项目名称： 多组元合金及其结构件铸造过程的凝固基础研究 首席科学.doc

项目名称：多组元合金及其结构件铸造过程的凝固基础研究首席科学家：介万奇 西北工业大学起止年限：2010.9至2015.9依托部门：中华人民共和国工业和信息化部 陕西省科技厅二、预期目标1、总体目标以航空航天重大型号项目关键构件与型材、能源工程核心材料与构件的需求为背景，研究多元多相合金的凝固规律，探索工业合金与结构件的凝固组织精确控制的原理和方法，发展凝固控制技术和基于凝固控制的新材料。2、预期的理论创新(1) 建立获取多元多相合金热物性和热力学参数的集成方法，为非平衡凝固组织和缺陷描述提供数值模型。(2) 揭示多元合金熔体结构演变规律，发展基于熔体结构控制的凝固组织调控原理。(3) 构建多元多相合金凝固过程多层次描述及跨层次耦合计算的理论体系，建立凝固过程设计平台。(4) 建立基于电磁场控制的多元合金非平衡凝固过程与组织精确控制的原理。(5) 建立基于强制冷却条件的多元合金非平衡凝固过程与组织精确控制的原理和方法。(6) 揭示具有高熔化熵的金属间化合物等强化相的凝固规律，发展强各向异性材料的凝固组织、结构、缺陷的控制理论。3、预期的技术创新(1)开发大飞机、新型战机、航天工程用大型关键铝合金铸件的精密铸造新技术。(2)解决大型铝合金及钛合金铸锭的非均匀组织、偏析、开裂等难题，发展高质量铸锭铸造技术。(3)发展航空航天钛合金、高温合金激光立体成形与组织结构控制一体化新技术。(4)形成电磁场控制的高温合金细晶、定向及单晶铸件的铸造技术原型。(5)将合金成分设计和凝固工艺设计相结合，开发出应用于能源领域的非平衡凝固新材料及其制备方法。(6)发展含有强各向异性金属间化合物等强化相的新型合金凝固控制技术。上述目标的实现，将发表一批高水平的学术论文，形成若干具有自主知识产权的新技术。通过成果的推广应用，为国家重点工程和制造也的长期发展战略提供重要的技术支撑。在研究基地和条件建设方面，通过本项目的研究，将在各参加单位形成本项目的专业化研究团队，建设较为齐全的实验设备和数值模拟研究条件，并形成若干个具有企业背景的示范应用基地。同时，本项目还将在人材培养方面发挥重要作用，预计将培养硕士30名以上，博士20名以上，博士后5名以上，争取有研究生获全国优秀博士论文奖。培养优秀青年科技人才810名，其中长江学者23名，国家杰出青年科学基金获得者23人，教育部新世纪人才35人。三、研究方案1、总体方案本项目的总体技术路线如图4。围绕4个科学问题，开展6个方面的基础研究，形成相关凝固控制新技术，满足项目确定的国家目标。多元合金热力学和热物性参数的获取及热力学数据库的建立多元合金熔体结构与凝固结晶界面微观过程研究多元非平衡相凝固组织的形成规律多元多相合金铸件与铸锭凝固凝固过程温度场控制凝固过程物理场控制基础研究创新技术基于熔体处理技术的工业合金的凝固组织控制多元合金远平衡凝固组织的实现与非平衡新材料研制大型铸件与铸锭凝固偏析与组织控制技术控制新技术激光立体成形及凝固组织控制技术高温合金定向凝固单晶叶片的铸造高熔化熵相结晶过程偏析、形貌与缺陷控制技术国家目标航空航天大型铸件航空航天钛合金、铝合金型材用铸锭燃气轮机叶片核聚变第一壁材料石油开采新材料新型高熵相强化新材料飞机及发动机构件科学问题之一：热力学与动力学耦合之二：多层次凝固理论之三：温度控制原理之四：物理场耦合控制图4 本项目研究的技术路线2、主要问题的研究思路和方法(1) 多元合金热力学和热物性参数及其数据库热力学参数是凝固过程分析的基础，本项目将从多元合金液相与固相的自由能随温度、压力、成分的变化规律入手，建立合金成分与各热力学参数的关系，从而奠定凝固分析的热力学基础。随着合金组元数量的增大，热力学参数的数据急剧增加，必须将热力学方法和热力学数据库结合起来，才能获得必要的参数和适宜于数值分析的方法。本环节拟将热力学分析、数据检索和实验数据积累相结合。关于热物性参数，重点研究多元多相合金的扩散系数、界面能、黏度以及热导率。通过完善现有的扩散模型，使其能描述多元化合物、多元有序和无序相的扩散行为，以及原子移动性参数；采用第一性原理方法方法获得界面能最低所对应的界面结构，并结合实验测定，利用扩散动力学模拟软件拟合出界面能数据；实测及分子动力学计算纯组元及二元合金的粘度及热导率，进而通过热力学计算获得多元合金的粘度及热导率随成分和温度的变化规律。