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大科学装置前沿研究:金属材料多场耦合制备与极端使役环境原位实验集成系统

来源:科研院 材料学院 时间:2017-07-18 14:57

编者按:为全面贯彻落实党的十八大提出的创新驱动发展战略和习近平总书记在“科技三会”上提出来的关于建设科技强国的指示精神,大连理工大学坚持“两个牢牢把握”,深入践行“红色基因”,以承担国家重大项目为抓手,不断提升满足国家重大需求的能力。现就2017年获批的5个国家重点研发计划项目进行系列报道。

近日,我校材料科学与工程学院王同敏教授主持的“金属材料多场耦合制备与极端使役环境原位实验集成系统”获批2017年度国家重点研发计划项目。

金属材料被广泛应用于航空航天、轨道交通、海洋工程等重要领域,例如制造航空发动机叶片的高温合金(使役温度超过1000℃)、制造月球车悬臂梁的铝基复合材料(使役温度低至-150℃),这些材料服役于极端恶劣的环境中,对其性能要求极为苛刻。通常采用多场耦合制备技术(热场、压力场、电场、磁场等)来优化金属材料的组织和性能,进而提升其使役安全。为此,亟需解决耦合多场对材料微结构的调控机制与极端环境对材料微结构的损伤机理这一关键科学问题。然而,受限于原位实验技术,目前尚无法对多场制备和极端服役全过程的多尺度微结构演化实现原位、动态、实时监测。科学界和工业届都迫切需要多尺度、多维度、原位动态分析的先进表征手段,以及与之相匹配的多场耦合制备和极端使役模拟实验环境。这些关键技术的研发对提升我国重大装备核心部件材料的性能与服役安全具有重要战略意义。“金属材料多场耦合制备与极端使役环境原位实验集成系统”项目就是在这一背景下组织实施的。

以高亮度、强穿透性为特征的第三代同步辐射光源的快速发展,为原位研究密度大、透光性差的金属材料微结构演化带来前所未有的机遇。该项目基于我国第三代同步辐射大科学装置-上海光源,重点突破多尺度、多维、原位动态分析关键技术以及多场耦合制备与极端使役环境在线构建关键技术,拟解决多场耦合对材料微结构的调控机制与极端环境对材料微结构的损伤机理这一关键科学问题。该项目以航空发动机叶片材料、高铁接触线材料、破冰船螺旋桨材料以及月球车悬臂梁材料为示范应用对象,建立和发展从材料液态原子尺度到工程大试样的跨尺度、多维、原位表征同步辐射实验方法与技术,揭示外加物理场对材料多种相变过程中的形核长大、晶向选择、溶质扩散、相析出过程的影响规律与机制;建立和发展高温、低温等极端使役环境下材料微结构损伤的表征技术、设备装置与评价方法,全方位、多尺度揭示多因素环境对材料服役过程中的界面效应、微结构应变与应力、晶粒取向演变、微裂纹萌发、热障涂层失效等的作用机理,为优化航空发动机叶片等关键材料的制备工艺和提升其服役安全保驾护航。本项目搭建的原位实验环境平台预计可满足未来十年航空航天、轨道交通、海洋工程领域发展所需的动态测试需求。

王同敏教授在上海同步辐射光源接受央视采访

该研究团队自2005年在国内率先开展合金及复层材料凝固行为同步辐射原位可视化研究,并首次在原位研究中实现了电磁场干预。利用同步辐射成像与衍射等动态分析技术,研究了锡基、铝基、锌基、铜基等合金及其复层材料的凝固行为与电磁调控机理,研究成果入选2010年度“上海光源代表性用户成果”与2012年度“北京光源用户成果Highlights”。曾获国家技术发明二等奖1项,省部级科技一等奖2项,二等奖2项,中国专利优秀奖1项,日内瓦国际发明展金奖1项。近五年发表学术论文150余篇,授权发明专利20余项。开发出铜合金板带、棒坯、管坯等水平电磁连铸系列技术与成套装备,已在北赛电工、博威合金、八达铜业、紫金铜业、台湾第一伸铜、韩国丰山铜业等多家大型铜加工企业取得产业化应用,目前共有19条生产线在运行。研制的接触线提升了我国高铁的安全性和运行效率,满足了国家重大工程和装备的重大需求,实现了相关技术产品的升级换代,提升了产品的国际竞争力。

责任编辑:姚璐

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