项目名称：高性能金属材料控制凝固与控制成形的科学基础首席.docx

项目名称：高性能金属材料控制凝固与控制成形的科学基础首席科学家：谢建新 北京科技大学起止年限：2011.1至2015.8依托部门：教育部二、预期目标1 总体目标推动我国材料先进制备与成形加工技术的发展，满足国家可持续发展战略，以及国家经济、社会发展对高性能金属材料和产品的重大需求，为节约资源、降低能耗、保护环境等做出积极贡献。具体包括： 发展金属材料控制凝固与控制成形的新原理与新方法，满足高新技术发展与国防建设的需求； 发展适合于工业应用的金属材料控制凝固与控制成形技术原型，满足传统结构材料向高性能化、复合化、结构功能一体化发展的需求； 发展智能化精确控制制备与成形加工的新原理与新方法，构建基本理论框架，促进前沿技术与材料科学与工程学科自身的发展。通过系统研究高性能金属材料控制凝固与控制成形的共性关键科学问题，发展与完善“强制凝固过程的传质传热行为与组织形成原理”、“制备与成形加工全过程的组织遗传特征及其控制理论”、“材料组织-性能-构形的一体化智能控制理论”三项基础理论，取得创新性研究成果。在基础理论研究的指导下，发展制备加工共性关键技术，在高性能金属材料短流程制备加工的精确控形控性、高质量工业应用关键技术上取得突破，开发5种具有国际先进水平和自主知识产权的新技术与新工艺原型，包括：高性能非晶复合材料的低成本制备与成形加工技术；大体积金属熔体强制均匀凝固技术；直接喷射沉积制备无余量或少余量高合金化工模具技术；高性能脆性难加工材料高效制备加工技术；双性能材料激光熔化沉积成形一体化制备技术。同时，开拓材料智能制备成形技术这一新的学科方向，建立理论和技术基础，发展全过程组织性能与形状尺寸精确控制的新原理和新方法。其中部分新技术与新工艺将与国家其他项目的实施相结合，达到工业示范水平。开发特种双性能材料、飞机大型整体承力件、高强铝合金大型构件、高取向高硅电工钢、大应变磁致伸缩材料、新型高比强结构材料等高性能材料，满足国家重大需求。通过项目实施，培养和引进优秀青年科技人才，发展和壮大材料制备加工技术领域的创新型研究队伍，形成若干个国家级、省部级创新团队，巩固基础研究和技术创新基地。2 五年预期目标通过系统深入的研究，构建基础理论体系，形成关键示范技术，实现总体预期目标。具体包括：（1）非晶复合材料控制凝固与成形的基础研究：建立多元合金非晶形成的原子尺度理论，揭示非晶合金的微观组织与性能之间的关系；阐述合金熔体控制凝固过程中析出相的类型与顺序、析出相的结构特征及其对剩余液相非晶形成能力的影响规律，以及非晶复合材料的成形加工特性；开发高性能非晶复合材料的低成本制备与成形加工技术。（2）大体积金属熔体强制均匀凝固与控制成形技术基础：开发多元合金大型铸锭及大型构件的组织和成分均匀控制与成形一体化技术，建立大体积金属熔体强制均匀凝固精确控制理论框架，发展高合金材料控制凝固与控制成形的新原理和新方法；在多元高性能铝合金大型铸锭及大型构件的制备与成形加工、实现以铝代钢、以铸代锻方面取得突破。（3）高性能工模具钢分散凝固与控制成形的科学基础：探明喷射成形大尺寸工模具钢沉积坯的组织与形状控制机理，雾化熔滴与模具基板交互作用机理和质量控制原理，缺陷的形成演化规律及其控制原理；发展高性能大尺寸沉积坯制备和精密喷射沉积直接成形模具的技术原型，开发高性能工模具钢材料和模具产品。（4）脆性难加工材料精确控制制备加工的基础研究：揭示脆性难加工材料的韧脆转变机理、微结构对合金本征脆性的影响规律、加工过程中微结构的演变规律，建立脆性难加工材料微结构的精确调控理论框架，阐明成形加工工艺对脆性材料变形能力的影响，发展脆性难加工材料控制凝固与控制成形的新原理与新方法；开发脆性难加工高性能金属材料高效制备加工的工业化技术原型。（5）双性能材料制备与成形一体化的技术基础：解决双性能材料激光熔化沉积成形一体化制备的基础问题，建立双性能材料激光熔化沉积制备与成形的一体化控制方法及组织性能调控理论；发展成分、组织性能与形状尺寸精确控制的双性能材料及结构的智能化制备新技术，开发23种新型双性能材料和结构。