(2) 凝固过程跨层次模拟首先基于第一性原理、经验多体势理论、分子动力学、蒙特卡洛等微观计算方法，获得熔体、固体、析出相、液固界面等结构中的原子间相互作用、中短程有序结构、晶体结构、能量、成分偏析等参数；然后将上述参数输入到后续的热力学与动力学模型，通过相图计算方法建立热力学数据库与扩散动力学数据库；再将热力学与扩散动力学数据库与界面能、粘度与热导率等其它热物性参数一并输入相场模型或元胞自动机模型中，进行铸件凝固过程微观机制与组织模拟；最后将所得的组织结构、温度场、浓度场、流变场等信息传输到有限元及有限差分模拟方法并用于准确设置相关的有限元和有限差分模拟参数，从宏观层次上进行大型铝铸件凝固过程的研究，揭示偏析、缩松、热裂、应力、变形等的形成机理和控制模式。(3) 多元合金凝固过程结晶界面微观特性与基本凝固参数从微观层次上分析，凝固是结晶界面上的熔体原子向晶体转变的过程，这一过程是由晶体的成键特性决定的。由于晶体成键的方向性，结晶界面表现出各向异性，并可采用各向异性的界面能表征。具有密排结构的金属材料各向异性相对较弱，而高熔化熵的金属间化合物等的各向异性更为突出。该各向异性在决定晶体的生长形态、结构缺陷等方面具有决定性的作用。对于多元合金，由热力学条件决定的结晶界面上的溶质分凝也是导致凝固过程复杂性的根源，不仅决定着凝固组织中的成分偏析，也是影响着结晶界面的非等温特性和各向异性，进而影响凝固组织形态。对于化合物相，该分凝特性是导致结晶缺陷形成的主要因素。因此，本研究内容将针对多元合金，以热力学及热物性参数为基础，进行结晶界面微观过程的研究，进而获得结晶界面的各向异性参数、分凝参数和扩散系数，为进一步进行成分偏析和凝固组织与缺陷分析奠定理论基础。在材料体系上，将以金属材料和其它高熔化熵材料作为研究对象。(4) 多元合金熔体结构及其对凝固形核行为的影响在合金熔体中，由于不同原子之间的交互作用，可能在熔体中形成短程序、原子团簇等微观结构。随着合金组元数量的增多，这些交互作用变得更加复杂，其演变规律也具有非平衡特性。因此，本项目将在热力学分析的基础上，从多元合金的原子间交互作用、团簇结构分析入手，进行多元合金熔体结构及其与凝固过程相关性的研究。并将合金成分设计和凝固控制手段相结合，进行传统材料超常性能的开发和非平衡新材料的研究。基于上述理论研究成果，发展高性能铝合金、特种高温合金熔体处理新技术，实现基于熔体结构控制的凝固组织控制。(5) 多元合金多相凝固组织的形成及其与凝固条件的定量规律基于热力学分析等方法获得的熔化焓、界面能、界面分凝系数、溶质扩散系数等凝固分析的必要参数，建立凝固理论模型。该模型将对非平衡凝固条件下细观层次上的初生相生长形貌（包括枝晶结构、枝晶间距、尖端半径等）、次生相的种类、分布、形貌等随凝固条件的变化进行定量描述。根据相关的理论模型，结合激冷法和激光立体成形技术，发展非平衡凝固组织控制技术，从而获得高性能、远平衡新材料和高性能结构件。对于复杂成分合金，其在近平衡条件和完全非平衡条件下的凝固组织具有确定性，平衡凝固组织由热力学条件决定，快速凝固条件下的非平衡凝固将获得非晶态。而近快速凝固条件下的凝固组织演变具有典型的多样性，对其控制也更加灵活、复杂。这些多样性和复杂的变化规律恰好为非平衡新材料和高性能结构件提供了更大的发展空间。(6) 多元合金铸件与铸锭凝固过程介观传输行为与凝固进程铸锭与大型铸件凝固过程中，宏观偏析、缩松、热裂等凝固组织缺陷是由图2所示的介观层次上的凝固行为决定的。本项目将以凝固过程细观层次分析的研究结果为基础，进行凝固过程传热、传质与对流行为的计算，从而对液相区固相的形核与晶核分布、两相区的微观组织及其演变规律等介观结构参数进行抽象描述，并进行宏观层次上凝固进程的分析。将理论分析与实验研究相结合，建立凝固组织和凝固缺陷形成条件的理论模型和判据，从而形成多元合金凝固组织与缺陷控制的理论体系和计算方法。通过上述理论研究，发展大型铝合金大型关键结构件、铝合金铸锭及钛合金铸锭的铸造新工艺和新方法，并实现工程应用。(7) 凝固组织多场控制原理凝固过程控制的核心是传热行为的控制，而电磁场等物理场对凝固过程具有重要的影响，甚至在某些条件下强磁场是独立于温度、成分、压力的变量，而深刻影响凝固。