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鋁及其合金是工程應用最廣泛的結(jié)構(gòu)材料之一。傳統(tǒng)的鋁合金零件通過鑄造、鍛造和粉末冶金等方法制造，與這些傳統(tǒng)制造過程相關的工具設備增加了制造成本和交付周期。3D打印技術由于為制造設計提供了豐富的自由度而廣泛應用于工程零件的制造?，F(xiàn)有3D打印技術中，選擇性激光熔化（SLM）是發(fā)展最為廣泛的方法之一。但是SLM工藝中的冶金缺陷如許多裂紋、球化和氣孔導致只有有限數(shù)量的金屬適合該種工藝，且具備滿足要求的密度、微觀結(jié)構(gòu)和強度。 中南大學粉末冶金研究院李瑞迪研究員和新西蘭奧克蘭大學、中車工業(yè)研究院有限公司等單位合作通過對合金元素進行調(diào)控和熱處理工藝的探索，發(fā)展了一種適用于SLM制備工藝，具有良好抗裂性和高強度Al-Mg-Si-Sc-Zr合金。相關論文以題為“Developing a high-strength Al-Mg-Si-Sc-Zr alloy for selective laser melting: crack-inhibiting and multiple strengthening mechanisms”于4月13日在金屬材料頂級期刊《Acta Materialia》在線發(fā)表。 在該項工作中，研究人員設計了一系列Al-Mg（-Si）-Sc-Zr合金，并用霧化合金粉末進行3D打印制備。在沒有Si元素的情況下，Al-xMg-0.2Sc-0.1Zr（x=1.5,3.0,6.0wt.%）合金在制備過程中均易發(fā)生熱裂紋，平均裂紋密度隨Mg含量的增加而增大。發(fā)現(xiàn)在Al-6Mg-0.2Sc-0.1Zr合金中加入1.3wt%的Si能夠有效地抑制SLM過程中的熱裂紋，同時細化制備合金的微結(jié)構(gòu)，從而提高打印試樣的力學性能。 圖1：不同成分的打印樣品晶粒尺寸和形貌EBSD分析結(jié)果：（a）1.5 wt%Mg，合金1；（b）3.0 wt%Mg，合金2；（c）6.0 wt%Mg，合金3；（d）6.0 wt%Mg+1.3 wt%Si，合金4。晶體學取向用倒極圖（IPF）表示。 圖2：Mg和Si元素對試樣斷裂行為的影響。（a）不同合金成分（合金1，合金2，合金3，合金4）的拉應力應變曲線。（b-e）合金1（b）、合金2（c）、合金3（d）、合金4（e）的斷口SEM圖像。 通過對合金成分的進一步微調(diào)，研究人員設計了一種新型合金Al-8.0Mg-1.3Si-0.5Mn-0.5Sc-0.3Zr。這種新合金具有明顯的細化微觀組織，由亞微米胞體和胞體中存在的共晶Al3（Sc，Zr）納米粒子（2-15nm）和粒間Al-Mg2Si共晶（Mg2Si直徑10-100nm）組成。打印試樣中形成了高密度的層錯和獨特的9R相。試樣的拉伸強度和延伸率分別達到497MPa和11%。經(jīng)過時效處理后，試樣的拉伸強度達到550MPa，塑性在8%～17%之間。除了固溶強化、晶界強化和納米顆粒強化外，高密度層錯也有助于強化。 圖3：不同組分（a1-4）合金#4；（b1-4）合金#5的SLM打印樣品的細晶區(qū)TEM圖像：（a1-2）合金4的胞狀結(jié)構(gòu)；（a3-4）合金的柱狀結(jié)構(gòu)；（b1-5）合金（b2）的胞狀結(jié)構(gòu)是（b1）的暗場圖像；（b3-4）合金的柱狀組織#5；圖（a2），（a4），（b2）和（b4）顯示了晶間共晶組織；（b5）是SLM-printed Alloy#5細胞的干HAADF圖像和主要元素（Al、Mg、Si、Sc、Mn和Zr）的相應EDX圖譜。 圖4：（a）SLM打印合金#5時效前后的拉伸應力應變曲線。曲線“#5”表示打印合金#5；曲線“#5-HT1”表示360℃時效8h的合金#5；曲線“#5-HT2”表示300℃時效8h的合金#5。（b）在合金#5-HT2斷裂處拉伸試樣的透射電鏡顯示具有高密度位錯和SFs的變形組織。（c）沿[001]方向的變形亞晶中滑移帶和滑移方向的HRTEM圖像。（d）在（-100）面上用（c）圖中標記區(qū)域的傅里葉逆變換圖像顯示出高密度位錯。 這項研究成果通過在原有3D打印Al-Mg-Sc-Zr合金中添加Si元素，形成了精細打印微觀組織，獲得了無裂紋的打印合金成分。隨后通過熱處理時效工藝引入高密度層錯并細化晶粒，開發(fā)出了一種具有低熱裂敏感性和高強度的新型鋁鎂合金。這項工作提供了一種解決和消除SLM工藝中的冶金缺陷的鋁鎂合金成分設計方法和熱處理工藝，推動了SLM制造技術的工程應用。