（6）金属材料智能制备成形技术的基础研究：发展金属材料智能制备成形的新原理和新方法，开发23种适合于工业应用的材料智能制备成形技术原型；在制备加工处理全过程组织遗传模型的建立、优化工艺方案的制定、成分与组织的在线控制、成形过程的精确控制等方面获得初步应用，为建立现组织、性能和构形的智能化控制技术奠定基础。（7）具体指标：开发5种具有国际先进水平和自主知识产权的新技术与新工艺原型，其中部分技术将与国家其他项目的实施相结合，达到工业示范水平。预计五年间发表高水平学术论文300篇以上，申请国家发明专利100项以上，获得省部级以上科技成果奖励68项；发展和壮大材料制备加工技术领域的创新型研究队伍，培养和引进优秀青年科技人才（如千人计划、杰出青年基金、长江学者、百人计划等）5人以上，培养博士研究生20人、硕士研究生50人以上；形成若干个国家级、省部级创新团队；巩固基础研究和技术创新基地。三、研究方案1 学术思路提出控制凝固与控制成形的新思路，其特点是基于材料的使用（或设计）要求，对凝固、成形加工与热处理等过程中的组织结构与形状尺寸施加积极、精确控制，实现材料的高性能、高质量、高效率制备加工。选择最有可能实现控制凝固与控制成形的三条典型技术途径，即强制冷却控制成形、分散凝固控制成形、微结构调控增塑成形，围绕3个共性基础科学问题，开展深入研究，发展控制凝固与控制成形的基础理论、新原理与新方法，在解决5种先进短流程制备加工技术的精确控形控性、高质量工业应用相关基础理论及关键技术等方面取得新的突破，开发几种典型的高性能金属材料。同时，结合学科发展前沿，探索实现材料制备与成形加工过程精确控制的智能化技术基础理论、基本原理与实现方法。通过本项目的研究，为满足国民经济建设、高新技术发展以及材料科学与工程学科自身发展的重大需求做出贡献。典型高性能金属材料分散凝固|控制成形微结构调控增塑成形强制冷却|控制成形控制凝固与控制成形实现技术途径思路创新方法创新建立理论3个科学问题5种技术开发新技术应用突破图1 项目学术思路2 技术路线本项目研究拟采用如图2所示的技术路线。从所选择的典型高性能金属材料的使用要求出发，采用成分-微结构-工艺-形状尺寸一体化设计原理，以理论分析与实验研究为主，并通过过程模拟与仿真、智能化控制理论与方法研究，突破凝固、成形、变形加工与热处理等过程精确控制核心问题，开发高质量、高效率控制凝固与控制成形技术原型，达到发展高性能金属材料与产品的目的。成分-微结构-工艺-形状尺寸设计凝固、成形加工、热处理过程精确控制过程模拟与仿真理论与实验研究高质量、高效率控制凝固与控制成形技术原型开发应用需求高性能金属材料与产品智能化控制理论与方法图2 项目技术路线3 特色与创新点本项目是在国家973计划项目（材料短流程制备与成形加工的科学技术基础，2010年结题）基础理论研究、系列先进短流程高效制备加工技术开发的基础上，进行集中、深化和发展。重点选择其中几种发展前景好的典型先进短流程技术开展深入研究，将其应用对象延伸到对国家经济建设和高新技术发展具有重大意义的若干高性能金属材料，以凝固与成形加工全过程的精确控制为主线，研究共性基础科学问题，发展控制凝固与控制成形的基础理论、新原理与新方法，在解决典型先进短流程制备加工的精确控形控性、高质量工业应用相关基础理论及关键技术，满足国家重大需求等方面取得新的突破。主要创新点如下：（1）提出高性能金属材料控制凝固与控制成形的新思路，构建基础理论，发展新原理与新方法。以实现相的组成、晶粒形状与大小、晶界形貌、取向结构的精确控制为目标，研究外场与工艺调控共同作用下多元高合金在凝固、成形、加工处理全过程中的组织形成、遗传演化的机理与规律，构建控制凝固与控制成形的基础理论，发展新原理与新方法。（2）提出通过非晶相与塑性析出相原位复合，制备高比强非晶结构材料的新思路。通过凝固过程中析出相的类型与析出顺序、相的形核与长大的精确控制，开发非晶相与塑性析出相原位复合、具有工程塑性变形能力的高性能非晶复合材料，为非晶材料的工程化应用开辟新的途径。（3）提出强制均匀凝固的新思路，实现成分、组织均匀的大型铸件的控制凝固与控制成形。采用“熔体分散-汇聚-整体控制凝固”的大体积熔体控制凝固技术途径，通过强制均匀凝固提高熔体的有效形核数目，实现凝固组织的精确控制，发展高性能大型铸件和铸坯控制凝固与控制成形的新原理与新方法。