本项目将通过实验探明电磁场对金属凝固形核、生长微观机制的影响规律，进行多场耦合下液固界面稳定性和形态演化理论分析，发展热-质-电-磁协同作用下的电磁流体力学模型，采用热流控制、电磁场控制和两者协同控制，揭示控制条件与凝固组织的定量关系，发展凝固控制新技术。相关的研究将结合高温合金定向与单晶叶片的铸造，进行新工艺和新技术开发。(8) 高熔化熵强化相的凝固组织形成原理利用大温度梯度、大凝固速度范围的定向凝固装置，实现含有高熔化熵强化相新材料的定向凝固，研究凝固条件与晶体取向、界面形貌的关系，研究多相生长时各相的形态及体积分数的变化规律，利用材料研究现代分析测试手段研究晶体内部的缺陷分布，建立缺陷与凝固条件的关系。3、创新性与特色本项目在以下几个方面提出了创新性的研究思路：(1) 将凝固理论发展到多元工业合金凝固过程的组织预测和描述。现有凝固理论在描述单质和二元合金凝固行为方面是成功的，而多元合金凝固理论研究处于起步阶段。具有工业应用价值的合金都是多元的，因而发展多元合金的凝固理论可提升工业合计设计的科学性。(2) 将热力学原理与动力学分析相结合，进行近平衡、非平衡、远平衡条件下凝固组织分析。热力学分析是包括凝固的一切相变过程研究的重要手段，但热力学应用最成功的仍限于平衡条件的分析。凝固过程具有典型的非平衡特性。本项目拟将热力学原理与动力学分析方法相结合，探索非平衡凝固组织控制和非平衡新合金研制原理和方法。(3) 提出凝固过程描述的4层次概念，进行分层次表征和跨层次耦合研究。本项目首次将凝固过程的研究工作归纳为微观、细观、介观和宏观4个层次，定义了每个层次的研究内容，并将进行各个层次之间关联性和耦合关系的研究。(4) 将合金成分设计与凝固工艺控制相结合。对于铸造合金，其组织性能是由合金成分和凝固条件共同决定的，将合金成分设计和凝固条件设计相结合是获得理想组织性能的新思路。(5) 结合大飞机及航空航天装备大型结构件与铸锭材料工业化生产的现场实际，开展凝固理论研究。铸锭与大型铸件的形状、尺寸、工况条件对凝固过程的控制手段带来诸多限制和约束。将先进性与可行性相结合，进行凝固过程研究，将有助于发展具有实际应用价值的新技术。(6) 物理场控制与传热控制相结合，探索凝固组织控制新方法。电磁场等物理场对凝固过程影响的实验现象不断被发现，但对其机理的研究尚不成熟。本项目拟从不同物理场对凝固过程影响原理研究入手，探讨物理场与温度场和溶质场的耦合作用机理。以此为基础发展物理场作用下的凝固控制新技术。4、取得重大突破的可行性(1) 关于凝固过程热力学与动力学耦合分析，项目组主要成员已建立了一种构筑多元系相图的实验模拟互补法，并成功用于多元相图热力学研究。在扩散动力学研究方面，通过扩散系数测定、原子移动性参数优化及第一性原理计算亚稳态的原子移动性参数对Al-Ni、Ni-Si、Co-Si二元系所有固相的扩散系数及化合物的扩散生成进行定量模拟，计算结果同实验数据符合很好；还建立了Al-Fe-Ni、Al-Cu-Zn、Al-Cu-Mn等三元Al合金的扩散动力学数据库。用第一性原理方法、嵌入原子模型、相图计算方法研究了平衡相和亚稳相的热力学性质和弹性性质。测定三元化合物的晶体结构及Al-Mg-Si合金时效强化过程中析出相的体积和尺寸变化，并已成功将热力学及动力学数据库耦合到多元合金凝固的相场法微观组织数值模拟研究。上述基础性的研究证实了本项目所提出的热力学和热物性参数研究方法、技术路线的合理性与可行性。(2) 关于凝固过程4层次的研究，微观、细观、介观和宏观每个层次的研究工作均已形成一些理论模型，可以借鉴。本项目提出了跨层次耦合的基本思路。其中微观层次的研究将采用第一性原理、相场理论等，获得界面能、结构缺陷、分凝系数和扩散系数等基本参数。这些微观参数将为细观层次凝固组织的分析提供基本参数。通过对细观层次显微结构的理论分析，提取介观尺度计算的特征参数。将介观尺度的结构参数与传热、传质与对流场分析相结合则可获得宏观的凝固信息。基于上述思路可望实现多层次凝固理论建模和跨尺度耦合的研究目标。(3) 关于大型铸件与铸锭的凝固，本项目研究人员开发的反重力铸造技术已经得到广泛应用，近期提出了大型复杂铝合金结构件整体精密铸造新思路，并已进行了初步探索实验。