纳米结构难熔/有色金属合金基复合材料的高温稳定性调控

The project is aimed to develop materials with high wear and electric erosive resistance and high strength at elevated temperature, which will meet great demands in the fields of major infrastructures and defense industry. We will focus on the studies of adjustment and control of thermal stability and phase stability of nanostructures in the multicomponent and multiphase alloys. The design principles and nanostructuring technology will be proposed for the refractory/nonferrous alloy based composite materials for high temperature applications. The laws and mechanisms that the microstructure stability affects the high-temperature physical and mechanical properties of the nanostructured composites will be disclosed. Using the W(Mo)-Me-Cu-Co-WC(MoC) systems as sample materials, we will carry out multiscale modeling, low temperature in-situ synthesis of nanopowder and stabilization of phases dominant for main properties. The critical conditions for rapid discontinuous grain growth and phase transformation in the nanostructured composites will be determined. The methodology to achieve high stability and advanced properties of the refractory/nonferrous alloy based composites will be expounded. The results will facilitate the development of new type metal-matrix composite materials applicable for significant engineering fields, by providing theoretical basis and new techniques for composition design, microstructure control and cooperative improvement of high-temperature performance.

本项目面向民用重大基础设施和国防军工领域对材料高温耐磨、耐电弧烧蚀和高温强度等优越综合性能的紧迫需求，以多元多相合金体系中纳米组织结构热稳定性和相稳定性的高温调控为研究主线，建立高温用难熔/有色金属合金基复合材料的设计与纳米化制备方法，揭示复合材料组织稳定性对高温物性和力学性能的影响规律及作用机制。以W(Mo)-Me-Cu-Co-WC(MoC)为模型材料，利用跨尺度建模计算、纳米复合粉末低温原位合成和性能主导相高温稳定化等关键技术，研究确定纳米结构的复合材料突发不连续晶粒长大和相失稳转化的控制要素，提出难熔/有色金属合金基复合材料获得高度组织稳定性、优越高温综合性能的调控途径与科学机理。研究成果将为国家战略前沿领域高温用新型金属基复合材料的设计、组织调控和高温性能协同提高，奠定理论基础并提供新技术原型。

本项目针对多元多相复合材料体系中微观组织结构的热稳定性和相稳定性的高温调控及其对性能影响的科学问题，研究获得了稳定性的影响因素、演变规律和多尺度机理，提出了具有普适性的高温稳定的纳米结构难熔/有色金属基复合材料的设计准则；建立了组元尺寸和界面结合特性可调控、不互溶金属结构差异化、两相三维高度连通等特点的纳米结构复合材料制备技术；开发出高温下同时具有耐磨损、高强韧、抗电弧烧蚀等优越性能的系列纳米结构难熔/有色金属基复合材料，满足民用重大基础设施和国防军工等领域对极端服役环境下材料综合性能的严苛要求；揭示了多元多相成分和组织结构稳定性对材料高温物性和力学性能的影响规律及作用机制，为研发新型、综合高性能的难熔/有色金属基复合材料提供了技术原型和协同调控机理。.基于项目主要研究成果，获得中国有色金属工业科技奖一等奖1项；于Sci. Adv.、Adv. Sci.、Acta Mater.等发表SCI论文75篇；申请国际国家发明专利27项（授权20项）；主办国际国内学术会议4次，做大会/主旨/邀请报告43次；研发的新型W-Cu基高压电触头，通过了产品性能验证型式试验并获得企业高度评价，在热稳定性能及耐电弧烧蚀性能方面具有明显优势和重要应用前景。培养青年学术骨干7名，其中1名获得IFAM 2020优秀青年科学家奖，2名入选北京市“海聚人才”，3名入选北京工业大学“优秀人才”，1名入选西安理工大学“优秀青年教师”；指导博士后4名、博士研究生8名、硕士研究生16名，其中11名研究生获校级“优秀学位论文”，3名研究生获“北京市优秀毕业生”荣誉称号，4名研究生获全国学术会议“优秀论文奖”。项目超额完成了预期任务指标。