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    科學研究
    最新公告
    2021-06-19
    2021年6月18日上午,粉末冶金國家重點實驗室2021年第一期學術交流研討會在中南大學...
    研究成果
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    標志性成果2

    發布時間:2018-03-16    作者:    來源:     瀏覽次數:


    名稱

    類別

    成果為第一完成單位

    本室固定人員參加名單

    所屬研究方向

    高性能難熔金屬材料

    應用基礎研究

    范景蓮、龔浩然、劉濤、成會朝、韓勇、李威

    方向三

    鎢鉬難熔金屬以高密度、高熔點等特殊性能在國民經濟有著很重要的應用,被國家列為戰略物質。然而,隨著空天飛行器、原子能等前沿科學和尖端技術的發展,要求材料具有高強韌、抗燒蝕等多功能,現有鎢鉬材料性能無法滿足要求,難熔金屬拓展應用面臨巨大挑戰。針對此,提出“納米/微納復合”,開辟了“納米/納微復合難熔金屬基復合材料”新領域。

    取得的主要創新成果如下:

    一、發明了超高溫輕質難熔金屬基復合材料,為新型飛行器和航天發動機提供高性能關鍵高溫材料保障

    飛行器是目前世界各空天強國重點探索的領域,代表了國際空天技術發展的重大方向。飛行器在近地空間以Ma5~20長時間飛行,其前端關鍵結構部件表面產生2000~3000℃高溫、承受強表面氧化和高動壓高過載沖擊。這對熱端構件提出了極為苛刻的使用要求,要求具有優異的高溫強韌、長時間抗氧化與輕量化等綜合性能,是國際公認最突出技術難題?,F有高溫材料因高溫強度低、抗氧化燒蝕差或密度高等不足而無法應用,成為飛行器研制的關鍵技術瓶頸。針對這一重大需求,創新提出“微納復合”設計思想,采用超高溫陶瓷相微納復合增強難熔金屬,在此基礎上開發出表面原位自生長熱防護涂層,最終制備出超高溫輕質難熔金屬基復合材料:其高溫強度比現有超高溫材料提高5倍,密度降低1/2;經風洞和發動機反復考核,材料基體無破壞、表面近零燒蝕,實現了難熔金屬高溫強韌、長時間抗燒蝕和輕量一體化。該技術成果為國內外原創,填補世界空白,為我國飛行器研制提供關鍵高溫材料保障,同時拓展應用于航空航天,滿足了發動機耐3000℃以上強沖刷、抗沖擊和抗燒蝕要求,成為多項國家重大高新工程定型產品。

    二、發明了新型細晶高性能鎢基復合材料,成功應用于國防、新能源、微電子信息、原子能等高端制造,推動行業領域發展

    鎢基復合材料具有高密度、高強韌等特性,是國防軍工和國民經濟諸多領域難以替代的關鍵材料?,F有制備技術存在晶粒粗大、性能低、規格尺寸小等缺陷,難以滿足尖端技術發展要求。為解決這一重大難題,提出“納米原位復合”思想,發明金屬鹽溶液混合-快速噴霧干燥,實現粉末超飽和固溶和合金化,突破傳統W、Cu不相溶和W滲Cu理論禁錮與技術缺陷,解決了現有鎢合金強韌性低、晶粒粗大、組織不均勻問題,晶粒細化4~10倍,強度提高30%,延伸率提高2~5倍。建立了“納米原位復合”理論,獲國際鎢領域權威專家積極評價。與株硬集團聯合攻關,通過技術裝備集成創新,研制出系列高性能鎢基復合材料和超大尺寸鎢材,形成多種規格和品種產品,用于我國10多項重點、重大工程,為保障國家安全做出了重要貢獻;超大規格鎢材在國內11家企業推廣應用,同時產品出口國外,應用于新能源、微電子信息等高端技術領域,經濟效益顯著,性能達到國際先進水平,提升我國鎢材料國際競爭力。