通过对大型铝合金铸锭凝固过程的数值模拟，提出了从宏观层次上进行铸锭凝固过程控制的新方法。同时建立了相关的实验和数值模拟研究条件。(4) 强磁场下金属形核过冷度发生变化已得到实验证实，经分析其内在机制有磁场的热力学效应和磁场影响扩散与表面张力等动力学效应。本研究团队已针对这些方面开始了探索，有了相应的研究方案。在揭示相关合金热电磁特性的基础上，发展多场耦合的热电磁流体力学模型，进而考察相应的凝固组织的变化，建立起电磁场下凝固组织演化分析理论，对凝固过程进行分析是可行的。在掌握电磁场等多场耦合对多元合金凝固影响的基础上，开发凝固控制新技术是可行的。(5) 针对新型多组元合金的发展，棱面相凝固过程择优取向及界面形态与凝固条件有关系，在较大的温度梯度及生长速度范围内可能出现凝固组织的重大转变。为获得这样的转变规律需要在较大的范围内调控温度梯度及生长速度，项目组主要成员已建立温度梯度为501000K/cm、凝固速率为110000m/s的定向凝固装置，建立了本项目研究的实验条件。(6) 本项目的其他研究基础和条件还包括：研究队伍：整合了国内有相相关专长的研究团队，人员学科背景具有互补性。项目首席、课题负责人及主要学术骨干长期在一线从事凝固原理与技术研究。研究队伍包括教授21名，其中长江学者4人，国家杰出青年基金获得者4人。主要研究方向由凝固及热力学研究领域的权威把关，本领域的著名学者徐匡迪院士，周廉院士，周尧和院士，傅恒志院士，胡壮麒院士，金展鹏院士长期领导着本项目研究人员的科研工作，并指导了本项目的论证过程，后续的研究工作也将在他们指导下进行。研究平台：本项目的研究工作将以凝固技术国家重点实验室等3个国家重点实验室，1个省部共建重点实验室和1个省部共建工程中心为依托，具有良好的实验条件和基础。国际合作：本项目的主要研究人员具有一定国外合作研究的工作经历，曾组织了9次凝固领域的国际会议，与美国MIT等，德国亚琛工业大学等，英国牛津大学等16个高校有长期合作关系。产学研相结合：本项目的研究团队具有长期与企业合作的经历，与主要航空航天企业以及中铝等产业界有密切合作，主要研究工作可以及时得到工业生产的验证，并可实时推广应用。四、年度计划研究内容预期目标第一年(1)建立考虑化学有序、磁性有序及各种外场对自由能贡献的热力学模型；(2)完善扩散模型，使其能描述多元线性和非线性化合物、多元有序和无序相的扩散行为；(3)实测二元系平衡关系、化合物的晶体结构及熔化行为及形成焓；(5)多相场变量法多元多相合金凝固相场模型研究；(6)采用并行处理及自适应网格技术等先进数值算法实现大尺度系统的高效数值模拟；(7)凝固过程液固界面能及其各向异性的实验测定及其分子动力学计算；(8)外部流场作用下的液固界面形态及晶粒形貌演化的数理模型及数值描述方法; (9)低网格各向异性的晶粒生长CA计算模型；(10)典型Al合金和Ni基合金等磁性、扩散和热电系数等实验研究;(11)强磁场对金属凝固形核影响的研究;(12)合金定向凝固实验;(13)玻璃熔融循环过热的方法实现强磁体下Co基合金的深过冷；(14)电磁场作用下Ti/TiAl合金凝固界面的凝固弹性能、界面能、体积自由能研究；(15)多元合金熔体结构的实验测定与描述，构建熔体结构的相关模型；(16) 多元多相合金凝固过程中宏观热扩散、溶质扩散及动量传输的理论描述;(17)多元多相合金界面动力学及晶体生长的微观动力学理论描述;(18)典型高性能工业铝合金（Al-Si-Mg系D357及Al-Cu的ZL205A）铸造凝固组织的形成与控制原理研究；(19)构筑能够准确描述原子间相互作用的势函数，进行分子动力学模拟方法研究；(20)设计并制造深过冷快速凝固装置，初步开展深过冷实验；(21)进行非平衡多组元合金粉的制备研究；(22)进行快凝粉体的形态观察；(23)研究快速凝固条件下多元合金凝固结晶行为和组织结构演化;(24)复杂合金熔配过程中成分控制；(25)不同含量难熔元素和微量元素单晶高温合金的制备，平界面单晶的制备；(26)复杂体系多组元材料熔体结构热物性分析；(17)初生强各向异性相形貌及溶质分凝。