基于前驱团簇演变及纳米粒子网构筑的耐热高强铝合金的基础研究
结题报告
批准号:
51731007
项目类别:
重点项目
资助金额:
300.0 万元
负责人:
刘相法
依托单位:
学科分类:
E0102.金属材料制备与加工
结题年份:
2022
批准年份:
2017
项目状态:
已结题
项目参与者:
秦敬玉、韩延峰、聂金凤、高通、陆树生、徐钧、赵永峰、马霞、胡恺琪
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中文摘要
项目提出在铝熔体中原位合成热稳定性好的AlN、Al3BC等纳米粒子,并构筑三维网骨架结构,以大幅提高铝合金高温力学性能的新思路,研制出耐热高强铝合金材料新体系,满足现代发动机制造、航空航天和国防等领域轻量化发展和材料转型升级的紧迫需要。拟利用液态金属X射线衍射仪等分析手段,研究多相铝熔体中原位生成纳米粒子的前驱团簇演变与孪晶诱导纳米粒子网构筑机制;采用微聚焦X射线原位观测和三维表征技术,阐明粒子网骨架构成单元网胞的结构及其相互联结方式;基于三维网骨架中纳米粒子间的孪晶结合方式及高分辨原位表征手段,研究三维网骨架与铝基体间的界面结构及其调控机制;从网状三维结构、粒子与基体界面结构、载荷传递、骨架与基体协调变形、裂纹萌生与扩展及材料高温断裂失效模式等角度入手,揭示纳米粒子网对基体的高温强化机制。研究工作为高耐热高强铝合金新材料的研制提供理论支撑,具有重要的科学意义和应用价值。
英文摘要
In this work, a novel thinking is developed by in situ building a three-dimensional network structure consisted of thermal stability nano-particles like AlN, Al3BC synthesized in Al melts, aiming to significantly improve the elevated-temperature mechanical properties of aluminum alloys and meet the imperative requirement for engine manufacturing, aerospace, national defense etc. The evolution of precursor clusters during in-situ synthesizing nano particles and the forming principle of twin-induced three-dimensional network will be demonstrated, characterizing by liquid X-ray Diffraction. Utilizing micro focus X-ray radiography setup and three dimensional observations, the structure of net cell which is basic unit of the network and their mutual connection relationship will be illuminated. Based on in-situ high resolution characterization of the twin-bonding between nano particles in the network, the investigation and control of interface between the three-dimensional network structure and aluminum matrix will be conducted. Moreover, the strengthening mechanism of the network will be figured out by analyzing the network shape and deformation performance at elevated temperatures, particle/Al matrix interface structure, crack initiation and expansion, load transmitting and fracture failure modes at elevated temperatures. This work is regarded of great significance in both science and engineering, acting as a theoretical supporting for developing high-performance heat resistance light-metal based materials.
高端制造领域对铝合金的耐热性能和高温强度要求越来越高,然而受强化相高温不稳定、耐热相构型不可控、耐热相与基体不匹配三大关键共性问题的制约,耐热高强铝合金研究长期以来难以取得实质突破。本项目以高热稳定性的AlN、TiCB、Al3BC等纳米粒子为研究对象,提出在铝熔体中原位合成该类粒子并原位构筑三维网骨架来高温强化铝合金的新思路。主要研究内容为:揭示铝熔体中前驱团簇演变与三维纳米粒子网骨架构筑机制;阐明纳米粒子网骨架对铝基体的高温强化机制与设计准则;提出纳米粒子在铝熔体中的原位合成调控技术;研制新一代耐热高强铝合金和微纳米晶种合金新材料。. 项目的主要研究结果为:(1)突破了B/C/N在铝熔体溶解度局限,实现了AlN、TiCB、Al3BC等纳米粒子的可控反应合成与三维网骨架构筑。(2)基于熔体前驱原子团簇-晶体间结构相关性研究,阐明了AlN骨架的原位构筑机制。(3)建立了耐热高强铝合金的“三化”设计准则,即耐热粒子纳米化、基体晶粒超细化、微纳晶界骨架化。(4)揭示了形核衬底TiCx与α-Al间晶体学位向关系为:[011]Al//[011]TiCx,(111)[011]Al与(111)[011]TiCx呈 21°夹角,提高了晶格匹配度;提出了TiCx与Al界面处富Ti过渡层形成的关键阈值x为0.92,当x<0.92时,TiCx在铝熔体中可连续释放Ti溶质,以促进富Ti过渡层的形成。