项目名称：轻质高温TiAl金属间化合物合金及其制备加工的科

1、项目名称：轻质高温TTiAll金属间间化合物物合金及及其制备备加工的的科学技技术基础础首席科学家家：林均品 北北京科技技大学起止年限：2011.1至220155.8依托部门：教育部二、预期目目标1总体目标标：获得新型轻轻质高温温TiAAl合金金及其制制备与加加工技术术基础，促促进其产产业化和和应用，满满足国家家经济和和社会发发展对轻轻质高温温材料的的重大需需求。即即采用低低密度的的新型高高温材料料替代现现有的高高温合金金，以降降低重量量；另一一方面采采用新型型轻质高高温材料料可以大大幅度降降低燃料料消耗。发发展新型型轻质高高温材料料可以大大幅度提提升我国国民用工工业和航航空航天天等工业业的水平

2、平，有效效减少能能源消耗耗、实现现社会可可持续发发展。在高温TiiAl合合金设计计理论基基础及强强韧化机机制、高高温TiiAl合合金凝固固过程组组织及缺缺陷的调调控机制制、高温温TiAAl合金金粉末冶冶金制备备过程的的流变塑塑变理论论、针对对金属间间化合物物特性建建立性能能表征方方法和评评价体系系研究上上获得突突破。在此基础上上，发展展和形成成高温TTiAll合金材材料制备备与成形形加工整整套技术术的科学学基础，主主要包括括：高温温TiAAl合金金不同使使用条件件下材料料成分和和组织优优化，高高洁净度度铸锭的的制备新新熔炼技技术基础础、铸锭锭的热加加工新技技术、部部件熔模模精密铸铸造特殊殊技术

3、、冷冷坩埚定定向凝固固新技术术、高性性能粉末末冶金板板材的新新技术。同同时制备备出各种种全尺寸寸样件，为为进一步步向部件件性能测测试试验验发展打打下基础础。以铸造叶片片为重点点，突破破从小试试样到批批量生产产的瓶颈颈关键技技术基础础。针对铸造、热热变形和和粉末冶冶金三类类加工技技术发展展的高温温TiAAl合金金的材料料成分范范围为：Ti-（444-446）AAl - （66-9）NNb-（00 -22.5）WW, BB, YY, MMn （这这些元素素都是微微量元素素，只有有Mn可可高到22.5）对于铸造合合金：NNb 含含量取低低限，添添加B（稍稍高含量量）、YY 和MMn等；对于变形合合金

4、：NNb 含含量取中中间值，添添加W、BB（较低低含量）、YY等；对于粉末冶冶金板材材：Nbb 含量量取高限限，添加加W、YY，Mnn等。高温TiAAl合金金使用温温度达到到9000 ，9000 的的抗氧化化性按航航标达到到抗氧化化级，对于三种典典型部件件：铸造叶片样样件: 尺寸为为长3550-4400mmm、宽宽50-70mmm900 强度达达到4550 MMPa，室室温拉伸伸塑性11-2%；锻件: 尺尺寸为直直径4000-6600mmm、厚厚50-1000mm900 强度达达到4000 MMPa，室室温拉伸伸塑性大大于2%；粉末板材：宽度4400-5000mm、厚厚1-22mm；900 强

5、度达达到4000 MMPa，室室温拉伸伸塑性22-3%。研究成果将将发表高高水平学学术论文文2000篇以上上，申请请国家发发明专利利20项项以上，国国家和省省部级科科技成果果奖3项项以上；培养优优秀青年年科技人人才155人以上上，造就就一支高高水平的的具有创创新与攻攻坚能力力的研究究队伍，形形成优秀秀创新群群体；建建设本领领域高水水平的基基础研究究和技术术创新基基地。2五年预期期目标：通过系统深深入的研研究，构构建高温温TiAAl金属属间化合合物材料料理论和和制备加加工理论论基础，在在精密铸铸造等形形成关键键示范技技术，实实现总体体预期目目标。具具体内容容包括：（1）高温温TiAAl合金金成分

6、-组织-性能设设计和优优化原理理揭示针对高高温下使使用和具具体制备备加工技技术的、多多组元高高温TiiAl合合金的相相关系和和强韧化化机制，获获得高温温TiAAl合金金设计和和优化原原理。揭示高温温TiAAl合金金多相有有序结构构的动态态回复和和动态再再结晶规规律。（2）高洁洁净度、均均质大尺尺寸TiiAl合合金铸锭锭的熔炼炼和加工工科学基基础 建建立等离离子冷床床熔炼高高温TiiAl合合金的均均质化和和纯洁度度控制方方法，揭揭示熔炼炼工艺路路线和工工艺参数数对铸锭锭夹杂物物去除效效果及成成分组织织均匀性性的影响响规律。探探索出适适合高温温TiAAl合金金型材的的均质、纯纯净的大大尺寸铸铸锭制

7、备备技术；通过高高温TiiAl合合金包套套挤压结结合等温温锻造工工艺细化化和均匀匀化组织织，通过过增加高高温相相提高热热变形能能力，从从而研制制出组织织均匀细细小的大大尺寸挤挤压棒材材、锻造造饼材、板板材。（3）高温温TiAAl合金金熔模铸铸造关键键科学技技术基础础通过Nb、AAl含量量控制避避免包晶晶相变以以减少偏偏析和细细化组织织；揭示示高温TiiAl合合金在多多场作用用下铸造造充型特特性、壁壁厚效应应以及熔熔体与型型壳反应应形成表表面硬化化层的规规律，形形成细晶晶铸造并并有利于于减少糊糊状区的的变质处处理及流流场控制制技术，建建立以铸铸造为成成形工艺艺路线的的高温TiiAl合合金优化化设

8、计基基础，掌掌握铸件件冶金质质量及表表面硬化化层的控控制方法法。（4）高温温TiAAl合金金冷坩埚埚定向凝凝固新技技术基础础开发出冷坩坩埚定向向凝固高高温TiiAl合合金大尺尺度坯锭锭的成分分优化与与冶金行行为控制制技术，阐阐明合金金定向凝凝固坯锭锭的凝固固组织演演化规律律；建立立高温TTiAll合金定定向凝固固坯锭的的凝固组组织及凝凝固缺陷陷的演化化模型；揭示定定向凝固固合金的的力学性性能与定定向组织织状态的的相关性性，建立立高温TTiAll合金典典型构件件的定向向凝固成成形的理理论基础础。（5）高温温TiAAl合金金板材的的粉末冶冶金及轧轧制新技技术基础础研究通过添加相稳定定元素和和高Nb

