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輕量化和綠色制造是實現航空航天和交通運輸等領域節能減排的重要手段，鋁合金是其輕量化首選，但傳統鋁合金服役性能不能滿足高端制造業發展的要求，制造過程也存在高污染、高能耗、質量不穩定等問題。以新思路、新原理、新材料、新工藝克服關鍵共性難題，突破鋁合金力學性能瓶頸、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控為突破口，發明系列納米晶種材料，提出納米晶種技術，已成為大幅提升鋁合金的綜合性能和加工工藝性能的創新手段。 傳統鑄造鋁硅合金生產中通常添加磷鹽、赤磷或磷銅合金調控共晶及過共晶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、變質效果及產品質量不穩定、P2O5污染嚴重的問題。生產中通常采用傳統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，山東大學發明了用于調控初晶硅相的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節能減排：與傳統工藝相比，避免了P2O5有毒氣體排放，簡化工序，節能降耗。②產品質量提升：實現了初晶硅尺度及構型高效調控，鋁活塞鑄件抗拉強度提升0%，體積穩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、澆不足等行業難題。③提升了鑄件性能：與傳統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年度山東省技術發明一等獎，納米晶種合金系列產品與耐熱高強輕金屬材料的創制及應用2009年度山東省技術發明二等獎，硅-磷和鋁-磷合金研制與發動機活塞材料強化新技術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用2004年度教育部技術發明二等獎，高效Al-P中間合金及其變質處理

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、航天與軍事工業等高新技術領域中的應用逐年增加。生產高質量的鋁合金，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材料升級和創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，從而滿足不斷發展的技術對高性能材料的需要。晶粒細化方法可分為內生形核質點法和外來形核質點法，內生形核法主要包括電磁作用、超聲波振動、快速凝固等方法，而外來形核質點法是通過向呂溶液中加入中間合金細化劑，產生異質形核核心，提高晶體的形核率，從而細化晶粒。在實際生產中，內生形核的幾種方法都有一定的局限性，如需要特殊的設備和工藝，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，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對鋁合金起到很好的晶粒細化效果。近年來，快速凝固技術在工業中得到了廣泛的應用，經過快速凝固處理后，金屬在液態中的溶解度得到擴大，材料各部位的組織更加緊密，凝固結晶會更加細小，晶粒的分布更加均勻，這些結構上的改變使材料擁有了更高的綜合性能，對工業生產具有重要的意義。本項目中的新型細化劑是在已有應用成熟的細化劑的基礎上，向其中添加微量稀土鈧元素，并結合快速凝固技術制備而成。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為細小的等軸晶，與已有的細化劑相比，其細化效果更加明顯，對合金力學性能有更大的提高。二、 項目技術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鑄態Al-Ti-B、快速凝固Al-Ti-B、鑄態Al-Ti-B-Sc和快速凝固Al-Ti-B-Sc，結果發現，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的使用使細化劑具有了更好的細化效果，經過該細化劑細化后鋁合金的力學性能會得到更大的提高。三、 技術指標本項目中，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。該項目中的相關內容已申報發明專利，申請號為20130644087.1，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?？梢赃M一步提高合金的性能。隨著鋁合金應用的進一步廣泛，對鋁合金性能的要求也越來越高，該項目所涉及的內容在細化鋁合金內部組織，獲得性能更優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，隨著技術的不斷成熟，該新型細化劑很可能取代現在已有的應用成熟的鋁合金細化劑。五、 規模與投資需求六、 生產設備TECNO 90工業熔煉爐、快速凝固設備等生產設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備。七、 效益分析由于該項技術屬本領域的新技術，較已有的技術相比有突出的優勢，按每年生產1000噸計算，可獲利約2000萬。八、 合作方式面談。九、 項目具體聯系人及聯系方式項目負責人：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