(5)发明并研制出Al-TiCB等晶种合金并实现了工业化应用。(6)研制了系列耐热高强铝合金等新材料,研发的耐热高强铝合金350℃拉伸强度达217 MPa,400℃拉伸强度达177 MPa。. 项目的科学意义:前驱团簇演变调控拓展了金属熔体研究领域;耐热高强铝合金设计准则的建立为高性能轻合金材料研究开辟了新思路。项目的工程价值:耐热高性能铝合金为高功率密度发动机、5G基站、空天飞行器、国防军工等装备领域轻量化提供了材料支撑;Al-TiCB等晶种合金的研制为铝合金材料转型升级提供了有利“抓手”。项目组发表期刊论文72篇,其中SCI收录69篇,EI收录3篇;授权国家发明专利16项,申请美国专利1项;会议报告49个;制定国家团体标准1项,企业标准2项;成果转化4项共计100万元;获山东省首届“创业齐鲁·共赢未来”高层次人才创业大赛优胜人选。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
DOI:10.1016/j.mtla.2019.100333
发表时间:2019-06
期刊:Materialia
影响因子:3.4
作者:Huabing Yang;Tong Gao;Guiliang Liu;Xiaojun Zhao;Houwen Chen;Haichao Wang;Jinfeng Nie;Xiangfa Liu
通讯作者:Xiangfa Liu
DOI:10.1080/21663831.2021.1891150
发表时间:2021-06
期刊:Materials Research Letters
影响因子:8.3
作者:Yue Yang;Xiang Chen;Jinfeng Nie;Kang Wei;Qingzhong Mao;Fenghua Lu;Yonghao Zhao
通讯作者:Yonghao Zhao
A new insight into heterogeneous nucleation mechanism of Al by non-stoichiometric TiCx
非化学计量 TiCx 对 Al 异相成核机制的新见解
DOI:10.1016/j.actamat.2022.117977
发表时间:2022-05-07
期刊:ACTA MATERIALIA
影响因子:9.4
作者:Yang, Huabing;Qian, Zhao;Liu, Xiangfa
通讯作者:Liu, Xiangfa
Key roles of particles in grain refinement and material strengthening for an aluminum matrix composite
颗粒在铝基复合材料晶粒细化和材料强化中的关键作用
DOI:10.1016/j.msea.2020.140414
发表时间:2021-01-13
期刊:MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING A-STRUCTURAL MATERIALS PROPERTIES MICROSTRUCTURE AND PROCESSING
影响因子:6.4
作者:Nie, Jinfeng;Liu, Yanfang;Zhao, Yonghao
通讯作者:Zhao, Yonghao
DOI:10.1016/j.msea.2018.04.053
发表时间:2018-05-30
期刊:MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING A-STRUCTURAL MATERIALS PROPERTIES MICROSTRUCTURE AND PROCESSING
影响因子:6.4
作者:Xu, Qingfei;Ma, Xia;Liu, Xiangfa
通讯作者:Liu, Xiangfa
高强耐热Al-Si系多元合金耐热相构型调控及骨架化高温强化机制的研究
  • 批准号:
    U2241230
  • 项目类别:
    联合基金项目
  • 资助金额:
    259.00万元
  • 批准年份:
    2022
  • 负责人:
    刘相法
  • 依托单位:
铝熔体中TiCx@TCB核壳的结构调控及其对α-Al免疫形核机制的研究
  • 批准号:
    52071189
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    58万元
  • 批准年份:
    2020
  • 负责人:
    刘相法
  • 依托单位:
Al-Si-X-P系合金熔体AlP团簇吸附效应与不稳定性的研究
  • 批准号:
    51571133
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    62.0万元
  • 批准年份:
    2015
  • 负责人:
    刘相法
  • 依托单位:
铝熔体中碳质粒结构演变与原位生成SiC渐进式反应机制的研究
  • 批准号:
    51271101
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    80.0万元
  • 批准年份:
    2012
  • 负责人:
    刘相法
  • 依托单位:
碳空位及硼氮掺杂对TiCx结构稳定性和形核能力的影响
  • 批准号:
    51071097
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    39.0万元
  • 批准年份:
    2010
  • 负责人:
    刘相法
  • 依托单位:
钛化物/铝熔体界面过渡区结构及其演化的研究
  • 批准号:
    50171037
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    21.0万元
  • 批准年份:
    2001
  • 负责人:
    刘相法
  • 依托单位:
国内基金
海外基金