（4）提出积极利用和发展组织异向性，并通过微结构精确调控，开发脆性材料增塑成形加工技术。突破传统金属材料组织控制模式，积极利用和发展组织异向性，并通过凝固、成形加工与热处理全过程的微结构精确调控，显著提高脆性材料的低温与室温加工变形能力，开发适合于工业应用的脆性材料增塑成形加工技术原型。（5）瞄准学科前沿，发展材料设计制备成形加工智能化一体控制理论与方法。充分利用喷射成形、激光快速成形等方法分散凝固、逐步成形的技术特点，实现高性能金属材料控制凝固和控制成形一体化制备，发展材料设计制备成形加工智能化一体控制理论与方法。4 取得重大突破的可行性分析（1）研究目标和内容符合国家重大需求本项目选择在国民经济建设和高新技术发展中意义重大、应用前景广泛的高性能金属材料作为重点研究对象，符合国家重大需求。例如，非晶复合材料、双性能涡轮盘、大型整体承力件、高性能大型铝合金构件是航天航空、交通运输、国防武器装备的关键材料，高性能工模具材料是现代制造业的关键材料，高硅电工钢等是能源工业发展和节能降耗的关键材料。这些材料具有性能优异、用途关键、技术含量高、附加值高等特点，是国际上研究开发与竞争的热点。然而，这些材料由于合金组元多、组织结构复杂、凝固与成形加工控制难度大等特点，采用传统的制备加工方法，生产效率低，产品形状尺寸和质量均难以达到工业应用要求，限制了其广泛应用。研究开发这些高性能金属材料的高质量、工业化制备加工技术，具有重要意义。（2）良好的前期工作基础本项目在前期材料短流程制备加工技术研究开发工作的基础上，重点选择其中几种发展前景好的典型先进短流程技术开展深入研究，如强制均匀凝固技术、熔体分散控制凝固技术、脆性材料精确控制高效成形加工技术、制备与成形加工一体化技术等；将新技术的应用对象延伸到对国家经济建设和社会发展具有重大意义的若干高性能金属材料，如双性能涡轮盘、飞机大型整体承力件、高强铝合金大型铸构件、高取向高硅电工钢、新型高比强结构材料等；突出发展高性能金属材料控制凝固与控制成形的新原理与新方法的重点，在解决典型短流程制备加工的精确控形控性、高质量工业应用相关基础理论及关键技术等方面取得新的突破，开发适合于工业应用的高效制备加工工艺技术原型。本项目的研究工作思路体现了在前期工作的基础上进行集中、深化和发展的特点。前期工作既为本项目的研究工作打下了良好的基础，也证明了取得重大突破的技术可行性。（3）坚实的学科基础本项目的研究工作所涉及的冶金热力学、物理冶金学、结晶动力学、相变动力学、塑性加工理论、传热传质理论以及数值模拟方法等近年都有了长足的发展，为本项目的完成提供了有力的学科基础。近20年来，材料制备加工科学是国内外材料科学与工程领域最活跃研究方向之一，取得了丰硕的成果，积累了大量的经验，可为本项目的研究提供有益的借鉴和参考。在此基础上，开展有选择的重点研究攻关，经过努力，有把握在关键科学问题和关键技术上取得突破。（4）优良的研究队伍和条件基础主要参加单位和研究队伍是国内材料科学与工程领域中与本项目研究内容密切相关的、具有综合实力和优势研究基础的群体。拥有2个国家（联合）实验室、4个国家重点实验室和3个国家工程（技术）研究中心，具有相对先进齐备的制备、成形与加工装备和测试分析手段，是国内主要材料研究开发基地的强强联合。研究队伍以青年科研骨干为主体、老中青相结合，其中大部分成员都是前期973计划项目的研究骨干，具有较高的研究水平和丰富的研究经验，经过磨合形成了能相互配合、协调攻关的创新团队。通过精心的组织、协调和共同努力，能够按期完成项目研究目标。5 课题设置本项目拟设置6个课题开展协同研究。6个课题的共同主线是：金属熔体/熔化®控制冷却®控制凝固®控制成形，如图3（a）所示。在实现控制冷却的方式上，课题、和采用分散冷却、汇聚后控制凝固的方式，其余课题则采用整体控制冷却的技术方式。除课题外，其余课题所研究的高性能金属材料在凝固成形后，一部分还需进行变形加工和热处理，以进一步调控材料的微结构和形状尺寸，以满足多样性的最终使用要求。6个课题之间的内在关联如图3（b）所示。 （a） （b）图3 课题设置思路（数字代表课题号）课题一 非晶复合材料控制凝固与成形的基础研究研究目标：建立多元非晶合金形成的原子尺度理论，并能预测最佳非晶形成能力范围；揭示非晶合金的原子堆积和微观组织的多样性对非晶合金性能的影响，为非晶复合材料的成分设计提供理论依据；通过调控合金熔体凝固过程中析出相的类型与析出顺序、析出相的形核、长大和分布，以及剩余液相部分的非晶形成能力，制备具有工程塑性变形能力、高性能内生韧性析出相/非晶原位复合材料；研究非晶复合材料的加工变形特性，开发适合于工程应用的成形加工技术。研究内容: 采用离子束混合和计算机模拟方法研究多元合金系统的非晶形成规律、结构及相关性能；原子间的互作用势、原子尺度模拟方法、非晶合金的结构表征，以及金属熔体结构和非晶合金的微观结构与力学性能之间的关系；高性能非晶复合材料制备过程中析出相的形核、长大和析出相的类型与析出顺序对液态金属非晶形成能力的影响规律，阐述合金熔体凝固过程中非晶复合材料组织形成规律及控制原理；非晶复合材料微观结构与性能之间的关系；非晶复合材料在过冷液态区的流变行为与成形加工特性。承担单位：中国科学院金属研究所、清华大学、沈阳工业大学课题负责人：张海峰，47岁，博士，研究员，中国科学院金属研究所主要学术骨干：柳百新，胡壮麒，李家好，邱克强经费比例：18.3课题二 大体积金属熔体强制均匀凝固与控制成形技术基础研究目标：采用“熔体分散-汇聚-整体控制凝固”的新方法，建立大体积金属熔体强制均匀凝固精确控制理论框架，发展高合金材料控制凝固与控制成形的新原理与新方法；为实现高性能金属材料从固态成形向凝固成形转变的短流程成形方式提供理论和技术基础；在多元高性能铝合金大型铸锭及大型构件（以铸代锻）的应用上取得突破，以满足国家经济建设和国家重点工程对高性能金属材料的重大需求。研究内容：强制均匀凝固过程中的形核机制与控制原理，温度场、成分场对有效形核数目的影响规律，有效形核数目与凝固组织的关系，有效形核的控制模型；大体积金属熔体强制均匀凝固过程中多物理场分布的数值模拟分析及控制技术，大体积金属熔体连续分散处理、汇聚后整体控制流变成形过程中各阶段的温度控制技术；高合金化的大尺寸铝合金铸锭和大型铝合金构件的强制均匀凝固控制与成形一体化技术研究及其初步应用研究。承担单位：北京有色金属研究总院、北京科技大学课题负责人：徐骏，55岁，博士，教授级高工，北京有色金属研究总院主要学术骨干：康永林，毛卫民，张志峰，刘国钧经费比例：18.3课题三 高性能工模具钢分散凝固与控制成形的科学基础研究目标：深入研究典型高合金化工模具钢材料在分散凝固及直接沉积精密成形模具过程中所涉及的基本科学问题，建立在多种强外场作用条件下合金液体与周围介质间的传热模型、雾化气体流场与合金液流相互作用过程模型、合金液流破碎与液滴状态变化过程理论模型，以及坯件沉积过程中合金组织、缺陷和表面复型结构的精确控制理论；以先进制造业广泛应用的高性能工模具部件作为典型应用背景，开发建立具有自主知识产权的分散凝固新材料和直接沉积成形模具新工艺的制造技术原型；突破高质量、工业化应用的关键技术，为在工业领域获得实际应用奠定基础。研究内容：研究双扫描喷射成形制备大尺寸工模具钢沉积坯过程中，沉积坯组织的形成机理和演变规律、预测方法与控制原理；雾化熔滴“尺寸效应”、“叠加区”对大尺寸工模具钢沉积坯内部冶金缺陷的影响；热等静压、热变形等热加工技术对沉积坯组织、缺陷的影响，确定适合喷射成形材料特点的热加工工艺控制方法；开发高硬、耐磨、耐氧化、适合于喷射成形直接制造模具的新型工模具钢，系统研究喷射成形直接成形高性能工模具钢及精密成形模具的工艺过程，建立满足工业应用要求的喷射成形工模具钢沉积坯及近终形工模具的技术原型。承担单位：北京科技大学、北京航空材料研究院、北京有色金属研究总院课题负责人：张济山，52岁，博士，教授，北京科技大学主要学术骨干：黄进峰，张 勇，张永安，朱宝宏经费比例：13.4课题四 脆性难加工材料精确控制制备加工的基础研究研究目标：以实现高硅电工钢（Fe-6.5Si）、大应变磁致伸缩材料Fe-Ga合金等特种高性能脆性材料的高质量、高效制备加工，满足国民经济建设和高新技术发展的需求为目标，通过重点研究脆性难加工材料的韧脆转变机理、微结构对合金本征脆性的影响机理与规律，以及凝固、成形加工与热处理过程中的微结构形成与演变规律，发展脆性难加工金属材料控制凝固与控制成形的新原理与新方法；建立脆性难加工金属材料微结构的精确控制理论框架，显著提高脆性材料的低温与室温加工变形能力，开发适合于工业应用的脆性材料高质量、高效制备加工工艺技术原型。