由于鑄造生產過程由多工序集體作業完成，成分、溫度、鑄型質量乃至 氣候環境等多因素影響產品質量，工藝參數波動大，質量控制靠經驗的比重 大，產品質量很大部分又都是在產品成形后甚至機械加工后才體現出來，質 量問題非常突出。鑄造過程計算機模擬仿真是學科發展的前沿領域，是當今世 界各國專家學者關注的熱點，已成為鑄造工藝設計與優化的重要手段。鑄造CAE 的精度取決于界面條件數據、熱物性數據、初始條件數據的輸入，這些數據與 企業生產條件緊密相關，不是軟件所能給予的。鑄造CAE材料數據體系與精益 鑄造工藝技術在歐、美、日韓等國際知名企業得到高度重視，是企業不對外提 供、具有核心競爭力的技術。 本項目與一些國內大型知名企業合作，開展了鑄造CAE材料數據及精益鑄 造工藝開發應用研究，開發材料數據體系，建立了 CAE精準分析與精益工藝設計的集成應用平臺，縮短鑄造工藝開發周期，提升生產線質量指標及工藝效率, 降低生產成本，提高企業核心競爭力。利用本研究成果，每年幫助多個企業進行近20個高要求復雜鑄件的質量攻 關，已累計在百余種鑄件上獲得應用。

針對車載氫能源的難題，開展納米結構鎂基合金復合材料儲氫研究，特別開展了 Mg 納米線的儲氫性能研究。 MgH2（7.6wt% H2）是理想的輕質儲氫材料之一，但其緩慢的吸放氫動力學和相對高的操作溫度，限制了它的發展。為了改善鎂基材料的儲氫性能，通過氣相傳輸的方法制備了不同形貌的 Mg 納米線。結果表明，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。測試結果顯示，Mg 納米線降低了脫附能壘，改善了熱力學和動力學性能。實驗結果顯示，直徑為 30-50nm 的 Mg 納米線具有良好的可逆儲放氫性能。 研究成果發表在 J. Am. Chem. Soc.，J. Phys. Chem. C，J. Alloys Compds 等期刊上，授權發明專利 2 項。

以大型薄壁結構雙激光束雙側同步焊接(DLBSW)工藝與裝備需求為牽引，開展高效激光焊接機理、技術、裝備研究，突破了激光焊接微觀熱-力-冶金機理、形性一體化精準調控技術，形成了首套雙激光束雙側同步焊接裝備，完成了國內首個激光焊接火箭貯箱的研制。 技術特征 面向航空航天大型復雜曲面薄壁結構，提出了焊縫組織形態三維解構方法、面向微區缺陷與性能的組織形態重構與參數體系化設計方法；提出了智能化建模技術，形成了面向航空航天型號產品的虛擬焊接體系。

成果描述：國內油氣田站場生產管線用鋼管腐蝕都十分嚴重，干擾正常生產，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，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%，回復應力＞200 Mpa。 2、良好的耐腐蝕性能，能抵抗油氣開采產生的深井地下水（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、接頭化學成分穩定，輸送的飲用水可達到直接飲用的衛生標準。 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，納米粉在燒結成微鉆硬質合金的過程中，出現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過程優化研究。現已能批量生產Ф3.75標準微鉆生產用納米晶硬質合金棒材，該棒材強度高、硬度高、壽命長、加工性能好、實物質量水平已達同類產品（三菱、東芝、SANDVICK）的先進水平。市場前景分析：硬質合金生產廠家生產納米硬質合金制品，特別是為國內需求量巨大的高密度印制電路板鉆孔用微鉆的硬質合金棒材的生產。 2005年消耗量超過1000萬只的PCB企業有16家，超過500萬只的企業近40家。國內PCB行業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業提升利潤空間和產出效率的瓶頸。市場迫切需要鉆孔質量好、使用壽命高、價格適中的PCB微鉆產品。目前國內PCB微鉆生產用硬質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 國內領先。

本發明公開了一種具有優良磁性能的FeTbBSi系非晶合金及其制備方法。 該系非晶合金的化學分子式為Fe100-x-y-zTbxBySiz，其中x、y和z分別為Tb元素、 B元素和Si元素的原子百分數，100-x-y-z為Fe元素的原子百分數，1≤x≤25， 20≤y≤25，0≤z≤10。該合金的制備方法如下：將工業純金屬原料以及FeB合 金按合金配方配料，采用磁懸浮感應熔煉成母合金，然后用單輥甩帶法制得非 晶薄帶。本發明鐵基非晶合金具有高的磁致伸縮系數，軟磁性能優良，同時成 分簡單，并擁有良好非晶形成能力。本發明的FeTbBSi系非晶合金可以廣泛應 用于結構材料和軟磁材料等方面。