镍基耐蚀合金特性、进展及其应用

镍基耐蚀合金是一类高性能的耐蚀材料.基于防腐蚀问题,概述了纯镍的性质与耐蚀特性,分析了镍基耐蚀合金与镍铬不锈钢及镍基高温合金的区别与联系.介绍了工程中镍基耐蚀合金的种类及其应用,强调了高性能通用型镍铬钼合金的特征与进展.并结合应用实例,提出应大力发展、开发及应用此类高性能耐蚀材料.     

材料的高通量制备与表征技术

 经过40 年的发展,材料高通量制备与表征技术已取得了较大的进展,并被证明可有效地加速材料研发-应用进程,因此被列为材料基因组计划的三大技术要素之一。本文简要回顾材料高通量实验技术的发展历程,阐述高通量实验在材料基因组技术中的地位与作用,系统介绍一系列有代表性的高通量制备与表征技术,并指出一些高通量实验方法的应用局限。对未来面临的挑战与发展趋势进行了分析展望,重点介绍基于同步辐射、散裂中子源等大科学装置以及基于材料非均匀性本质的原位统计映射表征解析等发展新一代材料原位实时高通量制备、表征与分析技术的新思路,以期为中国材料基因组技术的跨越式发展提供参考。     

镍基高温合金高速切削的可能性研究

作为典型的难加工材料,镍基高温合金切削加工性很差,切削力大,切削温度高,切削速度低,生产效率低。高速切削作为本世纪最先进的加工技术得到广泛的应用。本文通过切削实验,从切削力和温度来探讨镍基高温合金GH4169高速切削的可能性。提高切削速度减小切削力,降低切削温度,所以,从减小切削力和降低切削温度的角度看,高速切削镍基高温合金是完全可能的,可认为高速切削是实现镍基高温合金高效切削加工的途径之一。     

Ni基大块非晶合金的玻璃形成能力

计算已开发的镍基大块非晶合金玻璃形成能力的表征参数Trg、γ、δ、和φ.线性回归表明,这4个参数值与合金的临界直径Dmax之间不存在线性关系,说明它们不能很好地表征镍基非晶合金的GFA.计算镍基大块非晶合金的GFA预测参数λn和ε.结果发现,组元原子尺寸相差不大的镍基非晶合金的λn值大多集中在0.2附近.另外,Dmax与ε之间存在一定的线性关系,说明镍基大块非晶合金的临界直径Dmax与它的ε值成正比.在开发新的镍基非晶合金时,可以参考ε值来确定最佳的合金成分.     

AlCrN涂层硬质合金切削高温合金耐用度对比实验

采用新型涂层AlCrN硬质合金,并同时采用无涂层YW1和TiAlN涂层硬质合金作为对比实验的刀具材料,对变形镍基高温合金GH4169进行车削刀具磨损的系列实验研究.借助光学显微镜、电子扫描显微镜与能谱探针等工具,建立刀具寿命T-v公式,以刀具耐用度为评价指标,对刀具的磨损形态、磨损机理以及此类新型涂层(AlCrN)刀具对应于镍基高温合金的切削性能进行了分析.研究表明,干切削镍基高温合金,AlCrN涂层硬质合金的性能优于当前主流应用的刀具涂层(TiAlN)刀具.其失效形式主要表现为:后刀面磨损和主切削刃微崩刃.前刀面的磨损程度相对较低.其磨损机理为:高温高应力条件下的扩散、氧化磨损与黏接的综合作用.     

热等静压技术在镍基单晶高温合金中的应用研究进展

通过总结目前热等静压对镍基单晶高温的应用研究进展,阐释了热等静压对镍基单晶高温合金中的疏松等孔洞类缺陷的消除作用,分析了孔洞的愈合机理,并分别展示了应用热等静压后合金的拉伸、持久、疲劳等力学性能变化情况,同时介绍了热等静压对已服役制件组织力学性能恢复处理的研究进展、计算模拟在指导热等静压工艺研究中的作用,展望了中国热等静压技术的未来发展。     

镍基单晶高温合金表面再结晶控制技术的研究进展

针对镍基单晶高温合金构件的表面再结晶控制技术,结合国内外相关工作的研究状况,从单晶高温合金构件表面再结晶的形成机理、再结晶的表面效应、基于再结晶预防的构件设计、单晶构件热成型过程和冷加工过程再结晶控制技术等几方面,对镍基单晶高温合金构件的表面再结晶控制技术领域取得的研究成果进行总结和分析。重点论述了各国单晶再结晶控制技术,提出中国镍基单晶高温合金构件的表面再结晶控制技术存在的差距及未来研究重点。     

稀土掺杂热障涂层材料分立成分样品的高通量 X 射线表征

随着科研人员对材料科学研发的不断投入, 高通量 X 射线表征技术的广泛应用极大提高了新材料的研发效率. 高通量 X 射线表征技术是材料基因组工程研究的重要工具. 设计了高通量 X 射线表征系统, 研究了不同含量稀土元素掺杂热障涂层材料对其结构相稳定性的影响. 样品台可进行高精度 $x$-$y$ 二维平面平动, 在保证数据样品质量的情况下,仅用极短时间就能测试多个分立样品.     

