2022年湖南省自然科学奖提名公示

2022年湖南省自然科学奖提名公示

项目名称：高性能钛合金及其复合材料组织与性能调控技术研究提名单位：湖南科技大学

提名等级：湖南省自然科学奖三等奖主要完成人：郭世柏，何新波，颉芳霞

主要完成单位：湖南科技大学，北京科技大学一、项目名称高性能钛合金及其复合材料组织与性能调控技术研究二、提名意见“高性能钛合金及其复合材料组织与性能调控技术研究”依托国家自然科学基金项目，采用理论计算和实验研究相结合的方法，通过合金成分设计、烧结致密化机制、塑性变形机制和腐蚀机理的研究，开发了高性能钛合金及其复合材料。该项目的主要创造性成果如下：开发了钛合金粉末注射成形用高效水溶性粘结剂，建立了钛合金坯体溶剂脱脂和热脱脂动力学方程，探明了残余碳氧含量对钛合金组织和性能的影响规律，揭示了钛及其合金粉末烧结致密化机制，确立了β相钛合金塑性变形机制和在人体模拟体液中腐蚀机理，确立了一种钛合金及其复合材料制备的方法。这些研究成果为实现粉末注射成形和选择性激光成形制备高性能复杂形状钛合金产品提供理论支持。发表的5篇代表作及论文他引总次数为179次，其中SCI他引次数为177次，单篇最高SCI他引94次，获得了国内外研究者的高度评价。材料真实可靠，经公示，目前无异议。同意推荐该项目申报2022年度湖南省自然科学奖。提名该项目为湖南省自然科学奖三等奖。三、项目简介钛及其合金具有低密度、高比强度、良好高温强度、卓越的耐腐蚀性等优异性能，广泛应用于汽车、生物工程、手表、医疗器械、环保、高尔夫球俱乐部和航空航天等领域，被认为是新一代高性能生物医用和耐高温材料的首选材料，近年来已成为新材料领域的研究热点。由于传统模压成形技术不能制备出形状复杂的产品，且该材料机加工性能差，难以切削，成为大量生产复杂形状零件的障碍。粉末注射成形和选择性激光成形技术是一种近净成形技术，该技术应用于钛合金将为开发具有复杂形状钛合金产品，扩大其应用领域开辟一条新途径。基于上述思想，本项目提出利用粉末注射成形和烧结技术设计和采用选择性激光成形技术制备满足个体需求的复杂形状钛合金零部件的研究思路，在国家自然科学基金项目资助下开展钛合金及其复合材料成形工艺及相关基础问题的研究工作，获得了一系列成果。重要科学发现如下：（1）开发了钛合金粉末注射成形用新型高效清洁水溶性粘结剂，探明了残余碳氧含量以及后续钛合金制品热处理工艺对钛合金组织和性能的影响规律，揭示了钛及其合金烧结致密化机制。开发了钛合金粉末注射成形用新型高效清洁水溶性粘结剂，成功降低了钛合金脱脂坯体的残余碳氧含量，实现了钛合金脱脂坯的烧结致密化；采用实验表征和理论计算建立了钛合金注射坯体溶剂脱脂和热脱脂动力学方程，揭示了钛合金烧结致密化机制为烧结初期颗粒重排和扩散占主导地位，后期主要由大β相晶粒中析出针状α相转变为相变致密化机制，研究成果为复杂钛及其合金产品的制备提供了一个新的角度和思路。（2）揭示了生物医用钛合金塑性变形机制和在人体模拟体液中腐蚀机理和生物相容性。发现了β相是改善生物医用钛合金生物力学相容性和降低弹性模量的有效途径，揭示了多孔β相钛合金塑性变形机制为从弹性变形，塑形屈服到断裂的变化，相对弹性模量和相对屈服强度和相对密度之间遵循幂律关系；揭示了多孔钛合金的腐蚀机制为典型活化-钝化特征，具有较好的生物相容性。研究成果为可控制备高性能生物医用钛合金生物材料提供了重要的参考价值。（3）揭示了钛基复合材料的烧结致密化机制。通过机械合金化制备了纳米Ti3AlC2复合粉末，真空烧结制备了Ti3AlC2材料，其烧结致密化机制为烧结初期颗粒重排和烧结后期的物质迁移扩散致密化机制。研究成果为钛基复合材料的制备提供了重要的参考价值。相关创新成果已经在《J.Mat.Process.Tech》、《J.Alloy.Compd》和《Electrochim.