9、b合金化化制备出出的含高高比例相的高高温TiiAl合合金粉末末，促进进其后续续轧制的的热变形形能力，保保证大变变形量大大尺寸板板材的制制备；建建立粉末末冶金合合金致密密化过程程微缺陷陷形成和和控制理理论，在在应力场场、温度度场、速速度场及及外在约约束等多多场耦合合作用下下，板材材轧制过过程中的的精确变变形流动动理论。建建立从合合金粉末末-热等等静压致致密化-热机械械处理-包套轧轧制制备备大尺寸寸TiAAl合金金板材的的完整的的技术原原型。（6）高温温TiAAl金属属间化合合物材料料使用性性能表征征和评价价确立高温TTiAll合金安安全服役役条件下下的力学学性能控控制参量量和应用用阈值范范围，揭

10、揭示组织织类型和和微观缺缺陷对合合金裂纹纹萌生和和扩展的的影响规规律，揭揭示合金金损伤容容限性能能与微观观组织的的关系，建建立具有有工程应应用价值值的寿命命评估方方法和损损伤容限限参量设设计准则则，促进进合金在在航空、航航天及其其他领域域的工程程化应用用。三、研究方方案1学术思路路： 本本项目在在具有国国际领先先水平和和自主知知识产权权的高NNb-TTiAll合金的的成分-组织-性能关关系研究究成果的的基础上上，发展展针对航航空航天天发动机机应用的的高性能能高温TTiAll合金及及其制备备加工技技术。研研究材料料集中在在一类合合金上，避避免了研研究目标标的分散散。通过研究高高温TiiAl合合金

11、成分分-组织织-性能能关系和和设计理理论基础础，主要要包括合合金元素素NbAl上上下限、微微合金化化元素的的添加原原则，为为不同的的制备和和加工技技术提供供优化的的合金成成分和组组织设计计原则；强韧化化机制的的建立，为为基本保保持强度度指标的的前提下下，提升升高温TTiAll合金的的室温塑塑性和韧韧性打下下基础。通过研究高高温TiiAl合合金熔炼炼和凝固固过程的的热力学学与动力力学理论论，解决决合金高高洁净度度熔炼的的成分组组织均匀匀性、精精密铸造造过程合合金熔体体充型及及铸造组组织和缺缺陷控制制和定向向凝固过过程中的的取向控控制提供供理论基基础。通过高温TTiAll合金多多相有序序结构动动态

12、复原原机制、热热变形本本构关系系数学模模型和热热变形抗抗力图的的研究，为为变形合合金的热热挤压、等等温锻造造、轧制制技术研研究提供供理论基基础，解解决高温温TiAAl合金金热加工工关键技技术。 通过高温TTiAll合金粉粉末冶金金制备过过程的流流变塑变变理论的的研究、揭揭示粉末末冶金合合金制备备过程中中的缺陷陷形成和和控制原原理，以以及对热热加工行行为的影影响，为为粉末冶冶金高温温TiAAl合金金轧制技技术提供供保障。针对金属间间化合物物特性建建立高温温TiAAl合金金性能表表征方法法和评价价体系，对对于整个个课题涉涉及的制制备加工工技术提提供的合合金性能能评估分分析方法法和标准准，确保保建立

13、统统一的性性能数据据库，为为高温TTiAll合金应应用设计计准则的的建立提提供数据据支撑。整个项目的的研究围围绕三个个关键科科学问题题，研究究内容相相互联系系紧密，研研究体系系完整，有有利于解解决关键键技术，发发展和形形成高温温TiAAl合金金制备与与成形加加工的技技术原型型。由于于高温TTiAll合金比比普通TTiAll合金的的制备与与成形加加工难度度大，因因此制备备与成形形加工的的技术原原型也基基本适合合普通TTiAll合金。 2技术途径径：具体技术路路线见图图1 所所示。合合金材料料体系的的发展重重点采用用高Nbb合金化化提高高高温条件件下使用用温度和和抗氧化化性，NNb和YY交互作作用

14、提高高长期高高温抗氧氧化性；精密铸铸造合金金的成分分设计拟拟适度降降低Nbb含量，以以减低成成分偏析析，添加加Mn等等提高铸铸造性能能和提高高室温塑塑性，添添加B和和Y细化化组织；粉末板板材的合合金设计计适度提提高Nbb含量，满满足航天天高马赫赫数飞行行的恶劣劣环境，提提高使用用温度和和抗氧化化性。拟采用等离离子冷床床熔炼技技术结合合真空自自耗熔炼炼达到均均质化和和高纯洁洁度冶炼炼，突破破适合高高温TiiAl合合金型材材的均质质、纯净净、大尺尺寸铸锭锭制备。通过熔体与与型壳反反应形成成表面硬硬化层的的规律探探索型壳壳材料的的选择和和优化；采用计计算模拟拟和试验验研究结结合，解解决多场场耦合作作

15、用下高高温TiiAl合合金精密密铸造过过程充型型问题；将控制制液固相相变路径径得到相凝固固过程与与变质处处理相结结合，降降低偏析析和细化化铸态组组织，以以提高综综合力学学性能。电磁冷坩埚埚定向凝凝固技术术将合金金连续熔熔化、电电磁约束束成形和和连续凝凝固过程程统一制制备高纯纯净高温温TiAAl合金金，避免免了常规规定向凝凝固造成成的型壳壳反应和和污染，揭揭示多外外场耦合合作用下下冷坩埚埚定向凝凝固过程程控制机机理。通过增加相提高高高温TTiAll合金热热变形能能力、利利用热挤挤压工艺艺结合等等温锻造造的热加加工工艺艺，加大大首次变变形量，以以达到细细化铸态态组织、提提高变形形高温TTiAll合