本成果針對鎂合金生產(chǎn)與應用過程中的關鍵問題，成功開發(fā)了鎂合金目標 產(chǎn)品的集成應用技術和循環(huán)利用技術，打通了目標產(chǎn)品的合金開發(fā)、產(chǎn)品設計、 材料加工、產(chǎn)品生產(chǎn)、產(chǎn)品應用和合金廢料返回利用的整個技術鏈條和循環(huán)過程。 主要創(chuàng)新成果為：1）發(fā)明了一批高品質(zhì)鎂合金。2）開發(fā)和發(fā)明了高質(zhì)量鑄造產(chǎn) 品高效環(huán)保加工技術和成套的型材擠壓技術，成功制備了世界上最大規(guī)格的中 空型材；大幅度提高了鑄件的成品率。3）首次創(chuàng)新開發(fā)了 “重質(zhì)夾雜逆向自凈 化”的“反向"過濾技術和成套裝備，攻克了過濾精煉能力快速衰減的國際難題。 4）建立了鎂合金材料及產(chǎn)品服役性能數(shù)據(jù)庫，開發(fā)了專家預測系統(tǒng)及先進的鎂 產(chǎn)品開發(fā)技術系統(tǒng)，建成了國內(nèi)外第一個綜合性的“鎂合金材料替換設計及產(chǎn)品 應用技術開發(fā)平臺"，解決了鎂產(chǎn)品推廣應用中新材料和新產(chǎn)品脫節(jié)的瓶頸問題。 成功開發(fā)了 200余款（種）鎂合金及鑄造產(chǎn)品、300多種規(guī)格高品質(zhì)鎂合金 管型材和兩大系列鎂合金氣體保護熔鑄和廢鎂回收再生裝備，已在1000多萬輛 汽車得到成功應用，并已成功裝備軌道交通工具及軍工關鍵裝備上。節(jié)能效益非 常明顯，創(chuàng)造了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。

本項目針對實際生產(chǎn)中存在的鋁合金機匣變色、耐磨性不夠高等困擾企業(yè)多 年的技術難題，經(jīng)過工藝改進和優(yōu)化，開發(fā)出了納米尺度陽極氧化新技術，解決 了鋁合金機匣變色的技術難題。近5年來，采用納米陽極氧化新技術處理的鋁合 金機匣40余萬件，產(chǎn)生直接經(jīng)濟效益1200萬元，每年節(jié)約成本200萬元。同時, 在節(jié)能排放方面產(chǎn)生了巨大的社會效益。

催化劑技術的進步關系到現(xiàn)代化學工業(yè)的興衰，其中酸、堿催化劑的使用涉及了三分之一以上的化工生產(chǎn)過程，廢水處理、設備腐蝕、固液殘渣處理等問題，必須從技術源頭上才可能根本解決。本項目技術突破傳統(tǒng)分子篩類、金屬氧化物、酸堿性樹脂類“固體催化劑”的限制，設計開發(fā)了一系列酸或堿強度、密度可以調(diào)變的復合固體酸、固體堿催化劑，可以在較寬的反應溫度條件下穩(wěn)定使用，覆蓋 60?300℃工況條件。一方面替代液體酸或揮發(fā)性酸（硫酸、磷酸、有機磺酸、氫氟酸、三氯化鋁等），或腐蝕性堿（苛性堿、醇堿）、有機堿（胺）催化劑在傳統(tǒng)化工生產(chǎn)中的應用；另一方面，利用固體成型獨特的物化性質(zhì)和工況適應性，配套結(jié)構(gòu)型反應器、催化精餾反應器發(fā)展了具有自主知識產(chǎn)權的高端化工成套技術。

成果描述：本成果研發(fā)出一款具有中介高Q值的微波介質(zhì)材料，主要參數(shù)滿足： 介電常數(shù)：45±5% Qf：≥35000 溫度系數(shù)：≈0 ppm/℃市場前景分析：該材料主要應用于介質(zhì)加載的腔體濾波器中，可將傳統(tǒng)基于金屬腔的腔體濾波器體積縮小一半左右，在通信基站等領域有非常廣泛的應用前景。與同類成果相比的優(yōu)勢分析：目前國內(nèi)有兩三家企業(yè)在生產(chǎn)類似的產(chǎn)品，但與日本京瓷等公司的同類型產(chǎn)品在性能上還有一定的差距，本成果研發(fā)材料接近日本京瓷產(chǎn)品指標，成本上有很大的優(yōu)勢。

