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輕量化和綠色制造是實現(xiàn)航空航天和交通運輸?shù)阮I(lǐng)域節(jié)能減排的重要手段，鋁合金是其輕量化首選，但傳統(tǒng)鋁合金服役性能不能滿足高端制造業(yè)發(fā)展的要求，制造過程也存在高污染、高能耗、質(zhì)量不穩(wěn)定等問題。以新思路、新原理、新材料、新工藝克服關(guān)鍵共性難題，突破鋁合金力學(xué)性能瓶頸、取代落后工藝是必然選擇。 本項目以多相熔體原子團簇演變調(diào)控為突破口，發(fā)明系列納米晶種材料，提出納米晶種技術(shù)，已成為大幅提升鋁合金的綜合性能和加工工藝性能的創(chuàng)新手段。 傳統(tǒng)鑄造鋁硅合金生產(chǎn)中通常添加磷鹽、赤磷或磷銅合金調(diào)控共晶及過共晶Al-Si合金中的初晶硅相的尺寸、形貌及分布，但存在磷量不可控、變質(zhì)效果及產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、P2O5污染嚴重的問題。生產(chǎn)中通常采用傳統(tǒng)Al-Ti-B及Al-Ti-C細化劑鋁合金基體的α-Al枝晶，但是因Si“中毒”及Zr “中毒”，對含Si或含Zr鋁合金幾乎失去細晶強化作用。基于以上難題，山東大學(xué)發(fā)明了用于調(diào)控初晶硅相的Al-P系納米晶種材料及用于鋁合金晶粒細化的強效AlTiC-B系納米晶種材料。 Al-P系納米晶種：①節(jié)能減排：與傳統(tǒng)工藝相比，避免了P2O5有毒氣體排放，簡化工序，節(jié)能降耗。②產(chǎn)品質(zhì)量提升：實現(xiàn)了初晶硅尺度及構(gòu)型高效調(diào)控，鋁活塞鑄件抗拉強度提升0%，體積穩(wěn)定性和可靠性顯著提高。③高純化：可將鋁熔體中Ca、Na、Sr含量分別由22 ppm、14ppm、14 ppm降低至1 ppm以下。 AlTiC-B系納米晶種：①解決了Si、Zr細化“中毒”等難題，有效調(diào)控基體相。②提升了Al-Cu系鋁熔體的流動性，解決了熱裂、澆不足等行業(yè)難題。③提升了鑄件性能：與傳統(tǒng)Al-Ti-B相比，使A356合金屈服強度提高15%，延伸率提高37%；使2024合金抗拉強度由398MPa提升至550MPa，延伸率由9.8%提升至15.5%。 獲獎情況:2016年度山東省技術(shù)發(fā)明一等獎，納米晶種合金系列產(chǎn)品與耐熱高強輕金屬材料的創(chuàng)制及應(yīng)用2009年度山東省技術(shù)發(fā)明二等獎，硅-磷和鋁-磷合金研制與發(fā)動機活塞材料強化新技術(shù)2005年度山東省科技進步二等獎，富磷富碳中間合金的研究與應(yīng)用2004年度教育部技術(shù)發(fā)明二等獎，高效Al-P中間合金及其變質(zhì)處理