16、金综综合力学学性能的的目的。拟采用添加加相稳稳定元素素和高NNb合金金化制备备出的含含高比例例相的的预合金金粉末为为原料，促促进后续续热变形形能力，通通过热等等静压，热热机械处处理和包包套轧制制制备大大尺寸高高性能高高温TiiAl合合金板材材。控制制氧、氮氮及其它它杂质的的含量，完完全消除除微孔和和微偏析析等缺陷陷。针对高温TTiAll金属间间化合物物建立安安全服役役条件下下的力学学性能控控制参量量和应用用阈值范范围，建建立具有有工程应应用价值值的损伤伤容限参参量设计计准则，为为合金在在航空、航航天及其其他领域域的工程程化应用用提供有有力的技技术支持持。高温高温TiAl成分组织设计熔炼和铸造

17、热塑性变形粉末冶金 冷坩锅定向凝固 冷坩锅感应熔炼 等离子熔炼 凝固过程数值模拟 细化晶粒 预合金粉组织和相选择规律全致密化等温锻造挤压模壳制备 板材轧制 包套轧制成形晶体生长择优取向 薄壁铸件 超塑成形 超塑成形 成分组织、缺陷分析及控制 性能表征与评价方法 合金制备与加工的关键技术基础图1 项目目的具体体技术路路线3创新点与与特色：把具有原始始创新的的高温TTiAll合金开开拓性研研究工作作推向解解决针对对我国航航空航天天重大工工程需求求的应用用基础研研究；把我国航空空航天发发动机用用高温结结构材料料系列，高高温Tii合金Ni基基高温合合金，发发展成为为：高温温Ti合合金高温TTiAll合

18、金Ni基基高温合合金，成成为发动动机减重重新途径径。特色是在解解决高温温TiAAl合金金的发展展上提出出了高NNb合金金化的创创造性思思想，通通过高NNb合金金化大幅幅度提高高TiAAl合金金的高温温力学性性能和高高温抗氧氧化性，达达到提升升航空航航天发动动机使用用温度的的目标。高高Nb合合金化引引领了国国内外TTiAll合金的的发展方方向，具具有我国国的原创创性。另另一方面面，从解解决共性性理论出出发，强强调围绕绕成分组组织设计计熔炼炼凝固固铸造造粉末末冶金-变形等等较全面面的精密密热成形形技术进进行研究究，各个个课题间间相互有有机结合合，形成成互相关关联的整整体。主要创新点点如下：高Nb合

19、金金化通过过连续有有序化，显显著提高高了合金金熔点；高Nbb合金化化通过改改变表面面氧化层层结构、提提高All2O3比例等等因素极极大提高高了TiiAl合合金的高高温抗氧氧化性，与与镍基高高温合金金相当；通过高Nbb合金化化和适量量其它相稳定定元素，达达到扩大大相相相区，把把液相和和相的的包晶相相变区推推向高AAl方向向移动；调控AAl含量量有利于于得到高高温TiiAl合合金相相凝固过过程，达达到提高高熔点和和细化组组织的目目的；通过等离子子冷床熔熔炼技术术实现高高温TiiAl合合金的均均质化和和高纯洁洁度冶炼炼，突破破适合高高温TiiAl合合金型材材的均质质、纯净净、大尺尺寸铸锭锭制备及及热

20、加工工技术；综合高温TTiAll合金在在多场作作用下的的铸造充充型特性性、壁厚厚效应以以及熔体体与型壳壳反应形形成表面面硬化层层的规律律，研究究可有效效提高其其铸件冶冶金质量量、抑制制表面硬硬化层生生成的技技术基础础；将高高温TiiAl合合金成分分对液固固界面生生长以及及液固相相变路径径选择的的作用与与变质处处理相结结合，建建立以铸铸造为成成形工艺艺路线的的高温TTiAll合金优优化设计计基础；以冷坩埚定定向凝固固新技术术制备高高纯净高高温TiiAl合合金，避避免了常常规定向向凝固造造成的型型壳反应应和污染染，揭示示多外场场耦合作作用下冷冷坩埚定定向凝固固过程控控制机理理；采用预合金金粉末包包

21、套轧制制途径，制制备大尺尺寸高性性能高温温TiAAl合金金板材；通过添添加相相稳定元元素和高高Nb合合金化制制备出含含高比例例相的的高温TTiAll合金粉粉末，促促进其后后续轧制制的热变变形能力力；确立高温TTiAll合金安安全服役役条件下下的力学学性能控控制参量量和应用用阈值范范围，建建立具有有工程应应用价值值的损伤伤容限参参量设计计准则，为为合金在在航空、航航天及其其他领域域的工程程化应用用提供有有力的技技术支持持。4取得重大大突破的的可行性性分析：研究工作基基础本项目围绕绕一种具具有国际际领先水水平、有有我国自自主知识识产权的的高温TTiAll合金展展开，目目标集中中，避免免了研究究目标

22、过过于分散散造成研研究工作作缺乏深深度。已已经完成成了高NNb-TTiAll合金基基础成分分-组织织-性能能关系和和实验室室级别的的制备加加工技术术研究，为为本项目目的顺利利进行打打下了良良好的基基础。 通通过围绕绕本项目目提出的的三个关关键科学学问题的的突破，解解决高温温TiAAl合金金制备与与成形加加工的关关键技术术，发展展和形成成高温TTiAll合金制制备与成成形加工工的技术术原型。这这些都是是国内外外TiAAl合金金制备、成成形与加加工领域域的研究究热点及及前沿，符符合国家家中长期期科技发发展规划划纲要的的重点支支持方向向，符合合国家保保护环境境、节能能降耗的的可持续续发展方方针。国内

23、在金属属间化合合物合金金的研究究与应用用也己取取得了许许多突破破性进展展，ICC10合合金己在在某型航航空发动动机取得得应用，TTAC-2在某某型主战战坦克发发动机上上通过寿寿命考核核，TiiAl合合金板材材也列入入航天科科技工程程首批试试验材料料。针对对更高推推重比112 -15、大大型飞机机和高马马赫数飞飞行器需需求的高高温TiiAl合合金已有有开创性性材料开开发成果果，在大大量的合合金制备备、加工工技术实实践中充充分暴露露了问题题，且对对这些问问题有了了基本的的认识。 本项目结合合了国内内TiAAl 合合金制备备和加工工领域优优势单位位，发挥挥各单位位在该研研究方向向上的专专长。北北京科