Acta》等国内国际期刊上发表论文多篇。5篇代表作及论文被《\o"GotoAdditiveManufacturingonScienceDirect"Addit.Manuf》、《Mater.Design》、《Powder.Technol》、《J.AlloyCompd》等国内外高水平期刊引用，他引总次数为179次，其中SCI他引次数为177次，单篇最高SCI他引94次，研究工作获得了该领域同行的广泛关注与高度评价。四、客观评价5篇代表作及论文被《\o"GotoAdditiveManufacturingonScienceDirect"Addit.Manuf》、《\o"GotoJournalofAlloysandCompoundsonScienceDirect"Mater.Design》、《Powder.Technol.》、《J.Alloys.Compd》、《Rare.Metals》等国内外该领域高水平期刊引用，他引总次数为179次，其中SCI他引次数为177次，单篇最高SCI他引94次，研究工作获得了该领域同行的广泛关注与积极评价。在《JournalofMaterialsProcessingandTechnology》上发表的论文《PowderinjectionmoldingofTi-6Al-4Valloy》提出了新型水溶性粘结剂用于钛合金粉末注射成形，降低残余碳氧含量，有助于钛合金的烧结致密化。致密化机制为烧结初期颗粒重排和扩散占主导地位，后期主要是大的β相晶粒析出α相出现相变致密化机制。钛合金制品尺寸精度达到0.26％。论文被美国的俄勒冈州立大学、路易斯威尔大学、圣地亚哥州立大学、常州大学等单位引用。路易斯威尔大学KunalH.Kate教授课题组在《\o"GotoPowderTechnologyonScienceDirect"PowderTechnology》发表的论文《FactorsaffectingpropertiesofTi-6Al-4Valloyadditivemanufacturedbymetalfusedfilamentfabrication》中引用了本人钛合金粉末注射成形脱脂坯体烧结致密化机制和较好力学性能。圣地亚哥州立大学German教授在《\o"GotoInternationalJournalofRefractoryMetalsandHardMaterialsonScienceDirect"InternationalJournalofRefractoryMetalsandHardMaterials》发表的论文《Titaniumsinteringscience:Areviewofatomiceventsduringdensification》中引用钛合金烧结致密化机制。俄勒冈州立大学SomayehPasebani教授课题组在《\o"GotoAdditiveManufacturingonScienceDirect"AdditiveManufacturing》发表论文《Microstructure-propertyrelationshipinbinderjetproducedandvacuumsintered316

