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材料科学与工程学院
2019年12月26日
项目名称： 钛合金及其复合材料组织调控与改性机理
申报奖项： 国家自然科学奖
主要完成人：耿林，黄陆军，彭华新，崔喜平，李爱滨
主要完成单位：哈尔滨工业大学，浙江大学
项目简介：从工业价值、资源寿命和发展前景来看，钛仅次于铁、铝，被称为正在崛起的第三金属，始终是材料科学与工程学科与冶金工程学科的研究热点，是支撑双一流学科建设的重要研究方向。航空与航天科技快速发展对钛的强韧性、耐热性、成形性等提出了更高的要求。钛合金及其复合材料因具有更高的强度与耐热温度已成为需求迫切且应用广泛的关键结构材料，是600℃唯一可以采用的轻质金属结构材料。然而其工业用量远远没有达到其应有的水平，除冶炼成本高之外，最大的问题在于组织调控难，改性机理仍需拓展。本项目在863课题、973课题、国家自然科学基金项目等资助下，经过20年的潜心研究和攻关，在钛基复合材料反应自生体系设计与混杂增强相调控和强化机理、增强相准连续网状分布精确调控与强韧化和耐热机理、钛合金及其复合材料变形与热处理组织调控和成形性改善机理等三方面取得了具有原创性的理论与技术基础研究成果。主要科学发现包括：
一、设计了钛基复合材料反应自生体系，建立了粉末冶金法合成非连续增强相种类、尺寸、相对含量等精确调控理论，阐明了原料配比-制备参数-组织性能的关系，发现了TiB晶须与TiC颗粒异种增强相反应共生机制，揭示了非连续增强钛基复合材料混杂增强相调控与强化机理。
二、提出了钛基复合材料增强相准连续网状分布调控新思路与新方法，从根本上解决了粉末冶金钛基复合材料脆性大与增强效果不佳的国际性瓶颈问题，阐明了网状结构与梯度界面的组织形成与精确调控机制，建立了微观非均匀网状结构复合材料理论模型，揭示了网状结构优异的强韧化与耐热机理。
三、阐明了钛合金粗大魏氏组织经一步热变形与两步热处理调控为等轴、双态、网篮等组织形态的精确调控机制，构建了钛合金及其复合材料流变应力模型与热加工图，攻克了大尺寸构件的成形加工与稳定制备技术，揭示了等轴组织钛合金与网状结构钛基复合材料成形性改善机理，研制出多种航天关键构建。
该项目8 篇代表性论文被Progress in Materials Science、Nature Communication、Acta Materialia等期刊总他引1360次，其中单篇最高他引348次(长期ESI高被引)，获授权国家发明专利7项。应邀主编中文与英文专著2部。研究思想被美国国家工程院Ritchie院士、美国材料研究学会Amiya会士、中国工程院才鸿年院士、聂祚仁院士等100多个单位的国内外权威专家和同行广泛引用，高度评价了在引领增强相分布调控与解决强塑性倒置方面的贡献。项目完成人应邀在国际复合材料大会与全国钛合金大会等做大会报告/特邀报告50余次，应邀担任Mater Des、J Mater Sci Technol、Compos Comm等9个期刊的副主编、编委等。第一完成人耿林教授为哈工大材料科学与工程一级重点学科负责人、教育部材料类专业教学指导委员会委员兼秘书长、空间环境材料行为及评价技术国家级重点实验室主任。研究团队还有国家重点培养人才计划3人。部分研究成果获得黑龙江省自然科学奖一等奖(2019年)等。