24、技技大学是是高温TTiAll合金的的发明单单位，在在合金基基础成分分-组织织-性能能关系和和实验室室级别的的制备和和热加工工方面研研究基础础深厚。哈哈尔滨工工业大学学在合金金熔炼、精精密铸造造、冷坩坩埚定向向凝固、高高温塑性性变形、异异种材料料连接等等方向上上有深厚厚的研究究基础，已已针对TTiAll合金的的共性问问题，从从不同学学科角度度进行学学科交叉叉和学科科融合，开开展了精精密热成成形技术术的研究究工作，在在技术层层面上已已经取得得了多项项创造性性的研究究成果；中南大大学在粉粉末冶金金等方向向上在国国内处于于领先地地位，一一直在对对粉末冶冶金TiiAl基基合金进进行研究究，在220000

25、年左右右开始快快速发展展，特别别是在高高质量粉粉末和坯坯体制备备方面，取取得了不不少成果果，主要要包括：采用元元素粉末末冶金方方法制备备与锻造造材料力力学性能能相当的的坯体，室室温延伸伸率达到到1.55%，阐阐明了元元素粉末末反应合合成TiiAl基基合金的的机理以以及相关关的致密密化原理理。制备备出了TTiAll基合金金发动机机气门，在在现场试试验中表表现出优优异的性性能。西西北工业业大学长长期从事事Ti及及Ti合合金、TTiAll合金、高高温合金金等材料料冶金、精精密铸造造、稀有有金属材材料先进进塑性成成形技术术等的研研究与开开发，近近年来先先后承担担了数十十项国家家基础研研究和国国防型号号

26、研制任任务。在在国际上上率先提提出液固固界面非非平衡溶溶质再分分配的概概念及相相关函数数关系；在亚快快速定向向凝固及及组织超超细化、高高温合金金和稀土土永磁合合金的凝凝固组织织与性能能方面进进行了开开创性研研究，获获得性能能提高数数倍的超超细胞/枝晶定定向组织织。并将将这些理理论研究究成果应应用于对对各种金金属材料料的凝固固过程模模拟、金金属单晶晶晶体生生长热力力学和动动力学模模拟、合合金相组组织模拟拟、三维维晶体取取向控制制、合金金性能及及服役性性能等方方面的研研究。近近年来在在相关现现代凝固固理论过过冷熔体体及溶液液法生长长、定向向凝固、快快速凝固固、半固固态凝固固以及激激光快速速熔凝等等

27、方面已已取得了了阶段性性研究成成果，其其中部分分成果居居于国际际先进水水平。西西北有色色金属院院长期从从事Tii合金和和TiAAl合金金研究，具具有丰富富的知识识积累, 特别别是在高高Nb-TiAAl合金金熔炼的的均匀化化上有突突出的研研究成果果。钢铁铁研究总总院自119877年起在在国家8863高高技术新新材料研研究计划划支持下下开展TTiAll等金属属间化合合物基高高温材料料的研究究，车用用增压涡涡轮、航航空发动动机用涡涡流器和和航天用用TiAAl合金金可逆涡涡轮转子子等部件件己进入入应用研研究。其其中，铸铸造TiiAl合合金增压压器涡轮轮于20003年年11月月实现了了国内自自主研制制的

28、TiiAl合合金发动动机热端端转动部部件试车车考核“零”的突破破，通过过与镍基基高温合合的对比比试验表表明，应应用这种种轻质材材料可使使大型柴柴油机的的加速响响应性提提高355%以上上、且可可显著降降低排放放烟度和和油耗。基基于装配配主机完完成的包包括5000小时时寿命试试验的多多项考核核结果良良好和其其减重所所产生的的技术推推动效果果明显，己己被列为为某型发发动机的的正选增增压器涡涡轮材料料。通过过这些需需求牵引引的TiiAl合合金研究究，钢铁铁研究总总院己对对这种轻轻质高温温材料的的性能和和工艺特特点有了了较深入入的认识识，尤其其是在国国防型号号技改支支持下建建立起了了铸造工工艺实验验室和

29、中中间试验验平台，可可作为本本申请项项目的重重要支撑撑条件钢钢铁研究究总院积积累了较较丰富的的TiAAl 合合金增压压涡轮精精密铸造造材料和和工艺研研究经验验，形成成了较强强的TiiAl 合金材材料研究究和工艺艺实验技技术力量量。北京京航空材材料研究究院航空空材料检检测研究究中心长长期进行行材料的的力学性性能测试试及行为为表征研研究工作作，具有有雄厚的的技术力力量并拥拥有多种种先进的的高温及及常温材材料试验验机和其其他仪器器设备。在在“七五”和“八五”期间，针针对发动动机FWWP144的研制制，编辑辑、出版版了航航空发动动机设计计用材料料性能数数据手册册第一一、第二二册，220088年出版版了

30、根据据FWSS10发发动机的的材料性性能数据据编写的的第三册册；在航航空推进进技术验验证计划划研制制过程中中编写的的第四册册即将出出版并利利用存量量资源创创建了发发动机材材料性能能数据库库。提供供了一定定数量的的具有置置信度、存存活率要要求的AA、B基基值和-3值值的性能能数据，制制定了材材料力学学性能数数据表达达准则：国军标标GJBB/Z 18AA-20005金金属材料料力学性性能数据据处理与与表达。在在材料的的力学性性能测试试与表征征技术的的研究方方面积累累了丰富富的经验验。研制条件和和基地本研究团队队拥有的的与本项项目有关关的国家家级重点点实验室室、国家家工程（技技术）研研究中心心8个，