(1)建立考虑外场对自由能贡献的热力学模型及多元相的扩散系数矩阵获取的方法；(2)建立可描述多元多相合金凝固过程的相场模型；(3)提供准确测量固液界面能及其各向异性参数的测量方法，形成固液界面能的分子动力学计算方法；(4)建立强对流下的液固界面形态及晶粒形貌演化的数理模型和描述方法；(5)建立低网格各向异性的晶粒生长CA计算模型；(6)获得典型合金主要相的磁性等参数；(7)了解磁场作用下典型合金定向凝固组织特征；(8)获得强静/梯度磁场对Co基合金过冷能力及凝固组织的影响规律;（9）获得多元合金熔体结构随合金成分及熔体热历史的变化规律；(10)建立耦合凝固过程中传输现象的界面动力学和枝晶生长理论模型;(11)获得铸造D357合金极限性能及其实现途径；(12)优化ZL205A合金熔体处理、晶粒细化技术，揭示凝固条件及凝固组织形态对铸件成分偏析、缩松、热裂形成的影响规律；(13)模拟体系的原子势函数，初步确定模拟计算方法；(14)建成深过冷快速凝固实验的新装置；(15)建立制备多组元非平衡合金粉的方法；(16)探索快凝参数对凝固组织的影响；(17)阐明熔体温度、冷却速率等对多元合金组织结构和性能的影响规律；(18)实现目标合金成分精确控制；(19)制备出符合实验要求的平界面单晶高温合金；(20)建立复杂体系多组元材料熔体结构表征方法；(21)揭示强各向异性相熔体中析出界面分凝规律；（22）发表论文3340篇,申请专利1-2项。第二年(1)亚稳态样品制备及其热力学数据和晶体结构研究；(2)扩散偶样品的新颖设计和扩散系数测定；(3)亚稳态时扩散系数的计算方法研究；(4)系列三元系进行热力学计算和验证实验；(5)相场微观组织模拟计算程序编制及多元多相合金微观组织演化研究；(6)固液界面能及其各向异性参数的计算模拟；(7)温度场、流场、溶质场耦合下的枝晶熔断、晶粒游离机制和数理模型；(8)多元多相合金凝固过程中的相生长竞争行为；(9)合金定向凝固组织及热电磁力和流动对凝固影响的数值模拟；(10)典型合金表面张力等的实验研究;(11)强磁场对金属凝固形核影响的研究;(12)电磁悬浮TiAl合金的过冷凝固行为影响规律研究；(13)梯度磁场下Co基合金的深过冷凝固行为研究；(14)探索利用热电磁力控制凝固组织技术;(15)多组元合金熔体-结晶相界面能的理论模型与实验测定；(16)综合考虑宏观现象和微观过程的多元多相合金凝固动力学描述；(17)基于凝固动力学理论的相、组织及凝固形态的竞争机制;(18)典型航空航天结构件凝固组织形成过程的模拟与实验验证；(19)大型铸锭凝固过程温度场、对流场与应力场的数值分析；(20)对单组元和二元合金快速凝固过程中的固液界面结构进行模拟；(21)进行多组元共晶合金快速凝固界面形貌研究；(22)进行含过饱和Y、Ti、O的多组元合金快凝粉的实验研究；(23)进行SPS技术应用于多元合金粉固体化的初步探索；(24)研究非金属元素和过渡族元素对多元合金凝固结晶行为和组织结构的影响；(25)不同成分合金的DSC实验分析及凝固特性研究；(26)复杂体系多组元材料平界面凝固过程界面宏观形貌研究；(27)强各向异性相生长取向与生长条件关系。(1) 发展亚稳相的热力学和扩散动力学性质的计算方法；(2)建立多元多相合金凝固理论；(3)完善固液界面能的分子动力学计算方法；(4)逐步建立三场耦合作用下的枝晶熔断、晶粒游离模型；(5)掌握多元多相合金凝固过程中的相生长竞争行为的数学描述方法；(6)获得热电磁力和对流对凝固组织影响的基本规律；(7)获得典型合金的表面张力参数；(8)获得磁场影响不同磁性与凝固特性合金的DTA曲线特征；(9)构建电磁场作用下Ti合金等凝固微观组织演化的相场方程；(10)提出利用热电磁力控制凝固新技术原型;(11)获得多组元合金熔体-结晶相界面能随温度和成分变化的变化规律；(12)实现凝固过程的动力学描述，发现相关竞争现象的物理机制；(13)揭示大型铝合金结构件充型与凝固过程的耦合关系及其对凝固组织形成的影响规律;(14)掌握大型铝合金铸锭成分偏析、局部冷速以及应力的计算方法；(15)实现对单元和二元合金非平衡凝固界面结构特征的揭示与表征；(16)揭示共晶合金深过冷快速凝固时的界面形态演化规律；(17)确定Y、Ti、O在凝固过程中的存在与控制因素；(18)初步阐明SPS过程中粉体表面的熔化与凝固特征；(19)阐明非金属元素和过渡族元素对多元合金组织结构的影响规律；(20)获得不同合金的相关物性参数和凝固路径等；(21)获得不同熔体结构及组元变化情况下界面宏观形貌演变规律；(22)揭示强各向异性相在生长过程中生长方向在不同晶体取向间转换的机制；(23)发表学术论文3545篇，申报专利13项。