研究内容：研究合金非平衡凝固过程中组织形成的基本规律，晶粒尺寸形状、晶界结构、有序度等微结构对材料变形能力、力学性能的影响规律；变形和热处理对脆性材料中结构有序无序转变的作用，加工处理过程中微结构的演化规律，提出在变形和加工处理过程中改善加工性能和织构形成的微结构调控方法；研究材料制备和加工处理微结构变化对磁畴结构的影响，精确控制磁畴结构的演化，获得最佳的电磁性能；研究凝固与成形过程智能化控制基础理论与专家系统，凝固与成形过程工艺参数的精确控制方法与技术；脆性难加工材料在凝固、变形、热处理全过程中的微结构的精确控制理论框架、控制原理与控制方法。承担单位：北京科技大学、广州市香港科技大学霍英东研究院课题负责人：谢建新，51岁，博士，教授，北京科技大学主要学术骨干：叶 丰，张志豪，高学绪，张统一经费比例：21.4课题五 双性能材料制备与成形一体化的技术基础研究目标：研究双性能材料激光熔化沉积成形一体化制备的关键基础问题，突破双性能材料激光熔化沉积过程变形开裂、内部质量及界面过渡区组织性能控制等技术关键，建立双性能材料激光熔化沉积制备与成形的一体化控制方法和理论框架，发展成分、组织性能与形状尺寸精确控制的双性能材料及结构的智能化制备新技术，开发双性能涡轮盘、双性能压气机整体叶片盘等23种双性能高温结构以及飞机用钛合金整体结构，满足高新技术发展及国防装备建设的需要。研究内容：多元高合金材料激光熔化沉积制备的分散凝固传热传质行为及工艺参数的影响规律、凝固组织的形成与控制原理、变形开裂与组织缺陷的产生机理与控制方法；双性能高温结构材料的微观组织结构表征、高温下元素扩散行为与界面层设计理论、组织性能长期稳定性控制技术；双性能材料、大型构件激光熔化沉积一体化制备技术优化及智能化精确控制基础理论与方法；典型双性能材料的应用基础研究。承担单位：北京有色金属研究总院、北京航空航天大学、北京工业大学课题负责人：张永忠，40岁，博士，教授级高工，北京有色金属研究总院主要学术骨干：石力开，王华明，张凌云，杨胶溪经费比例：13.4课题六 金属材料智能制备成形技术的基础研究研究目标：突破材料产品传统设计和制造模式，发展一体化设计与制造过程智能化控制的基本原理与基本方法，构建材料智能控制凝固与成形加工技术的基本理论框架，探索智能控制原理与实现方法，为发展智能制备成形技术奠定理论基础；开发23种适合于工业应用的材料智能制备成形技术原型；在制备加工处理全过程组织遗传模型的建立、优化工艺方案的制定、成分与组织的在线控制、成形过程的精确控制等方面获得初步应用，为建立现组织、性能和构形的智能化控制技术奠定基础。研究内容：金属凝固与成形加工工艺与外场参数-组织-性能之间的本征关系、典型缺陷的产生机理及控制原理；凝固与成形加工过程中组织性能与光、电、力、声之间的映射关系，材料凝固与成形加工过程行为、理论建模与精确模拟；制备成形过程组织的遗传演变与精确预报；材料组织-性能-构形的一体化精确控制理论与方法；典型智能制备成形技术的实现原理与方法；材料智能制备成形的示范性设备原型。承担单位：北京科技大学、东北大学、机械科学研究总院课题负责人：曲选辉，49岁，博士，教授，北京科技大学主要学术骨干：邸洪双，张晓明，何新波，曾志朋经费比例：15.2四、年度计划研究内容预期目标第一年（1）非晶形成能力的理论与实验研究，非晶合金的制备；Ti基等合金熔体凝固过程中析出相种类、特征和析出相对液态金属非晶形成能力的影响；（2）强制均匀凝固过程中液态金属结构对形核与长大机制的影响；均匀形核和非均匀形核形核机制，凝固条件的影响及其控制方法；强制均匀凝固条件下的有效形核模型与工艺参数优化；（3）满足喷射成形技术特点要求典型高合金化工模具钢材料成分的设计与优化；合金熔体纯净化和成分精确控制工艺研究；（4）Fe-6.5Si、Fe-Ga合金脆性的物理本质；合金元素、工艺参数、外场作用对合金有序结构、析出相及脆韧转变的作用机制及影响规律；低热导率材料大尺寸棒材控制凝固关键技术研究；（5）多元高合金材料激光熔化沉积成形工艺、凝固组织形成与控制规律，有害相的形成与抑制；成形过程中应力、缺陷的形成原理与控制方法；（6）高合金材料的加工变形流动行为及其微观机制；成形过程中的温度场、速度场及应力应变场模拟；基于人工智能技术的材料加工全过程精确控制基本原理和方法。