31、一一个该领领域国内内最大的的基础建建设项目目：高NNb-TTiAll建设平平台。北京科技大大学新金金属材料料国家重重点实验验室的TTiAll研究平平台，包包括中等等规模的的熔炼和和热加工工中心、计计算中心心、专业业测试和和检测平平台。北京航空材材料研究究院从美美国Reetecch公司司引进的的国内唯唯一一台台2000kg级级PAMM5255等离子子束冷床床熔炼炉炉，利用用该设备备成功制制备出了了国内最最大的高高Nb-TiAAl合金金锭，尺尺寸15509000mmm、重677kg，铸铸锭冶金金质量良良好，成成分比较较均匀。宝钢股份有有限公司司拥有国国内最先先进的大大功率等等离子冷冷床炉，可可熔炼

32、8600mm圆圆锭、1120004000mm扁扁锭（220100年投产产）；采采用先进进的等温温锻造技技术，在在万吨液液压机上上锻造成成型国内内最大的的钛合金金精密锻锻件，锻锻件尺寸寸精细、性性能优异异；国内内最先进进的60000吨吨挤压设设备（220099年投产产）；以以及45500吨吨快锻机机，配合合以创新新的“软包套套”保温锻锻造技术术等，保保证了大大尺寸合合金的超超纯净、无无缺陷材材料制备备与加工工方面的的研究工工作。上海交通大大学、南南京理工工大学与与丹阳市市精密合合金厂有有限公司司建立了了整套TTi合金金和TiiAl 精密铸铸造生产产线，同同时引入入国外TTiAll 精密密铸造高高

33、水平的的技术人人才，使使以后的的研究工工作有更更高的起起点，使使具备全全尺寸件件的生产产能力。西北工业大大学凝固固技术国国家重点点实验室室以航空空航天为为代表领领域的国国防重大大材料技技术需求求为主要要服务对对象，以以先进材材料精确确成形为为主要技技术方向向，以科科学基础础、技术术创新和和工程化化应用的的综合集集成为主主要学术术特色，在凝固组织形态的形成规律，多元合金凝固理论方面取得多项得到国内外同行认可的研究成果。拥有1吨、30kg真空自耗电弧炉及相关的3000T液压机、500T液压机、25kg真空感应熔炼炉、真空热处理炉、Ti及TiAl合金冷坩埚熔炼与精密铸造设备等，具备了本项目实施所需的

34、各种设备条件保障。钢铁研究总总院是钢钢铁材料料及冶金金工艺综综合技术术的科研研院所，研研究领域域涵盖了了以金属属材料为为主的材材料科学学与工程程、冶金金生产流流程的工工艺及装装备技术术、分析析测试技技术和仪仪器设备备以及产产品质量量控制等等方面。先先进钢铁铁材料国国家工程程研究中中心、国国家钢铁铁产品质质量监督督检验中中心、国国家钢铁铁材料测测试中心心、国家家非晶微微晶合金金工程技技术研究究中心、国国家钢铁铁物料进进出口商商品检验验室、中中国冶金金质量体体系认证证中心均均设在该该院。高高温结构构材料是是钢铁研研究总院院的重点点研究方方向之一一，为给给我国航航空、航航天、舰舰船和兵兵器等国国防工

35、业业及国民民经济的的发展提提供高温温合金材材料基础础和技术术支撑，己己形成了了变形高高温合金金、铸造造高温合合金、粉粉末高温温合金和和金属间间化合物物四大高高温材料料体系和和研究队队伍，建建设了涿涿州粉末末高温合合金科研研生产基基地和永永丰高温温合金产产业基地地。上述单位研研究单位位实力雄雄厚、优优势互补补，具有有明显的的产学研研结合体体，有利利于解决决高温TTiAll合金产产业化和和应用的的关键技技术基础础。从研研究基础础、研究究人员素素质到实实验条件件均可以以满足本本项目的的研究需需要。因因此，具具备了在在高温TTiAll合金及及其制备备和成形形加工成成形相关关理论上上取得重重大突破破的可

36、能能性。5 课题之之间的关关系：本项目集中中在高温温TiAAl合金金系列上上，围绕绕轻质高高温TiiAl的的合金设设计理论论基础及及强韧化化机制、高高温TiiAl合合金凝固固过程组组织及缺缺陷的调调控机制制、高温温TiAAl合金金粉末冶冶金制备备过程的的流变塑塑变理论论科学问问题，根根据本项项目的总总体思路路和预期期目标，设设置如下下六个课课题：（11）高温温TiAAl合金金合金成成分-组组织-性性能设计计和优化化原理、（22）高温温TiAAl合金金的高洁洁净度熔熔炼和加加工科学学基础、（33）高温温TiAAl合金金熔模铸铸造关键键科学技技术基础础、（44）高温温TiAAl合金金冷坩埚埚定向凝

37、凝固新技技术基础础、（55）高温温TiAAl合金金板材的的粉末冶冶金及轧轧制新技技术基础础研究、（66）高温温TiAAl金属属间化合合物材料料使用性性能表征征和评价价。课题之间联联系紧密密，见图图2所示示。其中中第一个个课题和和第六个个课题与与其它四四个课题题的关联联性最大大，课题题1为不不同的制制备和加加工技术术提供优优化的合合金成分分和组织织设计理理论和强强韧化机机制，提提升高温温TiAAl合金金的室温温塑性和和韧性，以以顺利完完成项目目提出的的具体性性能指标标；课题题6为不不同的制制备加工工技术有有关的课课题提供供性能表表征方法法确保建建立统一一的性能能数据库库，为高高温TiiAl合合金

38、应用用设计准准则的建建立提供供数据支支撑。中中间四个个课题在在合金的的熔炼、凝凝固、成成型（成成形）、粉粉末冶金金上相互互关联和和支撑，实实现本项项目提出出的解决决高温TTiAll合金制制备和加加工关键键科学问问题，以以发展出出高温TTiAll合金制制备和加加工技术术原型。高温塑性变形高温塑性变形高温TiAl合金优化设计凝固成型 热塑性变形 粉末冶金 大铸锭等离子熔炼 凝固过程及最终凝固组织控制再结晶细晶 致密无夹杂组织 定向组织 等轴晶 组织性能表征及评价预合金粉+全致密化+包套板材轧制熔模精密铸造定向凝固静态再结晶动态再结晶图2 课题题之间的的关系图图课题1：高高温TiiAl合合金成分分-

