董闯 材料设计及载能束材料改性专家

作为三束材料改性教育部重点实验室的学术带头人，请您介绍一下“三束”技术及其在航空制造领域的发展前景．．

高熵陶瓷材料研究进展及挑战

高熵作为全新的材料体系,得益于巨大的组分空间、独特的微观结构以及较大的构型熵所赋予其独特且可调的优异性能,已成为材料领域的研究热点。高熵陶瓷的研究目前还处于探索阶段,尤其在精准的成分设计理论、高纯高产率粉体制备、新型烧结工艺等方面,亟待深入研究。因此,本文针对高熵陶瓷的五大高熵效应、新的设计理论、粉体制备方法、新型烧结工艺以及综合性能与实际应用进行了梳理归纳,并通过团簇加连接原子模型(CPGA)对高熵陶瓷(HEC)成分设计进行解析,深入挖掘了HEC的组元和微结构以及性能之间的关系。未来HEC的重点发展方向仍然为基础理论设计,尤其是针对非氧化物HEC成分结构。同时,在样品制备上要在学科交叉领域寻找突破,如采用人工智能机器学习与3D打印进行制备。最后,要寻找结构、热障耐腐涂层、机械、工程光学和磁性等方面实际应用并对探究工况环境下的强化、失效机制深入探究分析。

阻尼合金研究进展

阻尼合金作为一种能通过组织内部的缺陷运动使振动能转化为热能耗散的材料,兼具较高力学性能和一定功能特性,在航空航天、武器装备等领域的开发和研究具有重要意义。不同合金体系之间存在微观组织上的差异,即对阻尼起主导作用的缺陷种类不同,而组织缺陷的性质(种类、密度及可动性)是影响合金阻尼性能的关键因素。本文从组织缺陷(面缺陷、线缺陷和点缺陷)的角度出发,阐述了不同合金体系的阻尼源种类和性能特点,针对合金阻尼性能、力学性能以及功能特性(耐蚀性、铸造性能等)之间的关系综述了各类阻尼合金的发展现状,进而归纳出不同阻尼合金的发展规律和差异。最后,本文对阻尼合金的研究方向做出展望,由于合金阻尼源种类过于单一会严重限制减振性能的提升,而通过材料复合化及高熵合金化可实现合金中多种阻尼源的共存,产生多阻尼机制耦合效应,实现合金阻尼性能的二维扩展,改善合金力学性能及功能特性,为提升合金综合性能起到重要指导。

基于第一性原理计算的固溶体合金集成学习设计方法

基于密度泛函理论的第一性原理方法在考虑了固溶体化学短程序特征后计算得到的合金的基本性质更为可靠。本工作将描述固溶体短程序的团簇加连接原子结构模型嵌入到第一性原理计算中,获得了一系列合金的基本物性数据;构建了数据管理系统,形成成分与性能数据库;进而采用多种机器学习算法构建合金成分与性能的预测模型,并对其进行对比分析;在此基础上,筛选最优算法,以精确预测合金的性能,并实现以性能为目标导向的成分设计;最终形成了一种基于第一性原理计算的固溶体合金集成学习设计方法,并开发出可视化程序软件。该方法有望大幅提升高性能先进合金材料研发的效率。

高Al含量的亚稳β型Ti-Al-Mo-Nb-V系列钛合金的组织与力学性能

目前,亚稳β钛合金的成分朝着更高Al含量和更高β稳定元素含量的方向发展,本工作基于典型亚稳β钛合金β-21S和TB18的成分设计思路,添加了更高含量的Al元素,同时添加了Mo、Nb、V三种β稳定元素,设计并利用铜模吸铸法制备了高Al含量的亚稳β型Ti-Al-(Mo,Nb,V)系列钛合金。结果表明,Ti-6.5Al-1.5V-11.5Mo-2.8Nb合金在吸铸态下的β相结构达到临界稳定状态。此时,该合金的拉伸屈服强度为623 MPa,延伸率为16.6%,其屈服强度略低于对标合金TB18,但延伸率明显高于同系列合金和TB18合金,具有最佳的综合力学性能。此外,该合金液固温区为31℃,在同系列合金中最低,且明显低于对标合金TB18的液固温区238℃。