    三、發明了核聚變堆面向等離子體最關鍵全鎢偏濾器材料和部件制備技術,將我國鎢材料研究推向國際最前沿領域

    核聚變能是人類未來理想能源,與核裂變能相比具有無輻射、釋能大等優點。為解決核聚變能可控利用,中、美、歐、韓、日、印七方成立了目前最大的國際合作項目—國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃,我國也啟動了中國聚變工程實驗堆(CFETR)計劃。聚變堆運行時,面向等離子體材料承受高能等離子體持續長時轟擊,在表面產生2000℃以上高溫,對材料高溫性能和化學穩定性提出了極高要求。鎢具有高熔點、良好化學穩定性等優點,是未來聚變堆最理想面向等離子體材料。但現有鎢材料晶粒粗大、性能差,難以滿足服役要求。針對此,提出“納米/微納復合增強-納米梯度復合擴散連接”制備細晶全鎢偏濾器材料部件。采用稀土氧化物和碳化物納米/微納復合增強鎢,實現其高強韌和抗高熱沖擊,與現商業鎢相比,抗熱沖擊性提高50%。采用納米梯度復合擴散連接技術,實現鎢與熱沉結構材料高強度冶金結合,連接強度比傳統提高2倍。研究成果被國際鎢領域權威刊物(RM&HM)主編評價為“鎢領域重大技術進展”,國際核聚變權威機構法國原子能委員會評價“為全鎢偏濾器提供全新技術途徑”,將我國鎢研究引入國際最前沿。

    以上成果近5年獲國家技術發明二等獎1項、省部級一等獎1項、獲“全國創新爭先獎”及何梁何利科技進步獎,發表論文近100篇;獲國家發明專利11項,申請公開國家(國防)發明專利15項,申請公開美國專利1項。

    成果佐證清單

    序號

    成果類型

    成果名稱

    完成人

    刊物、出版社或

    授權單位名稱

    年、卷、期、頁或專利號

    1

    獲獎

    國家技術發明二等獎

    范景蓮,張忠健,劉濤,田家敏,傅崇偉,吳湘偉

    國務院

    2015

    2

    獲獎

    中國兵工學會科學技術一等獎

    范景蓮

    中國兵工學會

    2016

    3

    獲獎

    何梁何利科技進步獎

    范景蓮

    何梁何利基金

    2017

    4

    論文

    Refractory metal silicides reinforced by in-situ formed Nb2O5 fibers and

    mullite nanoclusters

    Jinglian Fan, Qiong Lu, Peizhong Feng, Wei Li

    Ceramics International

    2017, 43: 16362-16370

    5

    論文

    Micro/nano composited tungsten material and its high thermal loading

    behavior

    Jinglian Fan, Yong Han

    Journal of Nuclear Materials

    2014, 455: 717-723

    6

    論文

    Structural, thermodynamic, and mechanical properties of WCu solid solutions

    C.P. Liang, C. Y. Wu, J.L. Fan, H.R. Gong

    Journal of Physics and Chemistry and Solids

    2017, 110:401–408

    7

    論文

    Interface structure and work function of W-Cu interfaces

    C. P. Liang, J. L. Fan,H. R. Gong*, Xiangke Liao, Xiaoqian Zhu, and Shaoliang Peng

    Applied Physics Letters

    2013, 103: 211604

    8

    論文

    Structural stability and magnetic properties of WFeH phases

    L. Chen, J.L. Fan, M. Song, H.R. Gong*

    International Journal of Hydrogen Energy

    2016, 41: 13093-13100

    9

    論文

    Cohesion properties of W/La2O3interfaces from first principles calculation

    C. Wei, Q.Q. Ren, J. L. Fan, and H. R. Gong*

    Journal of Nuclear Materials

    2015, 466: 234-238

    10

    論文

    First-principles study of W–TiC interface cohesion

    D. Y. Dang, L. Y. Shi, J. L. Fan, and H. R. Gong*

    Surface & Coatings Technology

    2015, 276: 602–605

    11

    論文

    Cohesion properties of carbon–tungsten interfaces

    Q. Q. Ren, D. Y. Dang, H. R. Gong*, J. L. Fan, and Y. M

    Carbon

    2015, 83: 100-105

    12

    專利

    一種高溫強韌化碳化物增強鉬合金及制備方法

    范景蓮,成會朝,劉濤,田家敏,高楊

    中南大學

    ZL200910123666.5

    13

    專利

    一種難熔金屬表面復合抗氧化涂層及其制備方法

    范景蓮,李威,高楊,成會朝,田家敏

    中南大學

    ZL201418004642.X

    14

    專利

    一種高鎢含量的高致密細晶鎢銅材料及其制備方法

    范景蓮,劉濤,田家敏,成會朝,高楊

    中南大學

    ZL20110007251.9

    15

    專利

    一種碳化物和稀土氧化物復合強化細晶鎢材料的制備方法

    范景蓮,李鵬飛,韓勇,劉濤,成會朝,田家敏,張梓卓,高陽

    中南大學

    ZL201510068832.1



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