智能制备成形技术这一新的学科方向，建立理论和技术基础，发展全过程组织性能与形状尺寸精确控制的新原理和新方法。其中部分新技术与新工艺将与国家其他项目的实施相结合，达到工业示范水平。开发特种双性能材料、飞机大型整体承力件、高强铝合金大型构件、高取向高硅电工钢、大应变磁致伸缩材料、新型高比 强结 构材料等高性能材料， 满足国家重大需求。通过项目实施，培养和引进优秀青年科技人才， 发展和壮大材料制备加工技术领域的创新型研究队伍，形成若干个国家级、省
4、部级创新团队，巩固基 础研究和技术创新基地。2 五年预期目标通过系统深入的研究，构建基础理论体系，形成关 键示范技术， 实现总体预期目标。具体包括：（1）非晶复合材料控制凝固与成形的基础研究：建立多元合金非晶形成的原子尺度理论，揭示非晶合金的微 观组织与性能之间的关系；阐述合金熔体控制凝固过程中析出相的类型与顺序、析出相的 结构特征及其对剩余液相非晶形成能力的影响规律，以及非晶复合材料的成形加工特性；开发高性能非晶复合材料的低成本制备与成形加工技术。（2）大体积金属熔体强制均匀凝固与控制成形技术基础：开发多元合金大型铸锭及大型构件的组织和成分均匀控制与成形一体化技术，建立大体积金属熔体强制均匀
5、凝固精确控制理论框架，发展高合金材料控制凝固与控制成形的新原理和新方法；在多元高性能铝合金大型铸锭及大型构件的制备与成形加工、实现以铝代钢、以铸代锻方面取得突破。（3）高性能工模具钢分散凝固与控制成形的科学基础：探明喷射成形大尺寸工模具钢沉积坯的组织与形状控制机理， 雾化熔滴与模具基板交互作用机理和质量控制原理，缺陷的形成演化规律及其控制原理；发展高性能大尺寸沉积坯制备和精密喷射沉积直接成形模具的技术原型，开发高性能工模具钢材料和模具产品。（4）脆性难加工材料精确控制制备加工的基础研究：揭示脆性难加工材料的韧脆转变机理、微结构对合金本征脆性的影响 规律、加工过程中微结构的演变规律，建立脆性难加
6、工材料微 结构的精确调控理论框架，阐明成形加工工艺对脆性材料变形能力的影响，发展脆性 难加工材料控制凝固与控制成形的新原理与新方法；开发脆性难加工高性能金属材料高效制备加工的工业化技术原型。（5）双性能材料制备与成形一体化的技术基础：解决双性能材料激光熔化沉积成形一体化制备的基础问题，建立双性能材料激光熔化沉积制备与成形的一体化控制方法及组织性能调控理论；发展成分、组织性能与形状尺寸精确控制的双性能材料及结构的智能化制备新技术，开发 23 种新型双性能材料和结构。（6）金属材料智能制备成形技术的基础研究：发展金属材料智能制备成形的新原理和新方法，开发 2 3 种适合于工业应用的材料智能制备成形
7、技术原型；在制备加工处理全过程组织遗传模型的建立、优化工艺方案的制定、成分与组织的在线控制、成形过程的精确控制等方面 获得初步应用，为建立现组织、性能和构形的智能化控制技术奠定基础。（7）具体指标：开发 5 种具有国际先进水平和自主知识产权的新技术与新工艺原型，其中部分技术将与国家其他项目的实施相结合，达到工业示范水平。预计五年间发表高水平学术论文 300 篇以上，申请国家发明专利 100 项以上，获得省部级以上科技成果 奖励 68 项；发展和壮大材料制备加工技术领域的创新型研究队伍，培养和引 进优秀青年科技人才（如千人计划、杰出青年基金、长江学者、百人计划等）5 人以上，培养博士研究生 20