基于团簇加连接原子模型对TC21钛合金的成分优化

运用源自最成熟Ti-6Al-4V合金的双团簇成分式,解析了高损伤容限的双相TC21(Ti-6Al-2Zr-2Sn-2Mo-2Nb-1.5Cr)钛合金成分,指出其成分式由13个α-Ti和4个β-Ti结构单元构成。与Ti-6Al-4V相比,β-Ti结构单元从5减少到4,但是引入了更多的β稳定元素,使得该合金具有更好的强塑性。在此基础上,本工作将TC21的β-Ti团簇式内各β稳定元素原子等比例配比以增加混合熵,大量增加Zr含量以进一步提升β相稳定性,设计了团簇式为α-{[Al-Ti_(12)](AlTi_(2))}_(13)+β-{[(Al-(Ti_(12)Zr_(2))]Sn_(0.75)Mo_(0.75)Nb_(0.75)Cr_(0.75)}_(4)(原子分数)的新合金TC21Z2,相应质量分数为Ti-5.9Al-5.4Zr-2.6Sn-2.1Mo-2.0Nb-1.1Cr。采用真空铜模倾铸工艺进行样品制备,进而研究了合金的铸态组织和拉伸力学性能。研究发现,TC21Z2铸态组织为α+少量细针状α'马氏体+少量β相,其抗拉强度约为1289 MPa,屈服强度约为1181 MPa,伸长率约为1.4%,强度和塑性均高于同样状态下TC21合金。

合金相的“团簇+连接原子”模型与成分设计

以最近邻配位多面体为基元描述复杂合金相的结构特征,总结出合金相的常见团簇类型,并建立了合金相的"团簇+连接原子"模型。以此为基础解析准晶和非晶合金为代表的团簇合金的结构与团簇成分式特征,提出复杂合金相成分设计的团簇式方法,并以块体非晶合金和稳定固溶体合金为例说明多组元合金相团簇成分式的建立与运用过程以及团簇基元及连接原子种类与数目的确定原则。前期研究工作表明,基于"团簇+连接原子"模型的团簇成分式方法为多元复杂合金相定量设计提供了新的有效途径。

准晶:奇特而又平凡的晶体——2011年诺贝尔化学奖简介

准晶是具有长程准周期性平移序和非晶体学旋转对称的固态有序相。它的出现导致了晶体学与凝聚态物质结构理论的一次革命,极大推动了相关学科的完善和发展。其发现者Daniel Shechtman因此获得2011年度诺贝尔化学奖。本文简介了准晶的发现、结构特征和发展现状,同时介绍了中国科学家在这一领域的独特贡献。

三元合金相图中的团簇线规律

准晶、非晶等多组元合金具有很窄的成分区间,从原子团簇结构角度分析了这些相的结构特征,确定其成分规律.分析表明:无论是准晶、块体非晶,还是部分晶体合金相在内的金属间化合物都满足共同的团簇线规律,在三元相图中的三元相成分位于两条团簇线交点处,并且其中一条团簇线采用的团簇通常为密堆结构,因此,与传统晶体学完全不同.根据团簇线规则,三元相可以用"团簇+胶粘原子"的全新结构模型加以描述,该团簇线方法可以把微观结构的原子团簇与宏观相图有机地结合起来,构成合金相图的新特征.

基于信息熵的石羊河流域降雨时空变异性研究

【目的】应用信息熵研究石羊河流域的降雨时空变化,为合理开发该流域的水资源提供依据。【方法】用边际熵研究月、季和年时间序列的变化,用分配熵和强度熵分别研究降雨量和降雨日数的年内和年代(10年)分布,依据石羊河流域8个气象站1959-2008年的逐日降雨观测资料,对不同降雨时间序列的时空变异性进行分析。【结果】石羊河流域降雨在时间和空间上均存在变异性,降雨在时间上的变异性表现为年低于各季,季又低于相应各月;各季对年变异性的贡献以冬季最大,夏季最小;各月对季变异性贡献大的分别是春季3月、夏季6月、秋季11月、冬季12月;年际间降雨量变异性大的年份为1966,1979,1984,1987与1993年,降雨日数变异性大的年份为1973,1976,1984,1987,2001与2007年。在空间上,石羊河流域降雨量与降雨日数的变异性基本一致,均表现为流域东南部的变异性小于西北部。【结论】信息熵全面考虑了时空变化,可有效地解决降雨的时空变异问题。

群智能优化算法在水文频率曲线适线中的应用

根据不同适线准则,研究群智能优化算法在水文频率曲线适线中的计算问题,为水利工程规划、水资源优化配置等提供依据。以陕北地区12个主要测站的年径流系列为例,选取五大分布类共12种分布线型,根据我国现行水利水电工程设计洪水计算规范,按照离(残)差平方和最小准则(OLS)、离(残)差绝对值和最小准则(ABS)、相对离差平方和最小准则(WLS),以MATLAB7.6为计算平台,研究模拟退火算法、遗传算法、粒子群算法和蚁群算法进行水文频率参数的估计。在不同适线准则下,陕北地区年径流最优频率分布模型为广义Logistic分布(Generalized Logistic Distribution,GLO),粒子群算法进行参数估算偏差最小。与传统优化方法相比,群智能优化算法对优化目标函数要求低,是一种推求年径流频率曲线统计参数的新途径。