本項目主要依托東北大學近十年來在加壓冶金裝備和超高強韌、耐蝕高氮不銹鋼品種開發(fā)方面的長期技術積淀，投資工業(yè)化規(guī)模的加壓冶金裝備（一臺1噸的加壓感應爐和一臺5噸的加壓電渣爐），聯(lián)合開發(fā)和生產(chǎn)超高強韌、耐蝕高氮不銹鋼材料系列，用于制造航空航天、軍工、高端裝備制造用高端軸承、海洋工程耐海水腐蝕部件、醫(yī)用生物材料、高端醫(yī)療工具、民用特種刀具、特種塑料模具和高端閥門等。目前該項目在國內(nèi)屬于首創(chuàng)。 高氮耐蝕塑料模具鋼M303、M333（0.1%N）和M340（0.2%N），其組織更均勻細小，同時具有最佳的拋光性能以及極佳的耐腐蝕性能、良好的韌性、加工性能和尺寸穩(wěn)定性，可高端耐蝕鏡面塑料模具市場需求。P900N（18Cr-18Mn-0.9N）和P900NMo（18Cr-18Mn-2Mo-0.9N）和P2000（16Cr-14Mn-3Mo-0.9N ）該類鋼具有高的屈服強度和塑性，良好的耐腐蝕性能特別是耐應力腐蝕和低的導磁性能，強度級別更高的P900N、P900NMo和P2000在航母、潛艇和各種艦船上的大型電機用護環(huán)以及航母彈射器上用的護環(huán)制備中具有廣泛的應用前景，同時P2000可以用與人體植入材料、以及高強緊固件。 Fe-Cr-Mn-N系高氮奧氏體不銹鋼（氮含量0.8-1.5wt%），其無磁性而大幅提高武器裝備的隱蔽能力和抗磁干擾能力，其優(yōu)良抗彈性能和高防護系數(shù)，同時兼有優(yōu)良的耐蝕性能，可作為兩棲坦克的高強結(jié)構(gòu)材料和兩棲裝甲的理想防護材料，為裝甲鋼方面的發(fā)展添加了一條新途徑。Fe-Cr-Ni-N體系的高氮不銹鋼具有優(yōu)異的耐應力腐蝕性能和高的屈服強度，可應用于壓力水（PWR）和沸騰水（BWR）核反應的冷卻材料。因此，在核動力航母和核潛艇上也將有潛在的應用。目前東北大學已成功開發(fā)出制備超高強韌、耐蝕高氮不銹鋼的加壓冶金關鍵設備和核心工藝技術，并實驗室規(guī)模成功制備性能優(yōu)異的高氮馬氏體不銹鋼Cronidur30、M303、M333和M340，高氮奧氏體不銹鋼P900N、P900NMo和P2000等，已經(jīng)基本完成了航空用軸承、高端耐蝕塑料模具、生物植入器件和高強緊固件等用材料的實驗室規(guī)模試制。

近年來，食品安全、環(huán)境污染、大規(guī)模傳染性疾病等威脅到人類身體健康和生命安全的問題頻發(fā)，社會各界高度關注。應對這些影響人類健康和生命安全的社會公共問題，發(fā)展快速高靈敏的檢測技術顯得尤為重要。我們研究組長期從事生物芯片檢測技術研究，可以在直徑為3~5英寸基片上生長出均勻的納米基底，適于大規(guī)模生產(chǎn)，其表面增強拉曼光譜（SERS）的增強因子高達十的九次方。生產(chǎn)出的基片重復度高，可用于生化分子檢測快捷（檢測時間小于1分鐘）。幾年來，我們開發(fā)出了一系列不同的基底和檢測平臺，并將其用于病毒、病菌、毒素和藥物等的檢測，取得了多項美國專利，可彌補國內(nèi)生物檢測芯片發(fā)展緩慢的不足

成果描述：對高鎂磷礦進行復合選別，并將其中的鎂進行回收制得鎂的工業(yè)產(chǎn)品(如氫氧化鎂)，磷利用率達到95%。同時對其中的鈣也進行回收，得到硫酸鈣晶須或輕質(zhì)超細碳酸鈣材料，以及其它鈣產(chǎn)品。全部實現(xiàn)綜合利用，提高經(jīng)濟效益。市場前景分析：目前我國磷礦中高鈣鎂磷礦占多數(shù)，還有大量高硅磷礦，本項目附合國家產(chǎn)業(yè)政策，不僅消除了堆積污染，還創(chuàng)造了較大的經(jīng)濟效益，具有較好的市場前景。與同類成果相比的優(yōu)勢分析：（1）回收的磷肥約為30%P2O5，磷收率大于95%。 （2）氫氧化鎂產(chǎn)品中Mg(OH)2>90%，鎂收率大于80%。 （3）硫酸鈣產(chǎn)品中白度>90，鎂收率大于90%。