（1）获得金属中化合物的形成规律，化合物结构参数和相关的物理性能；开发性能优异的非晶复合材料：尺寸f20mm，强度1400MPa，拉伸应变值5%；（2）初步阐明电磁场强制均匀凝固条件下液态金属结构对形核、长大及凝固组织的影响规律；初步建立外场强制作用下控制形核的描述模型；（3）初步确定双喷嘴喷射成形大尺寸工模具钢坯料雾化与形状控制机理，确定综合性能优异的新型喷射成形工模具钢的成分；（4）阐明韧脆转变机理、微结构对合金本征脆性的作用机制；工艺参数、外场作用等对合金凝固晶粒尺寸、晶界形貌与结构、晶体取向及析出相的影响规律；（5）掌握多元高合金材料激光熔化沉积过程中组织、热应力、变形开裂及缺陷的形成及影响规律；（6）揭示高合金材料加工变形流动行为及其微观机制，建立成形加工过程温度场、速度场及应力应变场模型；（7）发表高水平学术论文40篇以上；（8）申请国家发明专利10 项以上。第二年（1）建立三元合金的多体势，开展原子尺度的分子动力学模拟，探索非晶化过程模拟；研究非晶复合材料制备过程中合金熔体温度、冷却速率对析出相的形态、尺寸和分布的影响；（2）研究经强制均匀处理后金属熔体的流变性能与组织结构的内在关系；针对大体积金属熔体，制定“熔体分散-汇聚-整体控制凝固”过程实现与控制方案；（3）双扫描喷射成形雾化熔滴“叠加区”质量、热量的分布特征；大量液滴在“雾化沉积叠加区”的相互干涉扰动问题，及其与大尺寸沉积坯内部凝固组织的关系；（4）低热导率材料大尺寸棒材连续定向凝固技术开发、成形原型实验装置的设计与制造；大尺寸、均匀组织、取向性Fe-6.5Si、Fe-Ga坯料制备工艺研究；Fe-6.5Si、Fe-Ga合金软韧化行为及机制；（5）双性能材料界面过渡区的成分及组织性能的设计；制备过程中界面过渡区的元素扩散及控制；典型双性能材料激光熔化沉积制备的工艺及优化；（6）高合金材料热变形条件下的组织演化及性能控制；凝固与成形过程本质特征与外场作用的映射规律；大型锻件成形加工过程智能化建模技术。（1）掌握第一性原理分子动学模拟合金非晶化过程的方法；阐明合金熔体凝固过程中非晶复合材料形成规律；（2）探明电磁场强制均匀凝固条件下控制有效形核的基本原理及其与组织结构的关系；完成外场作用控制凝固过程的实验装置设计；（3）确定多参数条件下近净成形大尺寸沉积坯的凝固组织特征、组织与性能关系等；制备出多种高合金化材料大型沉积坯件（坯体密度：98%；抗弯强度：4000MPa；工具钢热处理后硬度：HRC65）；（4）突破大尺寸、取向组织Fe-6.5Si 、Fe-Ga合金棒材制备技术，直径>30mm；获得提高Fe-6.5Si、Fe-Ga合金低温与室温加工变形能力的途径与方法；（5）实现典型双性能材料的激光熔化沉积制备和界面质量控制；建立双性能材料激光熔化沉积制备的基本理论框架；（6）建立材料凝固与成形过程的异构信息融合与知识繁衍理论；揭示成形加工过程组织演化及遗传特性；建立大型锻件成形加工过程智能化建模技术；（7）发表高水平学术论文55篇以上；（8）申请国家发明专利2025项。第三年（1）分子动力学模拟多元合金的非晶化规律、结构，热力学计算多元合金的非晶化规律，开展相关实验研究；非晶复合材料的微观结构对力学性能、变形特性的影响规律；（2）外场作用下熔体分散-汇聚-整体控制凝固成形过程控制中的组织均匀化形成与演变机理；强制均匀凝固大体积合金熔体分散-汇聚-整体控制凝固的技术装备原型设计制造；（3）金属熔滴凝固过程、沉积坯组织和第二相的分布特征、沉积坯组织的形成机理和演变规律、雾化主要工艺参数对沉积坯组织的影响；综合性能优良的沉积坯陶瓷模具研究；（4）低温和室温大变形加工对Fe-6.5Si、Fe-Ga合金塑性变形性能的影响及微织构的演变过程；Fe-6.5Si、Fe-Ga合金制备与加工处理全过程的微结构遗传行为与模型；（5）激光熔化沉积双性能材料的组织及室温下性能评价；双性能高温结构材料的微观组织结构表征及长期组织性能稳定性；（6）高合金材料塑性加工过程中组织遗传特性、智能预测方法及控制理论；特种材料组织性能的非破坏性获取与表征方法研究。