第三年(1)纯组元及二元合金的粘度测量与分子动力学计算；(2)多元合金的扩散系数研究与数据库建设；(3)三元系热力学计算和验证实验；(4) 界面能数据第一性计算；(5)共晶型或包晶型多相合金中初生相和次生相的选择过程与机制相场研究；(6)温度场、流场、溶质场耦合下的枝晶熔断、晶粒游离物理机制和数理模型；(7)多元多相合金凝固过程中的晶粒生长耦合与竞争行为；(8)多元多相合金凝固过程的多层次耦合机制;(9)多模式电磁场作用下金属流动的实验和数值模拟研究;(10)磁场对金属表面张力等影响规律研究；(11)电磁场作用下Ti/TiAl合金凝固界面附近原子间的相互作用研究；(12)电磁悬浮熔炼方法进行Ti及TiAl合金试样的制备和枝晶生长行为的试验研究；(13)梯度磁场下Co基合金过冷熔体磁化系数的测量；(14)开展梯度强磁场下金属凝固研究;(15)进行熔体结构与结晶相结构之间内在关系的实验与理论研究；(16)多元多相合金液/固界面参量对凝固组织状态影响的实验研究，包括凝固组织形态、成分偏析、结构缺陷、晶粒结构、亚结构以及同位错组态相关的储存变形能;(17)Al-Cu系合金典型铸件凝固过程的凝固过程模拟与实验验证；(18)大型铝合金铸锭凝固过程优化控制方法的探索;(19)研究第三组元加入后固液界面结构和界面自由能的变化；(20)研究非平衡凝固组织的形成机制；(21)研究多组元合金粉凝固过程中Y、Ti、O的偏析与控制；(22)研究SPS固体化过程中Y、Ti、O的析出与析出相的成分与结构演化；(23)研究多元合金非平衡组织结构在不同处理工艺下第二相的析出及其形核、长大过程；(24)不同合金元素的分凝规律，进行测算和测定数值的比较分析；(25)复杂体系多组元材料平界面凝固过程界面扩散动力学研究；(26)强各向异性相在包晶凝固过程中的形核长大规律。(1) 提供一种获得多元合金的粘度与成分和温度关系的科学方法；(2)获得界面能与温度及成分的定量关系；(3)建立多元多相合金凝固微观组织演化与凝固控制条件的关联；(4)完善三场耦合作用下的枝晶熔断、晶粒游离数理模型；(5)建立晶粒生长耦合与竞争行为的物理模型；(6)确立多元多相合金凝固过程的多层次耦合机制；(7)构建起具有静磁场交变磁场的多模式电磁场，掌握其调制方法；(8)提出磁场影响形核过程的基本模型；(9)建立电磁场作用下合金凝固界面原子迁移的分子动力学模型；(10)获得Co基合金不同过冷度下的磁化系数; (11)了解梯度强磁场下金属凝固的基本现象;(12)获得熔体结构与结晶相结构之间的内在关系及其变化规律；(13)实现不同凝固路径下凝固组织状态的模型化描述;(14)获得典型Al-Cu合金铸件的凝固组织实验结果，并进行数值模型的验证；(15)提出大型铝合金铸锭凝固过程优化控制方案；(16)揭示第三组元对固液界面结构和界面能的影响规律；(17)建立非平衡凝固组织形成理论；(18)揭示凝固过程中Y、Ti、O的迁移、扩散规律及其控制因素；(19)揭示粉体表面熔化与凝固过程中析出相的组成、形态与结构演化；(21)阐明不同处理工艺对多元合金组织结构的影响规律；(22)分析难熔元素的添加对合金分凝作用的规律；(23)掌握复杂体系多组元材料平界面凝固过程界面主成分与杂质扩散规律；(23)揭示包晶凝固过程中两相竞争生长及取向选择机制；(24)发表学术论文3545篇，申请专利35项。第四年(1) 固相和液相的热导率测定与计算；(2)压力/体积对热力学函数影响规律研究与热力学数据库完善；(3)获取描述多元合金平衡相及亚稳相之间平衡关系的热力学参数；(4)通过基于三维糊状区凝固过程的相场法数值模拟，研究糊状区内的微观组织演化过程；(5)振荡外场作用下的铝合金凝固组织演化规律；(5)多元多相合金凝固过程的多层次耦合模型及计算方法;(6)多模式电磁场下金属流动规律、速度与流动模型；(7)梯度强磁场下凝固界面稳定性、组织形态和溶质分布规律研究；(8)磁场下金属间化合物定向凝固研究;(9)研究电磁场作用下Ti/TiAl合金溶质原子的运动分子动力学与相场法研究；(10)强静/梯度磁场下Co基合金熔体内磁性有序结构对过冷凝固组织的影响;(11)进行多元合金形核的理论模型及与实验的对比研究；(12)以多元Al合金为研究对象，进行非平衡效应下多元多相合金凝固组织固态转变的实验研究；(13)探讨凝固非平衡性与凝固组织固态转变驱动力间相互关系;(14)大型航空航天铝合金铸件凝固组织优化控制新工艺探索：(15)大型铝合金铸锭凝固控制小方法的探索实验;(16)研究快速凝固过程中的固液界面处的溶质分凝规律；(17)研究深过冷熔体中的相选择规律；(18)研究凝固过程对先进ODS铁素体/ 