L》中引用粉末注射成形脱脂坯残余碳、氧含量对块体材料组织和性能的影响的观点。常州大学的方必军教授课题组在《\o"GotoCeramicsInternationalonScienceDirect"CeramicsInternational》上发表论文《EnhancingpiezoelectricityofPLZTceramicsbybismuthstearatecoatingviawater-solubledefattedpowderinjectionmolding》中引用粉末注射成形粘结剂成分对喂料流变性能和注射性能的影响的观点。在《JournalofAlloysandCompounds》上发表的论文《Effectofsinteringprocessingonmicrostructure,mechanicalpropertiesandcorrosionresistanceofTi-24Nb-4Zr-7.9Snalloyforbiomedicalapplications》设计和提出了低弹性模量的β相-24Nb-4Zr-7.9Sn合金应用于生物医药植入体，在人体模拟体液中表现良好的耐腐蚀性能，其腐蚀机制为典型的活化-钝化特征，在钛合金表面形成较致密的TiO2保护膜。论文被印度理工学院、澳大利亚阳光海岸大学、西南科技大学等单位引用。印度理工学院VinayKumarSingh教授课题组在《CeramicsInternational》发表的论文《EffectofreinforcingS53P4bioactiveglassonphysio-mechanicalandbiologicalpropertiesofTi8Nb2Fealloy》中引用了本人提出的β相钛合金可以明显降低其弹性模量和较好的力学性能的观点。阳光海岸大学DamonKent教授课题组在《\o"GotoJournalofAlloysandCompoundsonScienceDirect"JournalofAlloysandCompounds》发表的论文《Microstructure,phasecompositionandmechanicalpropertiesofnew,lowcostTi-Mn-Nballoysforbiomedicalapplications》中引用本项目组提出的β相钛合金烧结过程中相变致密化机制。南方科技大学余鹏教授课题组在《\o"GotoJournalofAlloysandCompoundsonScienceDirect"JournalofAlloysandCompounds》发表论文《FabricationofbiomedicalTi-24Nb-4Zr-8Snalloywithhighstrengthandlowelasticmodulusbypowdermetallurgy》中引用本项目组提出的β相钛合金具有较低弹性模量和较好力学性能的观点。在《Electrochim

Acta》上发表的论文《Influenceofporecharacteristicsonmicrostructure,mechanicalpropertiesandcorrosionresistanceofselectivelasersinteredporousTi–Moalloysforbiomedicalapplications》提出了采用选择性激光成形技术制备低Mo含量的-Mo多孔钛合金，探明了低合金的塑性变形机制，揭示了腐蚀机制为活化-钝化特征。论文被捷克布尔诺理工大学、哈尔滨工业大学和吉林大学等单位引用。布尔诺理工大学OndřejČervinek教授课题组在《\o"GotoJournalofMaterialsResearchandTechnologyonScienceDirect"JournalofMaterialsResearchandTechnology》发表论文《Non-lineardynamicfiniteelementanalysisofmicro-strutlatticestructuresmadebylaserpowderbedfusion》中引用了本项目组提出多孔钛合金孔隙计算方法的观点。哈尔滨工业大学谢国强教授课题组在《\o"GotoJournalofAlloysandCompoundsonScienceDirect"JournalofAlloysandCompounds》发表论文《TheinfluenceofporousstructureonthecorrosionbehaviorandbiocompatibilityofbulkTi-basedmetallicglass》中引用本项目组提出的β相多孔钛合金具有较好腐蚀性能的观点。吉林大学任露泉教授课题组在《\o"GotoJournalofAlloysandCompoundsonScienceDirect"MaterialsandDesign》发表论文《DirectinkwritingofporousFe-HAmetal-matrixcomposites(MMCs)withindependentlyadjustableporosityanddegradationrateforboneimplantapplications》中引用本项目组提出的多孔钛合金存在点蚀腐蚀的观点，并用实验进行验证。五、代表作目录序号代表作及论文名称/刊名/作者影响因子年卷页码发表时间通讯作者第一作者国内作者他引总次数SCI他引次数知识产权是否归国内所有是否代表作1PowderinjectionmoldingofTi-6Al-4Valloy/J.Mater.Process.Tech./GuoShibo,QuXuanhui,HeXinbo,ZhouTing,DuanBohua6.1622006,173(3):310-3142006.4.20GuoShiboGuoShibo郭世柏，曲选辉，何新波，周廷，段柏华。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，储爱民，吴海江，蔡春波，曲选辉。2120是是3PowderinjectionmoldingofpureTitanium/Rare.Metals./GuoShibo,DuanBohua,HeXinbo,QuXuanhui,2.1612009,28(3):261-2652009.6.20GuoShiboGuoShibo郭世柏，段柏华，何新波，曲选辉。1212是是4Influenceofporecharacteristicsonmicrostructure,mechanicalpropertiesandcorrosionresistanceofselectivelasersinteredporousTi–Moalloysforbiomedicalapplications/Electrochim