8、 人、 硕士研究生 50 人以上；形成若干个国家级、省部级创 新团队；巩固基础研究和技术创新基地。三、研究方案1 学术思路提出控制凝固与控制成形的新思路，其特点是基于材料的使用（或设计）要求，对凝固、成形加工与热处理等过程中的组织结构与形状尺寸施加积极、精确控制，实现 材料的高性能、高质量、高效率制 备加工。 选择最有可能实现控制凝固与控制成形的三条典型技术途径，即强制冷却控制成形、分散凝固控制成形、微结 构调控增塑成形，围绕 3 个共性基础科学问题 ，开展深入研究， 发展控制凝固与控制成形的基础理论、新原理与新方法，在解决 5 种先进短流程制备加工技术的精确控形控性、高质量工业应用相关基础理
9、论及关键技术等方面取得新的突破，开发几种典型的高性能金属材料。同 时， 结合学科发展前沿，探索实现材料制备与成形加工过程精确控制的智能化技术基础理论、基本原理与实现方法。通过本项目的研究，为满足国民经济建设、高新技术发展以及材料科学与工程学科自身发展的重大需求做出贡献。典型高性能金属材料分散凝固|控制成形微结构调控增塑成形强制冷却|控制成形控制凝固与控制成形实现技术途径思路创新方法创新建立理论3 个科学问题5 种技术 开发新技术应用突破图 1 项目学术思路2 技术路线本项目研究拟采用如图 2 所示的技术路线。从所选择的典型高性能金属材料的使用要求出发，采用成分 -微结构-工艺-形状尺寸一体化设
10、计原理，以理论分析与实验研究为主，并通过过 程模拟与仿真、智能化控制理论与方法研究，突破凝固、成形、变 形加工与热处理等过程精确控制核心 问题，开 发高质量、高效率控制凝固与控制成形技术原型，达到发展高性能金属材料与产品的目的。图 2 项目技术路线3 特色与创新点本项目是在国家 973 计划项目（材料短流程制备与成形加工的科学技术基础，2010 年结题）基础理论研究、系列先进短流程高效制备加工技术开发的基础上，进行集中、深化和发展。重点选择其中几种发展前景好的典型先进短流程技术开展深入研究，将其应用对象延伸到对国家经济建设和高新技术发展具有重大意义的若干高性能金属材料，以凝固与成形加工全过程的
11、精确控制为主线，研究共性基础科学问题，发展控制凝固与控制成形的基础理论、新原理与新方法，在解决典型先进短流程制备加工的精确控形控性、高质量工业应用相关基础理论及关键技术， 满足国家重大需求 等方面取得新的突破。主要创新点如下：（1）提出高性能金属材料控制凝固与控制成形的新思路，构建基础理论，发展新原理与新方法。以实现相的组成、晶粒形状与大小、晶界形貌、取向结构的精确控制为目标，成分-微结构-工艺-形状尺寸设计凝固、成形加工、热处理过程精确控制过程模拟与仿真理论与实验研究高质量、高效率控制凝固与控制成形技术原型开发应用需求高性能金属材料与产品智能化控制理论与方法研究外场与工艺调控共同作用下多元高
12、合金在凝固、成形、加工处理全过程中的组织形成、遗传演化的机理与规律，构建控制凝固与控制成形的基础理论， 发展新原理与新方法。（2）提出通过非晶相与塑性析出相原位复合，制备高比强非晶结构材料的新思路。通过凝固过程中析出相的类型与析出顺序、相的形核与长大的精确控制，开发非晶相与塑性析出相原位复合、具有工程塑性变形能力的高性能非晶复合材料，为非晶材料的工程化应 用开辟新的途径。（3）提出强制均匀凝固的新思路，实现成分、 组织均匀的大型铸件的控制凝固与控制成形。采用“熔体分散 -汇聚-整体控制凝固”的大体积熔体控制凝固技 术途径，通过强制均匀凝固提高熔体的有效形核数目，实现凝固组织的精确控制，发展高性