马氏体钢性能的影响；(19)进行先进ODS铁素体/ 马氏体钢制备的凝固过程的优化与控制研究；(20)研究多元合金组织结构特征与力学性能、腐蚀性能之间的关系；(21)不同凝固速率下单晶体的制备，分析不同界面形态下析出相的特点；(22)复杂体系多组元材料平界面凝固过程界面分凝行为研究；(23)强各向异性相在共晶凝固过程中的形核长大规律。(1)提供一种获得多元合金的热导率与成分和温度关系的科学方法；(2)建立含亚稳相及体积变量的多元多相合金热力学数据库；(3)建立糊状区凝固组织演化与缩孔、缩松及热裂等凝固缺陷间的关联；(4)振荡外场作用下的铝合金凝固组织演化规律及机制描述；(5)确立多元多相合金凝固多层次耦合模型及计算方法；(6)构建起多模式电磁场下金属流动模型；(7)基本搞清梯度强磁场下界面稳定性、枝晶组织和宏观偏析等的变化规律；(8)揭示电磁场作用下溶质扩散迁移对枝晶生长的影响规律；(9)揭示强静/梯度磁场下磁性有序结构对凝固过程中新相形核及长大过程的规律；(10)初步了解磁场下金属间化合物定向凝固现象;(11)建立多元合金形核的理论理论；(12)发现不同凝固路径下凝固组织固态转变的规律;(13)大型航空航天铝合金铸件高性能凝固控制技术原型；(14)初步获得大型铝合金铸锭凝固控制优化控制新技术;(15)深刻认识多组元合金非平衡凝固时溶质分凝的热力学与动力学；(16)阐明非平衡凝固时亚稳相竞争析出的机制；(17)建立凝固特征与材料微观结构与性能的相互关系；(18)阐明多元合金变形行为，强韧化和腐蚀机理；(19)掌握各向异性相的析出形貌和析出规律；(20)掌握复杂体系多组元材料平界面凝固过程界面分凝规律；(23)揭示共晶凝固过程中两相耦合生长及取向选择机制；发表学术论文3550篇，申请专利26项。第五年(1) 建立热力学计算与相场动力学模拟的耦合界面；(2)研究各种热物性参数对凝固过程定量模拟结果的影响；(3) 分析外部控制因素对凝固组织及缺陷演化的影响；(4)多元多相合金凝固过程的多层次耦合模型及计算方法；(5)多元多相合金激光熔凝逐点成形非平衡凝固多层次耦合机制；(6)多元多相合金激光立体成形中的凝固组织控制方法;(7)建立分子动力学方法与相场法相结合的多尺度模拟平台及多模式电磁场下金属凝固模型；(8)磁场作用下单相合金、共晶合金的深过冷凝固模型研究;(9)多模式电磁场下金属凝固技术开发，制出具有预期的组织形态的叶片等示范件；(10) NiAl等金属间化合物合金凝固行为研究；(11)以为铝合金研究对象，进行利用控制熔体结构实现工业合金凝固组织与性能控制的原理与技术；(12)建立固态转变中转变分数与时间(温度)的理论关系模型，精确描述相变行为；(13)探讨多元多相合金的凝固过程及固态转变过程对最重凝固组织及其性能的影响；(14)完善大型航空航天铸件铸造新技术的理论模型和技术方案;(15)完善大型铸锭凝固组织控制的原理和方法；(16)全面阐述非平衡凝固条件下固液界面结构、界面自由能及其调控理论；(17)构建非平衡凝固合金成分设计理论和组织控制原理；(18)全面阐明凝固过程对先进ODS钢结构与性能的影响及其控制机制；(19)研究多元复杂合金溶质元素间的作用规律；(20)熔体组元之间的交互作用对平界面凝固过程的界面分凝和界面扩散行为的影响研究；(21)籽晶法控制强各向异性相在凝固过程中晶体取；(22)项目的总结与验收。