一、 項目簡介鋁合金因重量輕、資源豐富、綜合性能好，所以在機械、交通運輸、航天與軍事工業(yè)等高新技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用逐年增加。生產(chǎn)高質(zhì)量的鋁合金，控制鑄錠組織是十分必要的，而控制其組織和性能的關(guān)鍵之一是獲得細小均勻的等軸晶。晶粒細化是近期國際上對傳統(tǒng)材料升級和創(chuàng)造新型合金的三大工藝手段之一。因此，可以運用細化晶粒的方法來提高合金的性能，從而滿足不斷發(fā)展的技術(shù)對高性能材料的需要。晶粒細化方法可分為內(nèi)生形核質(zhì)點法和外來形核質(zhì)點法，內(nèi)生形核法主要包括電磁作用、超聲波振動、快速凝固等方法，而外來形核質(zhì)點法是通過向呂溶液中加入中間合金細化劑，產(chǎn)生異質(zhì)形核核心，提高晶體的形核率，從而細化晶粒。在實際生產(chǎn)中，內(nèi)生形核的幾種方法都有一定的局限性，如需要特殊的設(shè)備和工藝，成本較高等，因此，目前向鋁合金熔液中添加細化劑仍是細化晶粒最簡單有效的方法。目前，應(yīng)用較為廣泛的鋁合金細化劑包括Al-Ti-B、Al-Ti-C等中間合金細化劑。Al-Ti-B的細化機理是Al-Ti-B加入到鋁合金熔液中，會與鋁熔體中的鋁反應(yīng)生成Al3Ti、TiB2、AlB2等粒子，它們分散到整個合金熔液中并形核，從而起到晶粒細化作用。隨著鋁合金晶粒細化劑的多元化發(fā)展，人們通過向合金中加入稀土元素來提高細化效果和細化的長效性。稀土元素是表面活性物質(zhì)，易在鋁或鋁熔液的晶界和相面上吸附偏聚，稀土的加入不僅能夠改善Al3Ti形核相的形態(tài)和分布，還能細化熔液中微粒尺寸，同時稀土還具有除氫、凈化鋁液的作用。鈧是一種稀土元素，Sc元素是優(yōu)化鋁合金組織和性能的最有效的元素，Sc對Al有很強的彌散強化、晶粒細化作用，并可有效抑制Al的再結(jié)晶。Sc和Al相互作用的主要特征是共晶共格，Sc和Al生成的Al3Sc相與Al基體母相共格，對位錯及亞晶有極大的釘扎作用，阻止和抑制晶粒長大，促進晶粒細化，微量的鈧元素就能夠?qū)︿X合金起到很好的晶粒細化效果。近年來，快速凝固技術(shù)在工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，經(jīng)過快速凝固處理后，金屬在液態(tài)中的溶解度得到擴大，材料各部位的組織更加緊密，凝固結(jié)晶會更加細小，晶粒的分布更加均勻，這些結(jié)構(gòu)上的改變使材料擁有了更高的綜合性能，對工業(yè)生產(chǎn)具有重要的意義。本項目中的新型細化劑是在已有應(yīng)用成熟的細化劑的基礎(chǔ)上，向其中添加微量稀土鈧元素，并結(jié)合快速凝固技術(shù)制備而成。將該新型細化劑加入到A356.2鋁合金后，合金微觀組織由原來粗大的樹枝狀晶粒變?yōu)榧毿〉牡容S晶，與已有的細化劑相比，其細化效果更加明顯，對合金力學(xué)性能有更大的提高。二、 項目技術(shù)成熟程度已完成實驗工作。實驗中，對比了A356.2鋁合金分別加入傳統(tǒng)鑄態(tài)Al-Ti-B、快速凝固Al-Ti-B、鑄態(tài)Al-Ti-B-Sc和快速凝固Al-Ti-B-Sc，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，快速凝固Al-Ti-B-Sc中間合金對A356.2鋁合金具有最好的細化效果，微量稀土元素Sc的加入和快速凝固技術(shù)的使用使細化劑具有了更好的細化效果，經(jīng)過該細化劑細化后鋁合金的力學(xué)性能會得到更大的提高。三、 技術(shù)指標(biāo)本項目中，未細化前，A356.2 鋁合金的平均晶粒尺寸為120μm左右；加入傳統(tǒng)Al-Ti-B細化劑后，A356.2鋁合金的平均晶粒尺寸會細化至80μm左右；而加入該新型細化劑后鋁合金的細化劑會細化至30μm左右，可見，該新型細化劑對A356.2鋁合金細化效果非常明顯。經(jīng)過該細化劑細化后，A356.2鋁合金的性能也有一系列的提高，硬度值由細化前的80HV增加到接近100HV。細化并熱處理后，抗拉強度由原來的300MPa增加到接近370MPa，延伸率由原來的4.5%可增加到5%以上。該項目中的相關(guān)內(nèi)容已申報發(fā)明專利，申請?zhí)枮?0130644087.1，專利正在受理過程中。四、 市場前景鋁合金資源豐富，且具有良好的綜合性能，所以應(yīng)用非常廣泛，向熔融鋁合金中加入中間合金來細化鋁合金的晶粒可以進一步提高合金的性能。隨著鋁合金應(yīng)用的進一步廣泛，對鋁合金性能的要求也越來越高，該項目所涉及的內(nèi)容在細化鋁合金內(nèi)部組織，獲得性能更優(yōu)異鋁合金具有非常突出的效果。該項目中的新型細化劑，在低壓鑄造鋁合金車輪的生產(chǎn)過程中將會有很好的市場前景，其對鋁合金車輪性能的提高能夠滿足更高的使用要求，隨著技術(shù)的不斷成熟，該新型細化劑很可能取代現(xiàn)在已有的應(yīng)用成熟的鋁合金細化劑。五、 規(guī)模與投資需求六、 生產(chǎn)設(shè)備TECNO 90工業(yè)熔煉爐、快速凝固設(shè)備等生產(chǎn)設(shè)備及萬能拉伸試驗機、金屬分析儀、金相顯微鏡等檢測觀察設(shè)備。七、 效益分析由于該項技術(shù)屬本領(lǐng)域的新技術(shù)，較已有的技術(shù)相比有突出的優(yōu)勢，按每年生產(chǎn)1000噸計算，可獲利約2000萬。八、 合作方式面談。九、 項目具體聯(lián)系人及聯(lián)系方式項目負責(zé)人：趙維民，電話：13370316780，  郵箱：wmzhao@hebut.edu.cn 。十、 附件：成果圖片 A356.2鋁合金細化前后的金相組織

