包晶合金凝固理论及过程控制基础

1、2017年教育部自然科学奖推荐项目公示材料1、项目名称：包晶合金凝固理论及过程控制基础2、推荐奖种：自然科学奖3、推荐单位：哈尔滨工业大学4、项目简介：包晶合金是应用非常广泛的工程合金，如航空发动机叶片材料Ti-AI、不锈钢Fe-Ni-Cr、磁性材料Nb-Fe-B、超导材料Y-Ba-Cu-0等。包晶合金凝固过程会 出现典型的包晶反应：液相+初生相-包晶相。初生相和包晶相 相近相争”的生 长特性，导致包晶凝固经历较长的非稳态初始过渡，引起组成相及组织形态之 间竞争与选择的多样性。但这些竞争选择的物理过程还不清楚。2008年，国际著名凝固科学家Kurz在总结进入二十一世纪以来凝固科学技术取得的重要

2、进展 时指出，包晶凝固理论研究仍是今后凝固科学的主要方面之一。本项目将包晶 合金宏观上分为两大类，即非小平面包晶合金和小平面包晶合金，针对这两大 类合金，围绕以下具体内容开展了系统深入的研究。(1) 包晶凝固相及组织选择。通过综合考虑溶质分凝及界面过冷，推导出描 述各种相临界生长条件的7个数学解析式，建立了从初始过渡向稳态生长发展整 个过程的相及组织选择理论模型，获得了带状组织、共生组织存在范围对生长条件的依赖关系，解决了包晶凝固初始过渡阶段相及组织演化预测问题，填补 了理论空白。(2) 非小平面类包晶合金包晶反应动力学及两相生长机理。通过对Fe-Ni、Cu-Ge等非小平面类包晶合金进行系统研

3、究，发现了包晶反应三相交接区内初 生相的凝固、重熔与再凝固过程，建立了非小平面类包晶反应动力学模型，获 得了包晶反应对包晶两相共生生长形态稳定性影响规律，建立了包晶非等温共 生生长模型，定量预测其稳定形成区间，为包晶系共生复合材料制备提供了理论和技术依据。(3) 小平面类包晶合金包晶反应模式与机理。利用高温度梯度定向凝固实验，揭示了温度梯度区域熔化(TGZM)驱动重熔与再凝的小平面包晶反应动力学 本质，首次发现了 TGZM效应引起的一种全新的 分离式”包晶反应；结合溶质 守恒与Fick扩散定律，建立了 分离式”包晶反应物理模型和数学模型。该成果的意义在于可以通过合理设计凝固参数而得到我们所期望

4、的组成相，如，得到 全部初生相或全部包晶相。(4) 包晶合金结构与性能一体化控制。针对工程上急需的TiAl等包晶合金，禾I用定向凝固技术，揭示了液固、包晶和固固耦合相变下成分、组织、取 向与性能的历史相关性，提出了凝固路径控制法和自籽晶法的晶体取向控制技 术，实现了领先相择优生长和片层特定取向排列的同步控制，大幅度提高了 TiAl基合金的室温塑性和强度。本项目相关成果在国际著名期刊 Acta Materialia、Applied Physics Letters、 Scientific Reports、Journal of Crystal Growth等上发表 SCI论文 268篇，总引用 14

5、20次，SCI他引611余次。在Web of Scienc佥索 包晶凝固”论文中，本项目论 文数量排名世界第1。关于包晶合金凝固的研究成果汇集到傅恒志院士专著先 进材料定向凝固和航空航天材料定向凝固、工信部十二五”规划教材包晶合金定向凝固。在国际学术会议上做主旨和邀请报告共26次。授权发明专利23项。5、主要完成人情况表(1)李新中，排名1,副教授，工作单位：哈尔滨工业大学，完成单位：哈尔滨工业大学对本项目创造性贡献：a建立了包晶凝固从初始过渡向稳态生长发展整个过程的相及组织选择理论 模型，解决了包晶凝固初始过渡阶段相及组织演化预测问题，填补了理论 空白。b揭示了温度梯度区域熔化(TGZM)驱

6、动重熔与再凝的小平面包晶反应动力学 本质，首次发现了 TGZM效应引起的一种全新的分离式”包晶反应。c.利用定向凝固技术，揭示了 TiAl包晶合金液固、包晶和固固耦合相变下成分、组织、取向与性能的关联机制，提出了自籽晶”晶向控制技术，实现了领先相择优生长和片层特定取向排列的同步控制。对发现点1和3做出主要贡献，对发现点2、4做出重要贡献。代表性论文 1，3-10，该项目工作占工作量的 80%。曾获国家科技奖励情况：无陈瑞润，排名2,教授，工作单位：哈尔滨工业大学，完成单位：哈尔滨工业大学对本项目技术创造性贡献：a.创造性地将冷坩埚定向凝固方法应用于TiAl基包晶合金定向凝固，使定向凝固Ti-4