39、组织织-性能能设计和和优化原原理研究目标：揭示针针对高温温条件和和具体的的制备加加工技术术下的合合金成分分-组织织-性能能关系，主主要包括括合金元元素NbbAll上下限限、微合合金化元元素的添添加原则则、多组组元高温温TiAAl合金金的相关关系和新新型工程程合金的的强韧化化机制、多多相有序序结构的的热形变变动态复复原机制制。主要研究内内容：基于密度函函数理论论第一性性原理的的高Nbb-TiiAl合合金设计计基础和和组成相相广义层层错能、反反相畴界界能与孪孪晶形成成能力等等晶体缺缺陷性质质，以及及合金元元素对以以上合金金的晶体体缺陷性性质作用用规律；通过热力学学计算和和试验研研究不同同Nb含含量

40、的多多组元高高温TiiAl合合金的准准相图、高高温不同同截面图图和其它它添加合合金元素素的影响响，揭示示多元合合金的相相变规律律和相关关系；在不同制备备和加工工工艺下下，Nbb、All含量对对合金成成分-组组织-性性能关系系的影响响规律，得得到其NNb/AAl含量量的上下下限，满满足课题题提出的的性能指指标；微合金化元元素的作作用规律律及添加加原则。主主要研究究W、BB、Sii等对细细化晶粒粒及片层层间距的的作用机机理和效效果；研研究Mnn、稀土土元素对对合金铸铸造性能能的影响响；研究究添加稀稀土元素素改善高高温抗氧氧化性的的机制；研究形变过过程中普普通位错错-超位位错-孪孪晶交互互作用，NN

41、b降低低层错能能对形变变和强韧韧化的影影响机制制；V、Mo等等元素对对高温TTiAll合金多多相有序序结构的的动态复复原过程程的影响响规律，以以提高合合金的热热加工性性能。高温条件和和不同加加工方式式下高NNb-TTiAll合金的的高温抗抗氧化机机制。经费比例：23%承担单位：北京科科技大学学，上海海交通大大学课题负责人人：林均均品，446岁，博博士，教教授，博博导主要承担人人员：陈陈国良，宋宋西平，孙孙坚课题2：高高温TiiAl合合金的高高洁净度度熔炼和和加工科科学基础础研究目标：建立等等离子冷冷床熔炼炼高温TTiAll合金的的均质化化和纯洁洁度控制制方法，揭揭示熔炼炼工艺路路线和工工艺参数

42、数对铸锭锭夹杂物物去除效效果及成成分组织织均匀性性的影响响规律。探探索出适适合高温温TiAAl合金金型材的的均质、纯纯净的大大尺寸铸铸锭制备备技术；通过高高温TiiAl合合金包套套挤压结结合等温温锻造工工艺细化化和均匀匀化组织织，通过过增加高高温相相提高热热变形能能力，研研制出组组织均匀匀细小的的大尺寸寸挤压棒棒材、锻锻造饼材材、板材材。主要研究内内容：利用有限元元模拟研研究高温温TiAAl合金金等离子子冷炉床床熔炼和和真空自自耗电弧弧熔炼过过程中热热平衡，建建立铸锭锭凝固过过程传热热、传质质及流动动的数学学物理模模型。基基于热/动力力力学分析析，对熔熔体中异异质夹杂杂的界面面反应及及其迁移移

43、分离的的机制进进行研究究，预测测铸锭凝凝固的宏宏观、微微观偏析析和缺陷陷类型；研究晶间熔熔体流体体力学、富富溶质熔熔体在凝凝固枝晶晶间的流流动结晶晶行为以以及溶质质分配规规律，分分析高温温TiAAl合金金熔炼过过程熔池池中液相相流动特特征及其其受外场场的影响响，结合合对凝固固过程中中原子扩扩散、溶溶质偏聚聚等所引引起的能能量障碍碍的分析析，明确确铸锭成成分分布布规律及及偏析机机制；通过对高温温TiAAl 合合金的冶冶金工艺艺途径和和过程参参数调控控，研究究大铸锭锭合金的的偏析、夹夹杂、缩缩孔、疏疏松等冶冶金缺陷陷的形成成机制及及其对综综合力学学性能的的影响规规律、熔熔体流变变行为，明明确冶金金

44、过程纯纯净化、匀匀质化机机理并提提出调控控方法；研究相稳稳定元素素对高温温TiAAl合金金热变形形能力的的影响，研研究热挤挤压工艺艺结合等等温锻造造的热加加工工艺艺对细化化铸态组组织和综综合力学学性能的的影响；研究Z参数数对组织织演变的的影响规规律，建建立热变变形过程程中宏观观参量和和材料微微观组织织演变之之间的数数学模型型、热变变形本构构关系数数学模型型和热变变形抗力力图。利利用计算算机模拟拟计算和和实验研研究热变变形参量量对合金金组织性性能的影影响规律律，建立立热加工工工艺优优化原理理；研究在应力力场、温温度场、速速度场及及外在约约束等多多场耦合合作用下下热变形形包套技技术在挤挤压、等等温

45、锻造造和轧制制中的作作用原理理，优化化热加工工工艺参参数。 经费比例：18%承担单位：西北工工业大学学，北京京科技大大学，哈哈尔滨工工业大学学，宝钢钢股份有有限公司司课题负责人人：常 辉，441，博博士，副副教授，博博导主要承担人人员：张张来启，陈陈玉勇，李李金山，王王宁，杨杨 昭昭，孔凡凡涛课题3：高高温TiiAl合合金熔模模铸造关关键科学学技术基基础研究目标：以高温TiiAl合合金在多多场作用用下铸造造充型特特性、壁壁厚效应应以及熔熔体与型型壳反应应形成表表面硬化化层的规规律为基基础，形形成可有有效提高高高温TTiAll合金铸铸件冶金金质量并并抑制表表面硬化化层生成成的精铸铸技术；揭示高高