提高采煤机截齿使用寿命工艺方法研究

截齿作为采煤机重要刃具,具有易损、数量多、成本大等特性。为了获得使用寿命长的采煤机截齿,对截齿材料、成形工艺方法进行分析,研究了一种热处理及钎焊一体的新型截齿成形工艺,对实现该工艺的自动化生产设备进行分析,对提高截齿使用寿命的表面处理技术进行研究。为采煤机截齿使用寿命的提高、生产成本的降低、采掘效率的提升等方面提供参考及技术支持。

面降水量在确定河流干支关系中的应用

以洞庭湖流域为例,利用数字化的多年平均年降水深等值线图资料,采用自然邻点插值法快速准确地实现了数字等值线图栅格化,将降水栅格化结果与流域边界数据进行叠置和统计分析,从而计算出流域面降水量,并结合全国河流湖泊基本情况普查中确定河流干支关系的方法,对湘江干支关系进行了分析,验证了该方法的可行性和有效性。

准晶材料的形成机制、性能及应用前景

本文结合作者的工作综述了准晶的形成机制、性能特点及潜在的应用等几方面的国际最新进展这些进展都与电子结构有关，准晶是一种极特殊的电子合金相（Ｈｕｍｅ－Ｒｏｔｈｅｒｙ相），其伪Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ区为接近Ｆｅｒｍｉ球面的多面体，因而产生强烈的相互作用这种特性影响到准晶的各种行为，如形成过程、与类似相的关系等等．以硬度高。

B2基准晶类似相的结构及摩擦行为

研究了具有B2及其超结构的一类特殊准晶类似相．以Al－Cu－Mn和Al－Cu合金系为例介绍其相种类，并且证实它们均为等电子浓度相类似相，并分析了这些相的晶体结构，揭示了其与准晶的联系．发现了与Al－Cu类似相有关的B2化学孪晶模式，即180°/[111]操作，该模式可导致生成具有五边形局部原子排列和B2结构的五次孪晶．报道了Al－Cu－Fe合金系中成分不同的B2相的摩擦性能，发现价电子浓度e／a对摩擦因数有明显影响，e／a值接近1．86的样品（即Al－Cu－Fe准晶的e／a）具有接近准晶的摩擦因数，而e／a偏离越大，摩擦因数就越大．这说明具有准晶价电子浓度的B2结构才可能是准晶类似相．

三元合金相图上的团簇线和Al基准晶的成分规律

本文利用团簇结构信息来探索Al基三元准晶的成分规律。首先以晶体金属间化合物为例,利用基于二元团簇的团簇线方法,解释了其成分。然后将此方法运用在Al-(Cu,Ni,Pd)-过渡族金属三元准晶系中。最后将团簇线的含义进一步归纳为普遍规律和基本理论。

一个与准晶相关的新Al－Cu相

本文报道一个新Ａｌ－Ｃｕ相具有正交结构，空间群Ｆｄｄｄ．点阵常数为：ａ＝０．８１６６ｎｍ，ｂ＝０．９９９５ｎｍ，ｃ＝１．４１４９ｎｍ，表达式为Ａｌ４３．２Ｃｕ５６．８．该相与Ａｌ－Ｃｕ－Ｆｅ准晶的价电子浓度相同，是一个由ＣｓＣｌ结构衍生的类似相．

综采工作面底板岩巷抽采瓦斯治理应用

寺河矿是高瓦斯矿井,为了解决在治理瓦斯过程中煤层透气性差、瓦斯抽放效率低的问题。本文结合W23032巷地质条件,采用底板岩巷穿层钻孔施工技术抽放瓦斯,结果表明,密集钻孔覆盖降低了瓦斯含量,抽放瓦斯效果显著,增加了经济效益,为工作面安全作业提供了保障。

南锡矿冶学院材料专业教学体系考察

我国许多工科院校都设有金属材料热加工专业或系,有热处理、铸工、焊接、锻造等。这些专业或系目前都多少存在着生源不足、学生学习积极性不高的问题。这里有外在和内在的两个原因。外因是这些行业不太景气,国有企业改革滞后,工作环境艰苦等,更重要的内因则是专业口径狭窄,不适应社会需求。以我校材料工程系为例,它脱胎于原机械系热加工专业(包含铸工、金属材料及热处理两个专业),均设立于50年代,几十年没有大变化。现在,一方面两个专业都是硕士、博士点,且设有博士后流动站;而另一方面,本科生招生呈递减趋势,甚至出现了缺额。这个异常的现象说明,尽管科研工作基本适应了本行业的发展,但本科生教学却愈加不适应社会发展。近年来各校均在教学改革上作了许多尝试,在诸如拓宽专业口径、加强通才教育等方面已取得共识,但往往缺乏切实有效的具体措施。