(1)构建基于真实多元多相合金热力学、动力学数据库的微观组织及缺陷预测和凝固过程设计平台；(2)争取获得省部级以上自然科学类奖励一项；(3)完善多元多相合金凝固多层次耦合模型及计算方法；(4)明确激光熔凝实验条件下非平衡凝固多层次耦合机制；(5)实现典型构件激光立体成形工艺-组织-性能一体化控制；(6)阐明多模式电磁场对液-固相变、枝晶竞争生长的作用机制；(7)揭示强磁场对过冷单相合金，共晶合金凝固组织演化的作用机制;(8)搞清磁场下金属间化合物合金定向凝固组织形成规律；开发磁场控制金属间化合物合金定向凝固组织技术；(9)获得叶片等示范件;(10)形成较为成熟的多元合金熔体结构、形核描述控制的理论和方法；(11)提出扩展等动力学理论，实现凝固过程、固态转变在材料组织和性能上的优化；(12)形成大型铝合金铸件的铸造新技术和凝固控制理论模型；(13)形成大型铸锭凝固过程优化控制的理论模型和技术；(14)建立起较为全面的多组元合金非平衡凝固理论；(15)在深刻认识非平衡凝固组织形成机制的基础上，全面阐明非平衡凝固组织调控理论；(16)建立ODS钢构建过程中非平衡凝固过程与组织的调控理论和技术；(17)揭示溶质元素间相互作用的分凝规律；(18)揭示复杂体系多组元扩散与分凝行为的影响规律；(19)揭示强各向异性相非择优取向生长的稳定性及失稳机制；（20）发表学术论文3050篇，申请专利2项以上；(21)完成项目结题验收。一、研究内容本项目拟从凝固组织形成原理和控制的角度，解决如下关键科学问题：科学问题一：多元多相合金非平衡凝固行为的热力学与动力学耦合理论多元多相合金凝固过程的控制参数多，交叉影响大，动力学因素作用强，建立在解析方法基础上的经典凝固理论难以推广到多元多相合金。本项目拟耦合热力学和动力学参数，建立多元多相合金非平衡凝固过程热物性和热力学参数获取的集成方法，发展描述熔体结构、凝固路径、相结构（含亚稳相）、缺陷演变的数值模型。科学问题二：多元多相合金凝固过程的多层次表征及跨层次耦合凝固过程的组织结构演变应在微观、细观、介观与宏观四个层次上进行描述。不同层次的物理过程遵循不同的理论模型，同时各层次间又存在必然关联。本项目拟建立多元多相合金凝固过程不同层次的理论模型，明晰各层次模型及参数之间的耦合关系，实现凝固过程的多层次完整描述。科学问题三：多元合金非平衡凝固过程中熔体界面传输的协同调控原理多元合金的熔体结构、液固界面和热质传输是凝固形核、生长与组织结构演变多样性和复杂性的根本原因。本项目拟探索熔体特性、生长形态和传输过程的协同调控原理，建立合金成分与凝固工艺一体化设计理论，发展非平衡凝固新材料及其构件的凝固控制新方法。科学问题四：电磁场及高能束作用下多元多相合金的凝固行为及其控制原理电磁场和高能束流不仅可以控制凝固过程的多层次输运，强化凝固约束条件，而且能够改变熔体结构与凝固特性。本项目拟研究电磁场与高能束对液相、固相以及凝固界面的作用机理，揭示电磁场及高能束作用下多元多相合金凝固组织的演变规律，发展凝固过程的电磁控制及高能束控制理论和方法。针对上述科学问题，本项目拟开展的主要研究内容如下：（1）采用多种理论和实验方法，建立多元多相合金的热力学和动力学耦合模型，获得热力学和热物理参数。针对工业合金多组元的特点，建立凝固组织形成的定量描述理论，实现凝固路径、成分偏析、相组合、组织形态及缺陷的定量预测。（2）根据相结构、晶粒形核、液固界面形态、晶粒生长及竞争、偏析形成及演化等不同层次凝固行为和特性，建立多元多相合金凝固过程不同层次的理论模型，探索各层次模型及参数之间的耦合关系，寻求凝固成形过程中成分-工艺-组织-性能一体化描述及控制方法。并以航空航天技术中复杂钛合金及高温合金结构件的激光立体成形为背景,发展成形与性能控制一体化的凝固成形新技术。（3）从原子间交互作用、团簇结构分析入手，进行复杂成分熔体结构及其与凝固过程相关性的研究。探索成分偏析、缩松、热裂、应力、变形等铸造缺陷的形成机理和控制模式，揭示大型铸件与铸锭的凝固规律，进行工艺参数的优化和凝固控制新方法的探索，解决航空航天领域急需的大型铝合金铸件、铝合金铸锭及钛合金铸锭凝固控制的共性基础问题。（4）研究电磁场与多元合金熔体和结晶界面的作用原理，揭示电磁场对凝固形核、溶质分凝、溶质迁移、多尺度生长形态的影响规律，研究用电磁场控制凝固组织的新方法，以期在高温合金发动机用细晶、定向和单晶叶片上实现应用。（5）将多元合金成分设计和凝固控制手段相结合，揭示多元合金快速凝固过程中液固界面结构和溶质截留机制，阐明快速凝固条件下组织结构的演变与合金成分、凝固过程调控的相互作用规律，发展多元合金及构件的快速凝固制备原理与技术，开发高性能非平衡新材料。（