13、能大型铸件和铸坯控制凝固与控制成形的新原理与新方法。（4）提出积极利用和发展组织异向性，并通过微结构精确调控，开发脆性材料增塑成形加工技术。突破传统金属材料组织控制模式，积极利用和发展组织异向性，并通过凝固、成形加工与热处理全过程的微结构精确调控，显著提高脆性材料的低温与室温加工变形能力，开发适合于工 业应用的脆性材料增塑成形加工技术原型。（5）瞄准学科前沿，发展材料设计制备成形加工智能化一体控制理论与方法。充分利用喷射成形、激光快速成形等方法分散凝固、逐步成形的技术特点，实现高性能金属材料控制凝固和控制成形一体化制备，发展材料设计制备成形加工智能化一体控制理论与方法。4 取得重大突破的可行性
14、分析（1）研究目标和内容符合国家重大需求本项目选择在国民经济建设和高新技术发展中意义重大、应用前景广泛的高性能金属材料作为重点研究对象，符合国家重大需求。例如，非晶复合材料、双性能涡轮盘、大型整体承力件、高性能大型铝合金构件是航天航空、交通运 输、国防武器装备的关键材料，高性能工模具材料是现代制造业的关键材料，高硅电工钢等是能源工业发展和节能降耗的关键材料。这些材料具有性能优异、用途关键、技术含量高、附加值高等特点，是国 际上研究开 发与竞争的热点。然而，这些材料由于合金组元多、 组织结构复杂、凝固与成形加工控制难度大等特点，采用传统的制备 加工方法，生 产效率低，产品形状尺寸和质量均难以达到
15、工业应用要求，限制了其广泛应用。研究开 发这 些高性能金属材料的高质量、工业化制备加工技术，具有重要意义。（2）良好的前期工作基础本项目在前期材料短流程制备加工技术研究开发工作的基础上，重点选择其中几种发展前景好的典型先进短流程技术开展深入研究，如强制均匀凝固技术、熔体分散控制凝固技术 、脆性材料精确控制高效成形加工技术、制 备与成形加工一体化技术等；将新技术的应用对象延伸到对国家经济建设和社会发展具有重大意义的若干高性能金属材料，如双性能涡轮盘、飞机大型整体承力件、高 强铝合金大型铸构件、高取向高硅电工钢、新型高比 强结 构材料等；突出发展高性能金属材料控制凝固与控制成形的新原理与新方法的重
16、点，在解决典型短流程制备加工的精确控形控性、高质量工业应用相关基础理论及关键技术等方面取得新的突破，开发适合于工 业应用的高效制备加工工艺技术原型。本项目的研究工作思路体现了在前期工作的基础上进行集中、深化和发展的特点。前期工作既为本项目的研究工作打下了良好的基础，也证明了取得重大突破的技术可行性。（3）坚实的学科基础本项目的研究工作所涉及的冶金热力学、物理冶金学、结晶动力学、相 变动力学、塑性加工理论、传热传质理论以及数值模拟方法等近年都有了长足的发展，为本项目的完成提供了有力的学科基础。近 20 年来，材料制备加工科学是国内外材料科学与工程领域最活跃研究方向之一，取得了丰硕的成果，积累了大
17、量的经验，可 为本项目的研究提供有益的借鉴和参考。在此基础上，开展有 选择的重点研究攻关，经过努力，有把握在关键科学问题和关 键技术上取得突破。（4）优良的研究队伍和条件基础主要参加单位和研究队伍是国内材料科学与工程领域中与本项目研究内容密切相关的、具有综合实力和 优势研究基础的群体。拥有 2 个国家（联合）实验室、4 个国家重点实验室和 3 个国家工程（技术）研究中心，具有相对先进齐备的制备、成形与加工装备和测试分析手段，是国内主要材料研究开发基地的强强联合。研究队伍以青年科研骨干为主体、老中青相结合，其中大部分成员都是前期 973 计划项目的研究骨干，具有较 高的研究水平和丰富的研究经验，