針對車載氫能源的難題，開展納米結(jié)構(gòu)鎂基合金復(fù)合材料儲氫研究，特別開展了 Mg 納米線的儲氫性能研究。 MgH2（7.6wt% H2）是理想的輕質(zhì)儲氫材料之一，但其緩慢的吸放氫動力學(xué)和相對高的操作溫度，限制了它的發(fā)展。為了改善鎂基材料的儲氫性能，通過氣相傳輸?shù)姆椒ㄖ苽淞瞬煌蚊驳?Mg 納米線。結(jié)果表明，改變載氣流速、傳輸溫度和沉積基底，可以控制 Mg 納米 10線的長度和直徑。測試結(jié)果顯示，Mg 納米線降低了脫附能壘，改善了熱力學(xué)和動力學(xué)性能。實驗結(jié)果顯示，直徑為 30-50nm 的 Mg 納米線具有良好的可逆儲放氫性能。 研究成果發(fā)表在 J. Am. Chem. Soc.，J. Phys. Chem. C，J. Alloys Compds 等期刊上，授權(quán)發(fā)明專利 2 項。

以大型薄壁結(jié)構(gòu)雙激光束雙側(cè)同步焊接(DLBSW)工藝與裝備需求為牽引，開展高效激光焊接機理、技術(shù)、裝備研究，突破了激光焊接微觀熱-力-冶金機理、形性一體化精準(zhǔn)調(diào)控技術(shù)，形成了首套雙激光束雙側(cè)同步焊接裝備，完成了國內(nèi)首個激光焊接火箭貯箱的研制。 技術(shù)特征 面向航空航天大型復(fù)雜曲面薄壁結(jié)構(gòu)，提出了焊縫組織形態(tài)三維解構(gòu)方法、面向微區(qū)缺陷與性能的組織形態(tài)重構(gòu)與參數(shù)體系化設(shè)計方法；提出了智能化建模技術(shù)，形成了面向航空航天型號產(chǎn)品的虛擬焊接體系。

