金属材料多尺度高通量制备研究进展

材料高通量实验是在短时间内完成大量样品的制备与表征,可帮助研究者快速筛选新材料的成分和工艺组合,高效探索材料创新的“基因”,从而促进自主创新迭代能力,是材料基因组工程的关键技术之一。高通量制备技术是高通量实验的基石,其技术发展方向可归纳为两类,第一类是通过并行试验的方法提高制备效率,第二类是在同一样品上实现成分或工艺参数梯度变化。按照制备样品单元的尺度可分为纳微观样品制备方法和宏观样品制备方法,以界面法、薄膜法为代表的纳微观尺度高通量制备技术已被广泛用于各类新材料的成分设计。目前该领域的重要发展方向之一是块体样品的高通量制备技术,用以实现对样品宏观力学性能的直接表征。发展中的宏观尺度样品的高通量制备方法总体上可分为成分高通量制备和工艺高通量制备两大类。本文按照样品尺度归纳了各类高通量制备方法的优缺点及应用特点,特别是高通量方法与激光增材制造技术结合制备块体材料的思路,重点介绍了高通量制备技术在高熵合金、非晶合金和新型结构材料设计开发中的应用案例,分析了高通量制备技术未来发展的重点和趋势,包括均匀块体样品的高效高通量制备、高通量制备与表征的一体化协同以及发展高通量数据采集管理学习的一体化云数据平台,以期为金属新材料成分及工艺设计提供技术思路。

材料数据库和数据挖掘技术的应用现状

数据库作为材料基因工程的三大重点研究领域之一,对材料的加速设计有重要的作用和意义。从20世纪70年代起材料数据库开始在国内外逐步发展,到目前为止各国都已形成了一定数量的离线和在线数据库。早期材料数据库的基本功能是数据存储、数据管理以及数据检索服务。随着材料基因工程理念的提出,材料数据库开始关注发展数据共享、数据自动收集和输出等系列新功能。通过在线集成计算软件或程序、数据分析工具已逐步建立了一些基于数据库的材料智能设计平台。数据挖掘不考虑复杂的物理和化学意义,而是直接从材料数据库中挖掘出有价值的知识或模式的过程,它能够充分发挥材料数据库甚至小数据量在材料设计中的作用。目前已经被广泛应用到材料性能预测和优化、缺陷质量预测和生产监控、微观组织识别等相关领域。未来,材料数据库和数据挖掘技术将更加紧密地结合,协同向材料集成计算和智能设计的需求方向发展。

铁/镍元素粉末的选区激光熔化过程扩散动力学研究

异质粉末3D打印,即采用纯元素或简单合金粉末混合进行3D打印,可以省略冶炼和制粉流程,在打印中直接完成冶金过程,相比传统基于均质金属粉末的3D打印,该法流程缩短、粉末种类减少,具有重要的发展价值。本文针对选区激光熔化(SLM)打印过程,提出了异质金属粉末直接3D打印冶金的技术原理,并以Fe基合金为例分析了各类元素的扩散动力学。计算表明,通过提高SLM脉冲峰值温度、延长熔态时长、减小合金粉末粒径、增加后续高温热处理等方法可以大幅提高打印过程中的元素扩散效率,实现成分均匀化。SEM和EDS实验结果显示,提高SLM脉冲峰值温度、延长熔态时长能有效提高扩散效率,与计算结果吻合。

"产品大数据与创新服务"专题交流会

2018年11月12日。钢铁研究总院工程用钢研究所副所长苏航教授应邀来到首钢技术研究院做题为“产品大数据与创新服务”的讲座.技术研究院相关科研人员参加了交流。苏航教授从美国政府“材料基因组计划”、“大数据计划”以及中国“互联网+行动计划”等方面介绍了目前材料领域大数据背景、全球钢铁材料数据云服务、产线质量与环保能力分级、高端定制与云检测等,重点介绍了国内钢铁行业材料云(互联网+材料)方面的工作,同时介绍了为落实国家创新驱动战略和供给侧改革方向.历时多年打造的的高端钢铁材料云服务的理念和平台建设情况。