46、温TiiAl合合金成分分对液固固界面生生长和液液固相变变路径选选择的作作用规律律，选择择变质处处理作用用明显且且相容性性良好的的变质剂剂，建立立以铸造造为成形形工艺路路线的高高温TiiAl合合金优化化设计基基础。主要研究内内容：研究离心和和反重力力铸造过过程中高高温TiiAl合合金中TTi及高高熔点元元素对液液固界面面生长特特性的作作用，揭揭示不同同成分范范围合金金包晶凝凝固过程程中组织织和缺陷陷形成规规律及其其对铸件件可靠性性的影响响，探索索氧、氮氮等间隙隙原子对对凝固行行为的作作用及作作用机理理，依此此对铸造造高温TTiAll合金母母合金的的成分、间间隙元素素含量进进行优化化调整； 以Pr

47、o/E复杂杂结构造造型、CCA法组组织模拟拟、Annsyss有限元元计算优优化组合合计算为为基础研研究高温温TiAAl精密密铸件软软件接口口计算问问题，通通过多场场耦合作作用下高高温TiiAl合合金精密密铸造过过程的数数值模拟拟，对柱柱状晶生生长、糊糊状区形形成规律律和充型型特性进进行全面面描述；通过流动性性、收缩缩性等工工艺性能能试验，分分析铸造造高温TTiAll合金包包晶凝固固过程中中组织和和缺陷交交互形成成规律；通过设设计标样样和调整整铸造参参数，揭揭示精密密铸造高高温TiiAl合合金的壁壁厚效应应及可能能的调控控途径；研究系系列变质质处理方方法的作作用以及及析出物物与基体体的物理理、力

48、学学相容性性，进行行变质剂剂优化选选择；进进而提出出综合优优化铸造造工艺技技术的思思路；研究熔体与与型壳反反应以及及热交换换对熔体体充型流流动的阻阻滞作用用，分析析高温TTiAll合金熔熔体与铸铸型表面面反应所所产生表表面硬化化层，揭揭示表面面硬化层层的形成成机制，研研究表面面硬化层层对高温温TiAAl合金金力学性性能的影影响，探探索有利利于抑制制表面硬硬化层形形成的型型壳面层层化学组组分，以以减少其其对力学学性能的的不利影影响；设置不同工工艺边界界条件制制备铸造造TiAAl合金金标样，通通过力学学性能实实验和整整体铸件件的考核核，揭示示组织和和缺陷对对高温TTiAll合金铸铸件可靠靠性的影影

49、响规律律，为推推动高可可靠性铸铸造高温温TiAAl合金金进入工工程应用用。经费比例：18.5%承担单位：钢铁研研究总院院，上海海交通大大学，丹丹阳市精精密合金金厂有限限公司，西西北工业业大学课题负责人人：张继继，488岁，博博士，教教授，博博导主要承担人人员：陆陆敏，张张建伟，王王新英，万万柏方，张张铁邦课题4：高高温TiiAl合合金冷坩坩埚定向向凝固新新技术基基础研究目标：揭示新新型高温温TiAAl合金金在冷坩坩埚定向向凝固条条件下的的组织、缺缺陷演变变规律；建立相相关凝固固理论模模型，运运用对凝凝固过程程的控制制，提高高该合金金的塑性性、强度度等性能能指标，建建立该定定向凝固固组织典典型构

50、件件的关键键成形技技术方法法。主要研究内内容： 研究冷坩埚埚无污染染定向凝凝固高温温TiAAl合金金的相选选择和组组织演化化规律，定定向凝固固过程电电磁感应应加热熔熔化及凝凝固界面面的控制制方法及及原理；合金连续熔熔化、铸铸造与定定向凝固固用多功功能冷坩坩埚系统统的电热热性能及及优化设设计；连连续定向向凝固制制备合金金锭的冷冷坩埚电电磁感应应熔化/凝固成成形过程程组织随随工艺参参数变化化规律及及其优化化；研究高温TTiAll合金的的缺陷演演化热力力学及动动力学及及铸造质质量控制制。合金金表面裂裂纹形成成的热力力学及动动力学机机理及其其控制规规律；缩缩孔缩松松形成的的热力学学及动力力学机理理及其

51、控控制规律律；成分分偏析形形成的机机理及其其控制规规律；综综合铸造造质量的的控制方方法优化化；高温TiAAl合金金片层组组织的定定向热处处理过程程中组织织演化规规律及其其取向控控制。高高温平衡衡相组成成及双相相钛铝基基合金梯梯度温度度场内平平衡相组组成及分分布；定向凝固高高温TiiAl合合金成分分-组织织-工艺艺参数-力学性性能之间间的关系系。经费比例：13%承担单位：哈尔滨滨工业大大学，南南京理工工大学课题负责人人：郭景景杰，554岁，博博士，教教授，博博导主要承担人人员：傅傅恒志，陈光，丁宏升课题5：高高温TiiAl合合金板材材的粉末末冶金及及轧制新新技术基基础研究究研究目标：通过添添加相

52、相稳定元元素和高高Nb合合金化制制备出的的含高比比例相相的高温温TiAAl合金金粉末，促促进其后后续轧制制的热变变形能力力，保证证大变形形量大尺尺寸板材材的制备备；建立立粉末冶冶金合金金致密化化过程微微缺陷形形成和控控制理论论，在应应力场、温温度场、速速度场及及外在约约束等多多场耦合合作用下下，板材材轧制过过程中的的精确变变形流动动理论。建建立从合合金粉末末-热等等静压致致密化-热机械械处理-包套轧轧制制备备大尺寸寸TiAAl合金金板材的的完整的的技术原原型。形形成具有有自主知知识产权权的高温温TiAAl合金金连接技技术，实实现高温温TiAAl合金金本身及及其与其其他材料料的连接接。主要研究内

53、内容：研究相稳稳定元素素和高NNb合金金化对高高温TiiAl合合金粉末末的非平平衡相的的结构形形成与演演化规律律影响，得得出优化化的板材材成分组组织和设设计原则则；研究成分偏偏扩散以以及微偏偏析对合合金粉末末致密化化过程的的作用规规律，致致密化过过程中AAl，NNb，CCr，WW等元素素在粉末末颗粒内内部和界界面的分分布状态态以及扩扩散途径径，以及及由此造造成的对对致密化化过程物物质流动动、原始始界面消消除以及及新结构构形成的的影响；杂质和缺陷陷分布及及对粉末末冶金高高温TiiAl合合金损伤伤机理。粉粉末冶金金材料杂杂质元素素、残余余孔隙和和其它缺缺陷的存存在方式式，对材材料室、高高温以及及动