（1）从热力学的观点解释多元合金非晶化规律，得到非晶合金形成的实验规律；揭示析出相和基体的变形特性对复合材料变形能力的影响；（2）掌握外场强制作用条件下凝固成形过程控制中的组织均匀化形成与演变机理；初步建立大体积多元合金熔体“熔体分散-汇聚-整体控制凝固”的技术原型；（3）确定雾化熔滴与模具基板交互作用机制，及其对成形件质量的影响规律和控制方法；确定分散凝固直接精密沉积成形模具过程中缺陷的形成演化规律及其在后续热加工过程中的消除机制；（4）获得Fe-6.5Si、Fe-Ga合金低温与室温轧制变形的组织结构演变规律；制备出宽度50mm以上、厚度0.10.3mm的大尺寸Fe-6.5Si、Fe-Ga合金薄板；（5）掌握激光熔化沉积双性能的组织性能特点及界面力学行为，双性能材料的组织调控方法及演变控制规律； （6）建立材料控制凝固与控制成形过程智能化控制基本理论框架；建立金属材料加工成形过程预测与控制技术；（7）发表高水平学术论文60篇以上；（8）申请国家发明专利2530项。第四年（1）针对3-5个代表性合金，设计专门的实验，检验理论计算的结果和预言，开发制备出相应的新材料原型；非晶复合材料在过冷液态区的流变行为、组织结构演化规律、析出相与基体非晶相的交互作用；（2）强制均匀凝固大体积金属熔体制备、定量输送与连续流变成形技术装备原型设计制造；建立大型构件精密铸造成形的技术原型，开展应用研究；（3）喷射成形直接成形高性能工模具钢及精密成形模具的工艺优化控制的原理与方法，研究技术原型；热等静压、热变形等对沉积坯组织的影响，确定适合喷射成形材料特点的热加工工艺控制方法；（4）磁场热处理及定向再结晶工艺基础研究；开发适合于工业应用的“控制凝固+软韧化处理+低温特殊轧制+定向再结晶退火”的脆性材料高效制备加工技术原型；（5）双性能高温结构材料高温下的元素扩散行为及控制技术；双性能高温结构材料的高温力学行为；双性能高温合金涡轮盘样件的一体化制备及组织性能评价；（6）特种材料组织性能的非破坏性获取与表征方法；面向材料成形加工过程的数据的获取、集成和应用；人工智能技术在双性能材料激光快速成形、喷射成形技术中的应用研究。（1）总结出多元合金的非晶化规律及其原子结构特点；阐明在非晶合金过冷液态区变形过程中析出相对非晶相粘滞流变影响规律；（2）建立强制均匀凝固成形组织精确控制的基本理论框架，建立大体积多元合金熔体强制均匀凝固的技术原型；掌握大铸件、大构件成形工艺；（3）确定高合金化喷射成形工模具钢沉积坯件制备过程与组织和性能的优化控制原理；阐明后续热加工过程中缺陷的消除机制；（4）阐明脆性难加工材料凝固形变热处理过程中微结构的形成机理与遗传特性，建立控制模型；（5）掌握双性能高温结构材料高温下的元素扩散规律、力学行为特征；实现双性能零件激光熔化沉积成形的一体化控制；（6）建立制备加工处理全过程组织遗传模型；建立金属材料缺陷智能化在线检测与表征技术；（7）发表高水平学术论文60篇以上；（8）申请国家发明专利2025项。第五年（1）进一步补充完善相关理论与基础实验研究，完善相关技术原型研究；（2）开展强制均匀凝固流变铸造、挤压铸造和流变铸轧工艺技术研究及其在大型铝合金铸锭和构件上的应用研究；（3）将喷射成形沉积材料和直接成形模具用于试制先进航空装备加工制造高性能工模具钢铣刀、转头等样件，进行示范应用；（4）发展脆性难加工金属材料控制凝固与控制成形的新原理与新方法；开展脆性材料高效制备加工工艺技术原型的工业应用；（5）典型双性能钛合金整体结构的激光熔化沉积制备及组织性能分析；基于激光熔化沉积技术的材料智能制备基础理论与工艺原型；（6）基于材料成形加工智能化专家系统的特征目标参数的在线检测、精确反馈控制技术；材料组织、性能和形状尺寸的智能预报和控制系统的建立与完善；（7）各课题总结验收，项目结题验收。