18、经过磨合形成了能相互配合、协调攻关的创新团队。通 过精心的组织、协调和共同努力，能够按期完成项目研究目标。5 课题设置本项目拟设置 6 个课题开展协同研究。6 个课题的共同主线是：金属熔体/熔化 控制冷却 控制凝固 控制成形，如图 3（a）所示。在实现控制冷却的方式上，课题 、和 采用分散冷却、汇聚后控制凝固的方式，其余 课题则采用整体控制冷却的技术方式。除课题 外，其余 课题所研究的高性能金属材料在凝固成形后，一部分还需进行变形加工和热处理，以 进一步 调控材料的微结构和形状尺寸，以满 足多样性的最终使用要求。6 个课题之间的内在关联如图 3（b）所示。（a） （b）图 3 课题设置思路（数
19、字代表课题号）课题一 非晶复合材料控制凝固与成形的基础研究研究目标：建立多元非晶合金形成的原子尺度理论，并能预测最佳非晶形成能力范围；揭示非晶合金的原子堆积和微观组织的多样性对非晶合金性能的影响，为非晶复合材料的成分设计提供理论依据；通过调控合金熔体凝固过程中析出相的类型与析出顺序、析出相的形核、长大和分布，以及剩余液相部分的非晶形成能力，制备具有工程塑性变 形能力、高性能内生 韧性析出相/非晶原位复合材料；研究非晶复合材料的加工变形特性，开发适合于工程应用的成形加工技术。研究内容: 采用离子束混合和计算机模拟方法研究多元合金系统的非晶形成规律、结构及相关性能；原子间的互作用势、原子尺度模拟方
20、法、非晶合金的 结构表征，以及金属熔体结构和非晶合金的微观结构与力学性能之间的关系；高性能非晶复合材料制备过程中析出相的形核、长大和析出相的类型与析出顺序对液态金属非晶形成能力的影响规律，阐述合金熔体凝固过程中非晶复合材料组织形成规律及控制原理；非晶复合材料微观结构与性能之间的关系；非晶复合材料在过冷液态区的流变行为与成形加工特性。承担单位：中国科学院金属研究所、清华大学、沈阳工业大学课题负责人：张海峰，47 岁，博士，研究员，中国科学院金属研究所主要学术骨干：柳百新，胡壮麒，李家好，邱克强经费比例：18.3课题二 大体积金属熔体强制均匀凝固与控制成形技术基础研究目标：采用“ 熔体分散 -汇聚
21、- 整体控制凝固”的新方法，建立大体积金属熔体强制均匀凝固精确控制理论框架，发展高合金材料控制凝固与控制成形的新原理与新方法；为实现高性能金属材料从固态成形向凝固成形转变的短流程成形方式提供理论和技术基础；在多元高性能铝合金大型铸锭及大型构件（以铸代锻）的应用上取得突破，以 满足国家经济建设和国家重点工程对高性能金属材料的重大需求。研究内容：强制均匀凝固过程中的形核机制与控制原理，温度场、成分场对有效形核数目的影响规律，有效形核数目与凝固组织的关系，有效形核的控制模型；大体积金属熔体强制均匀凝固过程中多物理场分布的数值模拟分析及控制技术，大体 积金属熔体连续分散 处理、 汇聚后整体控制流 变成形过程中各阶段的温度控制技术；高合金化的大尺寸铝合金铸锭和大型铝合金构件的强制均匀凝固控制与成形一体化技术研究及其初步应用研究。承担单位：北京有色金属研究总院、北京科技大学课题负责人：徐骏，55 岁，博士，教授级高工，北京有色金属研究总院主要学术骨干：康永林，毛卫民， 张志峰，刘国 钧经费比例：18.3课题三 高性能工模具钢分散凝固与控制成形的科学基础研究目标：深入研究典型高合金化工模具钢材料在分散凝固及直接沉积精密