54、、静静态力学学性能的的作用规规律；研究高温TTiAll合金粉粉末非平平衡结构构形成与与演化，粉粉末致密密化行为为和缺陷陷形成与与控制机机理，在在应力场、温温度场、速速度场及及外在约约束等多多场耦合合作用下下，合金金板材包包套轧制制过程中中金属流流动规律律；研究热轧过过程中组组织结构构演化行行为，建建立工艺艺组织织性能能交互作作用关系系模型，确确定变形形缺陷形形成演化化规律及及其控制制原理；研究高温温TiAAl合金金板材后后续热处处理过程程中的组组织性能能演变规规律，实实现组织织性能精精确控制制；研究板材的的超塑性性变形机机理，超超塑性变变形过程程中显微微组织演演变及孔孔洞的形形核和长长大规律律

55、；研究高温TTiAll合金钎钎焊及扩扩散连接接用中间间层成分分及其与与母材的的界面反反应机理理、反应应相形成成规律；探索电电子束焊焊接时的的接头质质量控制制方法及及焊接热热输入对对接头力力学性能能的影响响。经费比例：16%承担单位：中南大大学, 西北有有色金属属研究院院，哈尔尔滨工业业大学课题负责人人：贺跃跃辉，446岁，博博士，教教授主要承担人人员：刘刘咏，刘刘海彦，冯冯吉才课题6：高高温TiiAl金金属间化化合物材材料使用用性能表表征和评评价研究目标：确立高高温TiiAl合合金安全全服役条条件下的的力学性性能控制制参量和和应用阈阈值范围围，揭示示组织类类型和微微观缺陷陷对合金金裂纹萌萌生和

56、扩扩展的影影响规律律，揭示示合金损损伤容限限性能与与微观组组织的关关系，建建立具有有理论基基础并具具有工程程应用价价值的寿寿命评估估方法和和损伤容容限参量量设计准准则，为为合金在在航空、航航天及其其他领域域的工程程化应用用提供有有力的技技术支持持。主要研究内内容：针对高温TTiAll合金在在发动机机不同部部件上的的应用，研研究合金金在发动动机部件件典型使使用温度度与复杂杂载荷条条件下（高高温静力力拉伸、持持久/蠕蠕变、应应力/应应变疲劳劳以及疲疲劳/蠕蠕变等）应应力与应应变的本本构关系系，对合合金的性性能进行行全面的的评估分分析，确确立安全全服役条条件下的的性能控控制参量量和应用用阈值范范围，

57、建建立性能能控制参参量的表表征技术术；研究合金的的微观断断裂特征征和失效效机制，包包括小裂裂纹萌生生机制、小小裂纹和和长裂纹纹的扩展展规律以以及断裂裂机制；研究组组织类型型和微观观缺陷对对合金裂裂纹萌生生和扩展展的影响响规律；揭示合金的的断裂韧韧度KIIC、疲疲劳裂纹纹扩展速速率daa/dNN以及疲疲劳裂纹纹扩展门门槛值Kthh等损伤伤容限性性能与微微观组织织的关系系，发展展计算机机损伤模模拟模型型，为合合金的微微观组织织设计和和探讨微微观组织织对损伤伤容限性性能的影影响机理理奠定基基础；研究合金在在反复热热循环和和热冲击击条件下下的尺寸寸稳定性性和性能能稳定性性评价方方法；建立具有理理论基础

58、础并具有有工程应应用价值值的寿命命评估方方法和损损伤容限限参量设设计准则则；航天飞行器器短时持持久/蠕蠕变、应应力/应应变疲劳劳以及疲疲劳/蠕蠕变等的的本构关关系及性性能表征征。经费比例：11.5%承担单位：中航工工业北京京航空材材料研究究院，航航天科工工集团特特种材料料工艺技技术研究究所课题负责人人：于慧慧臣，444岁，博博士，研研究员主要承担人人员：郭郭广平，黄黄新跃，许许沂，雷雷昆鸟四、年度计计划研究内容预期目标第一年1以铸造合合金为对对象，基基于密度度函数理理论第一一性原理理的高NNb-TTiAll合金设设计，NNb、AAl含量量对合金金成分-组织-性能关关系的影影响规律律，得到到其N

59、bb/All含量的的上下限限和微量量元素的的添加规规律；2利用有限限元模拟拟研究高高温TiiAl合合金等离离子冷炉炉床熔炼炼和真空空自耗电电弧熔炼炼过程中中热平衡衡，建立立铸锭凝凝固过程程传热、传传质及流流动的数数学物理理模型；基于热热/动力力力学分分析，对对熔体中中异质夹夹杂的界界面反应应及其迁迁移分离离的机制制进行研研究，预预测铸锭锭凝固的的宏观、微微观偏析析和缺陷陷类型；3铸造过程程中高温温TiAAl合金金中Tii及高熔熔点元素素对液固固界面生生长特性性的作用用，不同同成分范范围合金金包晶凝凝固过程程中组织织和缺陷陷形成规规律及其其对铸件件可靠性性的影响响，探索索氧、氮氮等间隙隙原子对对

60、凝固行行为的作作用及作作用机理理； 4 相稳稳定元素素对高温温TiAAl合金金热变形形能力的的影响，ZZ参数对对组织演演变的影影响规律律，热变变形过程程中宏观观参量和和材料微微观组织织演变之之间的数数学模型型、热变变形本构构关系数数学模型型和热变变形抗力力图；5高Nb-TiAAl合金金的雾化化粉末的的制备；研究相稳定定元素和和高Nbb合金化化对高温温TiAAl合金金粉末的的非平衡衡相的结结构形成成与演化化规律影影响，高高Nb合合金粉末末的致密密化。1 初步得得到铸造造高温TTiAll合金的的合金成成分-组组织-性性能关系系和合金金设计原原则；2 揭示铸铸造高温温TiAAl合金金凝固过过程的传传