（1）建立预测多元合金非晶形成能力的原子尺度理论；建立非晶复合材料制备成形加工技术，制备出非晶复合材料零部件；（2）在高强度铝合金大型铸锭和精密铸件成形技术方面取得突破，形成自主知识产权；在国家重大工程中得到示范性的验证应用；（3）建立高合金化工模具钢材料大尺寸沉积坯和精密成形模具双扫描喷射成形技术；开发出具有自主知识产权的高合金化工模具钢新材料；（4）开发出2种典型脆性材料的高效制备加工新技术新工艺原型，其中1种在其它科技计划项目的支持下，达到工业中试水平；（5）建立双性能钛合金整体结构件激光熔化沉积制备基础理论框架；开发出双性能涡轮盘、压气机整体叶片盘及飞机用钛合金整体结构件；（6）智能制备加工技术在喷射成形、激光快速成形等方面得到初步应用；建立大直径涡轮盘、风电电机主轴等锻压成形、高合金板材轧制等的智能控制技术原型；（7）发表高水平学术论文65篇以上；（8）申请国家发明专利1520项；（9）五年共获得省部级以上科技成果奖励68项；（10）五年共培养博士研究生20名以上，硕士研究生50名以上。一、研究内容本项目的研究重点是高性能金属材料控制凝固与控制成形的科学基础问题。体现控制凝固与控制成形的主要技术特征是，通过有效利用多种外场的综合作用和工艺制度调控，实现对材料凝固、成形加工与热处理过程的组织性能与形状尺寸的积极、精确控制。为了发展控制凝固与控制成形的基础理论和新原理、新方法，突破高性能金属材料短流程制备加工的精确控形控性、高质量工业应用的关键技术，需要重点研究解决如下3个关键科学问题。科学问题一：强制凝固过程的传质传热行为与组织形成原理以强化形核控制、取向精确控制、分散控制凝固、大体积深过冷等为主要特征的强制凝固过程中，外场作用、熔体热力处理、凝固方式、传热特征、温度场分布等对合金成分分布、合金相的形成与抑制、凝固组织结构与形貌、缺陷形成的影响机理与规律。科学问题二：制备与成形加工全过程的组织遗传特征及其控制理论形变热处理相变之间的相互作用规律，凝固组织、形变组织与相变组织之间的演化与遗传特性，基于组织遗传行为的精确控制原理与控制方法；组织演化对金属本征脆性、脆塑转变机理的影响。科学问题三：材料组织-性能-构形的一体化智能控制理论基于人工智能技术的材料加工全过程组织性能与形状尺寸精确控制的基本原理和方法，凝固与成形过程本质特征与外场作用的映射规律，凝固与成形过程的理论建模与精确模拟，基于智能化专家系统的材料制备成形特征目标参数的在线检测、精确反馈控制原理。围绕上述三个科学问题，确定主要研究内容如下：Ø 强制凝固过程的传质传热行为与组织形成原理（1）多元高合金材料凝固的传质传热行为及其对凝固过程、组织与缺陷形成的影响规律。多元高合金材料在热力处理、强制凝固过程中的组织与缺陷形成及演化原理、外场作用规律与精确控制方法；大体积金属熔体强制均匀凝固控制与连续流变成形一体化技术基础；高合金化金属熔体分散凝固行为与组织形成规律。（2）非晶及非晶复合材料的形成原理与控制。多元金属系统的非晶形成规律；多元合金熔体结构对非晶合金微观结构形成的影响机理；非晶合金形成中的特殊形貌结构；非晶复合材料成分设计；合金熔体控制凝固过程中析出相类型与顺序，析出相的形核、长大规律及其对剩余液相非晶形成能力的影响。（3）脆性难加工高性能金属材料强制凝固取向与有序度的形成规律与控制。凝固过程对晶粒取向、尺寸与形状、晶界结构与有序度的影响机理；非平衡凝固过程枝晶生长规律与控制；溶质原子在固液界面的分布规律及成分偏析控制原理；大尺寸柱状晶组织的合金板坯/棒坯制备基础理论。（4）多元高合金材料分散凝固过程传质传热行为与组织控制理论。双性能材料界面过渡区的组织优化设计与控制理论；多元高合金材料分散控制凝固与沉积成形规律；多元高合金材料分散凝固沉积制备过程中合金相的形成与抑制、凝固组织控制；分散凝固沉积成形过程中应力、缺陷的形成与控制方法。Ø 制备与成形加工全过程的组织遗传特征及其控制理论（1）高合金材料凝固形变相变组织之间的演变与遗传特性，形变与相变之间的交互作用。包括高合金材料凝固组织对加工组织、热处理组织的影响，加工过程中组织演变及控制理论，组织性能、构形控制原理与方法。（2）分散凝固原始界面和析出相的特征及其在后续处理中的演化规律与控制。激光熔化沉积双性能材料的组织性能调控方法；双性能高温结构材料高温下元素扩散行为及控制技术；分散凝固原始界面特征与改性原理；喷射沉积坯加工致密化原理与析出相的控制。（3）非晶复合材料变形加工行为与控制。非晶复合材料变形特性、断裂机制，剪切带的萌生、扩展和交互作用规律；非晶复合材料在过冷液态区的流变行为与成形加工特性，成形过程中组织结构的演化规律、析出相与非晶基体之