成果描述：國內(nèi)油氣田站場生產(chǎn)管線用鋼管腐蝕都十分嚴重，干擾正常生產(chǎn)，每年損失為3億，耗資巨大，主要腐蝕部位為管子接頭處。本成果研究出一種鐵基形狀記憶合金新型功能材料和管接頭部件的生產(chǎn)工藝，為油氣田提供了一種既耐腐蝕又密封耐高壓免焊接、免補口的管道連接的新技術(shù)，包括配套的新材料、新方法和新裝備。本成果也可用于化工流程、家用純凈水管道的方便連接。市場前景分析：石油天然氣站場管線、化工廠管道連接、機械裝備壓力油管、家用飲用水管的連接。與同類成果相比的優(yōu)勢分析：1、鐵基形狀記憶合金管接頭抗拉強度≥700Mpa,屈服強度≥350Mpa，延伸率＞20%，回復(fù)應(yīng)力＞200 Mpa。 2、良好的耐腐蝕性能，能抵抗油氣開采產(chǎn)生的深井地下水（鹵水）的腐蝕。 3、耐壓不低于20 Mpa，可滿足石油天然氣地面管線的要求。 4、相對于目前焊縫腐蝕壽命提高2～3倍。 5、接頭化學(xué)成分穩(wěn)定，輸送的飲用水可達到直接飲用的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。 國際先進。

成果描述：針對微鉆在使用過程中失效的主要形式和原因，納米粉在燒結(jié)成微鉆硬質(zhì)合金的過程中，出現(xiàn)WC晶粒異常長大，帶來性能的明顯降低這個問題，研究了添加特種晶粒長大抑制劑的作用和燒結(jié)過程優(yōu)化研究。現(xiàn)已能批量生產(chǎn)Ф3.75標(biāo)準(zhǔn)微鉆生產(chǎn)用納米晶硬質(zhì)合金棒材，該棒材強度高、硬度高、壽命長、加工性能好、實物質(zhì)量水平已達同類產(chǎn)品（三菱、東芝、SANDVICK）的先進水平。市場前景分析：硬質(zhì)合金生產(chǎn)廠家生產(chǎn)納米硬質(zhì)合金制品，特別是為國內(nèi)需求量巨大的高密度印制電路板鉆孔用微鉆的硬質(zhì)合金棒材的生產(chǎn)。 2005年消耗量超過1000萬只的PCB企業(yè)有16家，超過500萬只的企業(yè)近40家。國內(nèi)PCB行業(yè)2005年消耗微鉆總量在4億只以上，采購資金超過40億元，微鉆使用壽命短和鉆機換刀頻繁已成為制約整個PCB業(yè)提升利潤空間和產(chǎn)出效率的瓶頸。市場迫切需要鉆孔質(zhì)量好、使用壽命高、價格適中的PCB微鉆產(chǎn)品。目前國內(nèi)PCB微鉆生產(chǎn)用硬質(zhì)合金棒材每年需求量約200萬公斤，一半以上需要進口，需求量巨大。與同類成果相比的優(yōu)勢分析：橫斷面彎曲強度 /MPa≥3500 硬度/HRA≥92.5 WC晶粒度/μｍ﹤400nm 金相組織為A02B00C00 密度 /g/cm3≥14.4 國內(nèi)領(lǐng)先。

用于鋁及鋁合金的含釩細化劑,根據(jù)是否含碳或/和氮,有三種類型:1.鋁1～99%,釩0.7～82.5%,碳0.1～17.0%;2.鋁1～99%,釩0.7～81%,氮0.1～21.5%;3.鋁1～98%,釩0.7～83%,氮0.1～20%,碳0.1～18%。上述含釩細化劑的制備方法有五種,第一種和第三種制備方法的工藝步驟:(1)配料,(2)混合與成型,(3)燒結(jié)。第二種制備方法的工藝步驟:(1)配料,(2)鋁或鋁合金熔化,(3)澆鑄凝固。第四種和第五制備方法的工藝步驟:(1)配料,(2)混合與成型,(3)自蔓延合成。