Acta/XieFangxia,HeXinbo,CaoShunli,MeiMin,XuanhuiQu7.3362013,105:121-1292013.8.30HeXinboXieFangxia颉芳霞，何新波，曹顺利，梅敏，曲选辉。9494是是5FabricationofTi3AlC2

ceramicmaterialbymechanicalalloying/Rare.Metals./GuoShibo,KangQiping,LiuJun,QuXuanhui3.7842010,29(4):376-3792010.8.10GuoShiboGuoShibo郭世柏，康启平，刘君，曲选辉。44是是合计179177六、主要完成人情况姓名排名职务职称工作单位主要完成单位对本项目的贡献郭世柏1无教授湖南科技大学湖南科技大学作为项目第一完成人，是重要科学发现(1)、(2)、(3)的主要完成人，是代表作(1)、(2)、(3)、(5)的第一作者和通讯作者。学术贡献有：开发了钛合金粉末注射成形用高效水溶性粘结剂，探明了残余碳氧含量对钛合金组织和性能的影响规律，揭示了钛及其合金粉末烧结致密化机制；探明了β相Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn合金烧结致密化机制和腐蚀机制；揭示了Ti3AlC2复合材料的烧结致密化机制。在该项目研究中的工作量约占70%。何新波2院长教授北京科技大学北京科技大学作为项目第二完成人，是重要科学发现(2)的主要完成人，是代表作(4)的通讯作者。学术贡献有：探明了孔隙特性对生物医用钛合金组织和性能的影响规律，揭示了多孔钛合金的塑性变形机制。在该项目研究中的工作量约为20%。颉芳霞3无副教授湖南鑫聚利机械有限公司北京科技大学作为项目第三完成人，是重要科学发现(2)的重要参与人，是代表作(4)的第一作者。学术贡献有：建立了孔隙特性对生物医用钛合金组织和性能的影响规律，探明了多孔钛合金的塑性变形机制，揭示了钛合金在人体模拟体液中的腐蚀机理。在该项目研究中的工作量约为10%。七、主要完成单位情况本项目主要完成单位为湖南科技大学和北京科技大学。湖南科技大学作为项目第一完成单位，制定了项目的研究目的、研究内容、研究思路以及研究方案等，对高性能钛合金及其复合材料组织调控技术进行了深入研究，取得了一系列重要成果。开发了钛合金粉末注射成形用高效水溶性粘结剂，探明了残余碳氧含量对钛合金组织和性能的影响规律，揭示了钛及其合金粉末烧结致密化机制；探明了β相Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn合金烧结致密化机制和腐蚀机制；揭示了Ti3AlC2复合材料的烧结致密化机制。研究成果为可控制备高性能钛合金及其复合材料提供了重要的参考价值，解决了钛合金粉末注射成形中如何有效控制残余碳氧含量的应用难题。北京科技大学作为第二完成单位，为本项目的实施与开展提供了主要的实验场地和项目资金支持，在资源配置和调研交流等方面也提供了大力支持。在国家“863”计划、“973”计划和国家自然科学基金项目资助下，对钛合金粉末注射成形工艺及其烧结致密化进行了深入研究，取得了一系列重要成果。探明了孔隙特性对生物医用钛合金组织和性能的影响规律，揭示了多孔钛合金的塑性变形机制，提出了钛合金在人体模拟体液中的腐蚀机理。研究成果为分析多孔生物医用钛合金的增材制造及其腐蚀机理提供了一个全新的角度。八、主要完成人合作关系说明项目依托湖南科技大学和北京科技大学，在郭世柏教授牵头的项目组成员共同努力下，围绕高性能钛合金及其复合材料制备技术开展了较为长