TM (Zr, V, Ti)-Si系相关相图与新型轻质高温结构材料探索

Lightweight high-temperature structural materials are important for the development of both key military and civil products. Transition metal (TM=Zr, Ti, V) silicide-based materials are potential candidates for this field, while related fundamental research still remains to be further explored. In this project, based on the previously completed Ti-Si system, we will firstly focus on the (Zr, V)-Si systems and then construct the TM (Zr, V, Ti)-Si-B-M multicomponent thermodynamics of phase diagram. The crystal structure, electronic structure and energy will be investigated to discuss the stability, formation mechanism and mechanical properties. The purpose is to explore new high-temperature reinforcement. The interfacial energy and lattice matching will be studied by both experimental and theoretical methods. Then we design the in situ composites with proper amount of plastic-and-toughening phases and hard-and-brittle phases base on the above information. The microstructural information like grain size, grain boundary, phase boundary and dislocation, will also be investigated. The studied properties of the composites include brittle ductile transition temperature, creep resistance, and high-temperature oxidation. Based on the above information, new lightweight high-temperature structural materials will be developed and optimized.

轻质高温结构材料是军工和民用重点产品发展的重要基础，以Zr、Ti、V等过渡金属元素的硅化物为基的材料具有良好的开发潜质，然而基础研究仍有待探索。本项目结合前期已开展的Ti-Si系的工作基础，将完善TM (Zr, V, Ti)-Si-B-M体系多元相图热力学数据库的建设，构筑相关的三元和多元体系相平衡关系；采用第一性原理方法研究重要金属间化合物的体相结构、电子结构和能量等属性，探讨其稳定性、形成机理、力学性能、以及合金化改性的途径，以探索新型的高温增强相。研究增强相和基体之间的界面能与晶格匹配关系。以此为基础，探索新型轻质高温结构材料，设计并制备纳米晶原位复合材料，获得塑韧相和硬脆相合理搭配的复相材料。研究原位复合材料的晶粒尺寸、晶界、相界、位错等微观结构信息，和韧脆转变温度及蠕变性能，探讨高温氧化行为及微观机理。以此指导新型轻质高温结构材料的体系设计、微观组织结构和性能优化。

以Zr、Ti、V等过渡金属元素的硅化物为基的轻质高温结构材料是军工和民用重点产品领域具有良好开发潜质的候选材料，开展相关的基础研究有重要的意义。在前期已开展的Ti–Si系的工作基础之上，本项目继续开展TM (Zr, V, Ti)–Si–B–M体系相图及其热力学数据库的研究，构筑相关的三元和多元体系相平衡关系。在实验研究的基础上，采用第一性原理方法研究重要金属间化合物的体相结构、电子结构和能量等属性，探讨其稳定性、形成机理、力学性能、以及合金化改性的途径，并通过实验手段进行验证，以探索新型的高温增强相。根据研究发现，增加了含Nb元素的合金相图的研究以及Zr3Al2、Ir–Zr、ZrW2、TiOsX、B2-ZrCu、B2-ZrCu、Ti–Cu–Me、TiAl等金属间化合物结构与性能的研究。探讨了一条由理论计算来指导新型过渡金属硅化物基轻质高温结构材料的设计途径，制备了相关的原位复合材料，获得塑韧相和硬脆相合理搭配的复相材料。研究材料的微观结构信息，韧脆转变温度及蠕变性能，探讨高温氧化行为及微观机理。研究成果已发表学术论文共25篇，其中在SCI和EI收录的国际期刊发表22篇、中文期刊3篇；获得授权国家发明专利3项。培养硕士研究生15名（自治区级研究生创新项目2项）、本科生20名（3个国家级创新学生团队、1个自治区级创新学生团队），指导互联网+比赛一项（获得广西区金奖）。