稀土掺杂热障涂层材料分立成分样品的高通量X射线表征

随着科研人员对材料科学研发的不断投入,高通量X射线表征技术的广泛应用极大提高了新材料的研发效率.高通量X射线表征技术是材料基因组工程研究的重要工具.设计了高通量X射线表征系统,研究了不同含量稀土元素掺杂热障涂层材料对其结构相稳定性的影响.样品台可进行高精度x-y二维平面平动,在保证数据样品质量的情况下,仅用极短时间就能测试多个分立样品.     

核合金的基于晶体塑性模型的集成计算材料模拟研究

核反应堆的核燃料包壳、堆内构件、蒸汽发生器等关键部件均采用耐高温腐蚀、力学性能优异的合金材料制造.合金加工工艺直接影响组织结构,进而影响其力学、腐蚀和辐照性能.核合金的堆外性能研究是合金适用性评估和改进优化的关键步骤,因此定量预测核级合金的"加工工艺-微结构-力学性能"具有重要意义.传统的核合金工艺改进与评估主要依赖于实验循环"试错法",实验成本高,研发周期长.基于全过程模拟的集成计算材料工程方法将制造工艺、材料演化与性能模型结合,显著缩短关键材料及构件的研发周期和成本.为促进该方法在核合金的工艺优化与研发中的应用,本文发展了基于合金微结构相关的晶体塑性模型和解耦有限元模拟的计算方法,对锆合金、钛合金和FeCrAl合金的"加工工艺-织构-力学性能"进行了定量预测.结果显示该集成计算方法可精确预测3种典型合金的热加工织构演化、拉伸和压缩塑性变形行为,可为核级合金的加工工艺优化和力学性能评估提供计算工具和理论依据.     

材料基因组——材料研发新模式

 依赖于科学直觉与试错的传统材料研究方法日益成为社会发展与技术进步的瓶颈。革新材料研发方法、加速材料从研究到应用的进程成为世界各国共同的需求。作为"先进制造伙伴计划"(Advanced Manufacturing Partnership,AMP)的重要组成部分,美国总统奥巴马在2011 年6 月宣布了"材料基因组计划"(Materials Genome Initiative,MGI),通过整合材料计算、高通量实验和数据库,全面提高先进材料从发现到应用的速度,降低成本。MGI 提出了材料研发的崭新模式,为美国发展高端制造业,保持并强化其在核心科技领域的优势奠定了创新基础。中国材料科学界在1999 年6 月召开主题为"发现和优化新材料的集成组合方法"的第118 次香山科学会议,寻找加速发现新材料的有效途径。2011 年12 月,中国科学院和中国工程院主办主题为"材料科学系统工程"的第S14 次香山科学会议,研究中国应对MGI 的策略,并在随后3 年中,多次组织以材料基因组计划为主题的研讨会、报告会,使得中国材料界对材料基因组技术的认识不断深入,形成基本共识。2014 年,中国科学院和中国工程院分别向国务院提交咨询报告,建议尽快启动实施中国材料基因组计划。本文简要介绍材料基因组计划的主要内容、技术内涵、科学本质、国内外最新动向及其未来发展趋势,并根据中国的实际需求特点与现有条件,对实施中国版材料基因组计划的发展战略、技术路线、政策措施等提出建议。     

数据+人工智能是材料基因工程的核心

 材料基因工程的工作模式,可大致总结为实验驱动、计算驱动和数据驱动3种。以"数据+人工智能"为标志的数据驱动模式围绕数据产生与数据处理展开,代表了材料基因工程的核心理念与发展方向。材料研究由"试错法"向科学第四范式的根本转变,将更快、更准、更省地获得成分-结构-工艺-性能间的关系。在数据密集型科学时代,快速获取大量材料数据的能力成为关键,而基于高通量实验与高通量计算的"数据工厂"是满足材料基因工程数据需求的重要平台。     