本發(fā)明涉及一種含銅的耐熱鎂錫合金及其制備方法，該耐熱合金的組分由鎂、錫、銅、錳四種元素或鎂、錫、銅、錳和鋁五種元素組成；各組分的質(zhì)量百分比為：錫：6～8％、銅：1.8～2.5％、錳：0.5～1％、鋁：0～2.5％，其余為鎂。該合金制備方法包括熔煉、均勻化及固溶熱處理、時效熱處理三個步驟。本發(fā)明合金組織由晶界連續(xù)分布的高熔點金屬間化合物和晶內(nèi)均勻彌散析出的沉淀相組成，合金成分不含稀土元素和貴金屬元素，且熔煉工藝簡單。本發(fā)明合金晶界硬度可達140HV以上；在200℃下時效峰值時晶內(nèi)基體硬度可達到78HV，時效700小時硬度仍保持在75HV左右，高溫組織穩(wěn)定，耐蠕變性能好，具備商用潛力。

對稀土合金磁性材料的電磁輸運特性、變磁性轉(zhuǎn)變、自旋重定向及 其與之相關(guān)的結(jié)構(gòu)相變等行為進行深入的實驗研究，重點關(guān)注其中 介觀尺度磁疇結(jié)構(gòu)、相分離現(xiàn)象以及微觀電子結(jié)構(gòu)等的衍變規(guī)律、 以及它們與宏觀電磁現(xiàn)象的關(guān)聯(lián)效應(yīng)，深入理解稀土元素在其中發(fā) 揮的重要作用以及稀土合金材料的磁性作用機制，探究4f—3d電子 的相互作用機理，以達到探尋其微觀物理本質(zhì)的目的；在此基礎(chǔ)上 ，進一步研究該類材料中的磁熱效應(yīng)，為磁制冷技術(shù)的推廣與應(yīng)用 提供可靠的實驗數(shù)據(jù)支持。 該項目的研究對象為先進功能材料，對于改善生活環(huán)境和節(jié)能減排 都具有一定的現(xiàn)實意義。 該項目已獲上海市自然基金項目立項支持。

以大型薄壁結(jié)構(gòu)雙激光束雙側(cè)同步焊接(DLBSW)工藝與裝備需求為牽引，開展高效激光焊接機理、技術(shù)、裝備研究，突破了激光焊接微觀熱-力-冶金機理、形性一體化精準(zhǔn)調(diào)控技術(shù)，形成了首套雙激光束雙側(cè)同步焊接裝備，完成了國內(nèi)首個激光焊接火箭貯箱的研制。技術(shù)特征面向航空航天大型復(fù)雜曲面薄壁結(jié)構(gòu)，提出了焊縫組織形態(tài)三維解構(gòu)方法、面向微區(qū)缺陷與性能的組織形態(tài)重構(gòu)與參數(shù)體系化設(shè)計方法；提出了智能化建模技術(shù)，形成了面向航空航天型號產(chǎn)品的虛擬焊接體系。應(yīng)用范圍:已有合作與成效：（1）與中國商飛合作，完成C919機身壁板結(jié)構(gòu)DLBSW仿真研究與樣件研制工作；（2）與上海航天技術(shù)研究院合作，將DLBSW技術(shù)應(yīng)用于火箭燃料貯箱結(jié)構(gòu)，成果完成了國內(nèi)首個激光焊接火箭貯箱的研制工作；（3）與航天一院合作，開展新一代載人火箭貯箱箱底焊接變形控制研究。后續(xù)推廣：為將來重型運載火箭、大型寬體客機、戰(zhàn)略運輸/轟炸機、下一代戰(zhàn)斗機制造提供支持。