7、7AI-2Cr-2Nb室温最高抗拉强度达到 687.0 MPa，最高延伸率可达 4.2%，较其它方法制备合金的强度提高20.0%以上，延伸率提高 110%以 上，充分证明该方法有望解决 TiAl基包晶合金室温塑性低的应用障碍。属 重要科学发现4。本人是代表性论文2、7的作者之一。曾获国家科技奖励情况：无(3) 骆良顺，排名3,副教授，工作单位：哈尔滨工业大学，完成单位：哈尔滨 工业大学对本项目创造性贡献：a.通过对非小平面类包晶合金进行系统研究，发现了包晶反应三相交接区内初 生相的凝固、重熔与再凝固过程，建立了非小平面类包晶反应动力学模型， 获得了包晶反应对包晶两相共生生长形态稳定性影响规律，

8、建立了包晶非等 温共生生长模型，定量预测其稳定形成区间，为包晶系共生复合材料制备提 供了理论和技术依据。属重要科学发现 2。本人是代表性论文4、5的作者之一。曾获国家科技奖励情况：无(4) 王亮，排名4,副教授，工作单位：哈尔滨工业大学，完成单位：哈尔滨工业大学对本项目创造性贡献：a.开发了 Ti-44AI-6Nb-1.0Cr-2.0V-0.15Y-0.1B包晶合金，揭示了合金定向凝固 组织演变，并发现其单向室温抗拉强度和延伸率分别为660 MPa和1.35%，较原铸锭分别提高37.5%和100%，900C时分别达到526 MPa和24%，属 重要科学发现4。本人是代表性论文10的作者之一。曾

9、获国家科技奖励情况：无(5) 苏彦庆，排名5,教授，工作单位：哈尔滨工业大学，完成单位：哈尔滨工业大学对本项目创造性贡献：a.计算了 Ti-Al等典型包晶合金的选择图，获得了初生相/包晶相分别以单相平 -胞-枝生长、包晶两相带状生长和共生生长的工艺参数范围，为包晶合金凝 固组织分析和控制提供了理论基础和技术依据。本人是代表性论文1,3-10的作者之一。曾获国家科技奖励情况：2003年获教育部科技进步一等奖(排名 2)(6) 郭景杰，排名6,教授，工作单位：哈尔滨工业大学，完成单位：哈尔滨工业大学对本项目创造性贡献：a.前瞻性规划了本项目研究的科学问题，全面指导本项目的开展。 本人是代表性论文1

10、-10的作者之一。曾获国家科技奖励情况：2003年获教育部科技进步一等奖(排名 1)6、代表性论文专著目录1.不超过10篇代表性论文、专者序 号论文、专者名称/刊名/作者影响因子年卷页 码年（卷）：页码发表 年月通讯作 者/第一 作者（中文名）SCI他 引 次 数他 引总 次 数是 否 国 内 宀兀 成1定向凝固包晶合金带状组 织形成机制及相选择I: 定向凝固包晶合金带状组 织形成机制.金属学报李 新中，郭景杰，苏彦庆， 吴士平，傅恒志0.4822005,41(6):593-5982005.06李新中/李新中914是2Directional solidification of tita niu

11、m 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.1.6252005,59(7):741-7452005.03陈瑞润/丁宏升39是3Microstructure select ion duri ng the direct ion ally peritectic solidification of Ti-Al bi nary

12、system, In termetallics. Yanqing Su, Chang Liu, Xin zho ng Li, Jingjie Guo, Ban gshe ng Li, Jun Jia, Hen gzhi Fu.2.2192005, 13:267-2742005.03苏彦庆/ 苏彦庆2132是4Well alig ned in situ composites in directi on ally solidified Fe-Ni peritectic system, Applied Physics Letters. Yanqing Su, Lia ngshu n Luo, Xin

13、 zho ng Li, Ji ngjie Guo, Huimin Yang, Hen gzhi Fu.3.7942006, 89:1-32006.12骆良顺/ 苏彦庆518是5Peritectic React ion and Its In flue nces on the Microstructures Evolutio n duri ng Directi onal Solidification of Fe-Ni Alloys. Journal of Alloys and Compo un ds. Lia nashu n Luo, Yanqing2.3902008, 461:121127200

14、8. 08苏彦庆/ 骆良顺724是Su, Jin gjie Guo, Xin zho ng Li, Shua ngming Li, Hong Zhong, Lin Liu, Hen gzhi Fu.6Microstructure Evoluti on in Directio nally Solidified Ti- (50, 52) at%AI Alloys. In termetallics. Don gmei Liu, Xinzhong Li, Yanqing Su, Jingjie Guo, Hen gzhi Fu.1.87519 (2011)175-1812011. 02李新中/ 刘冬梅

15、1020是7Directional solidification of Ti-49at.%AI alloy. Applied Physics A, Jia nglei Fan, Xinzhong Li, Yanqing Su, Ruir un Chen, Jin gjie Guo, Hen gzhi Fu.1.632011, 105(1): 239-2482011.10李新中/樊江磊418是8Directional solidification of Cu-20Sn alloy at low speed: From peritectic coupled growth to banding. M

16、aterials Letters. Don gmei Liu, Xinzhong Li, Yanqing Su, Lia ngshu Luo, Bo Zhang, Jin gjie Guo, Hen gzhi Fu.2.3072011,65, 162816312012.06李新中/ 刘冬梅713是9Secon 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.3.7552012,60(6-7): 267926882012.