中国材料数据库与公共服务平台建设

 材料数据对于国家安全、工程服役安全、科技创新、智能制造等方面的重要性在数据时代越来越彰显出来,在2011 年美国提出的具有变革意义的材料基因组计划中,材料数据与材料计算模拟、材料实验表征一起,为材料发展全流程研究的三大基本工具,使材料研究者与生产管理者进一步充分认识材料数据对加速材料研发进程的推动作用。材料数据具有多样、获取过程复杂、数据间关联关系复杂、知识产权性强等特点,使数据的收集、存储、共享和应用更加复杂。本文就大数据时代下的材料数据的特点、分类、材料数据库的国内外现状对比、中国发展材料数据库与材料数据科学的意义、今后主要发展方向以及存在的问题等方面进行系统分析,提出建设国家材料数据研发与服务公共平台,加大材料数据的收集整合力度,构建国家民用材料数据库与军用材料数据库,开展材料数据及材料数据库相关标准规范建设、定制性专题数据库服务、数据推送服务,同时开展材料信息学、材料数据学等方面的研究,开创并构建材料数据科学这一材料领域新学科。     

High-throughput experimental tools for the materials genome initiative

The materials innovation infrastructure in the materials genome initiative(MGI)consists of three major components:computational tools,experimental tools,and digital data.This article will review experimental tools for high-throughput,high spatial resolution measurements of several materials properties such as elastic modulus,thermal conductivity,specific heat capacity,and thermal expansion.Application of these tools on compositionvarying samples such as diffusion multiples can be used to quickly and efficiently obtain composition–phase–structure–property relationships for materials property database establishment.They can also be used in conjunction with theoretical modeling to find and explain unusual effects to improve the predictability of models.More micron scale resolution experimental tools are in development.These high-throughput tools will be an essential part of MGI.     

工学结合教材开发初探——以《土木工程材料试验与检测》为例

教材建设是课程建设的重要内容,高质量的教材是培养高质量优秀人才的基本保证。高职《土木工程材料》教材建设立足工学结合教育模式,贴近职业岗位,对应职场需求,强化能力训练。模块式《土木工程材料试验与检测》教材的开发和应用正是基于这种理念的有效尝试。     

Phase-field method and Materials Genome Initiative （MGI）

Predicting and controlling the microstructure evolution within a material are considered as the‘‘holy grail’’of materials science and engineering.Many important engineering materials are designed by controlling their phase transformations and microstructure evolution.Examples include the improvement of mechanical properties through solid-state precipitation reactions in Nibased superalloys and age-hardened Al alloys,the useful dielectric properties and electro-mechanical coupling effects by manipulating the phase transitions in ferroelectric crystals,and the memory effect of shape-memory alloys by utilizing martensitic transformations.Phase-field method has become the method of choice for modeling three-dimensional microstructure evolution for a wide variety of materials processes.This short article briefly discusses the potential roles that phase-field method can play in the Materials Genome Initiative.     

Computational thermodynamics,computational kinetics,and materials design

Computational thermodynamics, known as CALPHAD method when dawned in 1950s, aimed at cou- pling phase diagrams with thermochemistry by computa- tional techniques. It eventually evolves toward kinetic simulations integrated with thermodynamic calculations, i.e., computational kinetics, including diffusion-controlled phase transformation, precipitation simulation, and phase- field simulation. In the meantime, thermodynamic, mobility, and physical property databases for multi-component and multi-phase materials, served as basic knowledge for materials design, are critically evaluated by CALPHAD approach combining key experiments, first-principles cal- culations, statistic methods, and empirical theories. The combination of these computational techniques with their conjugated databases makes it possible to simulate phase transformations and predict the microstructure evolution in real materials in a foreseeable future. Further links to micro- and macro-scale simulations lead to a multi-scale compu- tational framework, and aid the search for the quantitative relations among chemistry, process, microstructures, and materials properties in order to accelerate materials devel- opment and deployment. This is a new route of materials and process design pursued by Integrated Computational Materials Engineering （ICME） and Materials Genome Ini- tiative （MGI）. This article presents a review on the basic theories and applications, the state of the art and perspective of computational thermodynamics and kinetics.     

La$_{{1-x}}$Sr$_{x}$TiO$_{3}$ 薄膜的高通量 X 射线衍射

高通量材料合成方法和高通量材料表征手段区别于传统低效率的 "试错法"材料发展方法, 极大地加速了材料科学的变革和发展. 通过设计程序进行了高通量 X 射线衍射实验, 在保证数据分辨率条件下, 高效地表征了 La$_{1-x}$Sr$_{x}$TiO$_{3}$ 薄膜上多个数据位点的晶体结构, 验证了其成分的连续变化性质, 为后续开展更多类型的高通量 X 射线衍射实验提供了指导.     

师昌绪在高温合金领域的重大贡献

 师昌绪是当代著名的金属学及材料学科学家。在高温合金领域,最先提出并攻克了包套挤压工艺难关,为变形高温合金的生产开辟了一条新的途径;铸造高温合金方面,研究出中国第一代空心气冷铸造镍基高温合金涡轮叶片,使中国成为世界上第二个采用这种叶片的国家;发现了凝固偏析的新规律,总结了"低偏析合金技术",推动了高温合金的发展,被美国同行尊称为"中国高温合金之父"。