材料数据共享现状综述及区块链应用前景探讨

在材料领域,大数据逐渐成为新的资源,在材料研发过程中扮演着重要的角色。目前国内外有诸多材料数据库,科学数据的开放和共享逐步成为国际共识,欧洲学术界开展了开放科学运动并提出了科学数据FAIR原则。然而,数据共享过程中仍存在一些技术挑战,如材料数据共享技术、知识产权与数据安全问题以及材料数据共享生态的建设问题。区块链由于具有去中心化、可追溯等特点,为材料数据共享提供了新的解决思路。本文调研了材料数据库的共享现状,论述了数据开放科学运动的发展和FAIR原则,提出了目前材料数据管理与共享所面临的挑战,并通过区块链的应用原理和案例探讨了区块链在材料数据共享中的应用前景。

材料数据基础设施架构研究与应用

材料数据是材料数字化研发的基石,材料数据基础设施的建设是有效利用材料数据、加速材料研发的关键。目前,国内外有诸多材料数据基础设施,数据的开放和共享逐步成为国际共识。分析了材料数据基础设施建设面临的主要挑战与应对策略,提出了分布式材料数据基础设施的通用基础架构及其关键技术。基于该架构,在边缘、企业、行业3个层级进行平台部署设计,并构建了材料数据基础设施实例,展示了平台功能与其在材料数字化研发研发中发挥的作用。

钢铁材料产线质量能力分级——理论与实践

传统钢铁产品评价体系是"合格"与"不合格"的二值评价,"合格"门槛之上产品的质量差异长期被忽略,是造成近年来低价中标、劣币驱逐良币等质量困局的重要因素。钢铁材料产线质量能力分级评价方法,是变标准门槛评价为分级评价,使得优秀的钢铁企业在追求产品合格率100%以后有新的质量目标,满足用户行业采购原材料的差异化需求。钢铁材料产线质量能力分级采用质量全要素量化评价与产品大数据结合的方法,在专家经验的支持下,通过建立包括价值函数、工序评价和质量遗传模型的分级评价模型,将产品在合格线以上的差异加以量化区分,可真实全面地反映不同企业、不同产线的产品质量能力。其关键技术包括3组模型,价值函数模型将传统的依据标准的二值评价变为连续评价,工序评价模型将传统的产品样品考核扩展到对应的生产工序的能力考核,质量遗传模型引入了传统评价中缺失的对原材料质量和产线组合的考核。该评价方法的模型全部采用客观数据。目前,已经结合用户需求对中厚板等多类钢铁产品开展了质量能力分级评价,并发布了国内首批质量能力分级评价T/CISA团体标准。质量分级评价首先在钢铁材料领域提出并走向应用,对于以原材料、配套生产工艺为要素产出产品的典型生产流程具有很好的适用性,该评价方法可进一步扩展至钢铁材料以外的原材料行业和装备制造行业。

日本两公司开发的大热输入焊接用高强度钢

为了提高船舶及建筑结构等的焊接效率,必须采用大热输入焊接等措施.介绍了日本各钢铁公司研究开发的多种新技术,包括利用TiN对热影响区晶粒长大进行有效控制,依靠铁素体形核核心手段实现晶粒细化,并利用控制热影响区微观组织以及采用TMCP控制轧制技术等.在综合利用这些技术的基础上,开发成功了各种适合于大热输入焊接的高强度钢,以确保大热输入条件下热影响区具有高的韧性,用于造船、建筑结构、桥梁等的建造.

基于热力学计算的水工况对耐热钢高温氧化行为影响

基于热力学计算方法,对6种不同的水工况条件下的高温氧分压进行了计算和对比。计算结果显示,TP347H和T91两种材料在570℃时高温氧化产物类型转变的临界氧分压约为1.0×10^(-15),而常规的加氧工况OT(1)、纯水工况、还原性全挥发处理工况AVT(R1)在此条件下的氧分压均高于1.0×10^(-10),因此认为常规的加氧工况和还原性全挥发处理工况对TP347H、T91的高温氧化产物的热力学控制效果相差无几。通过改变材料中的合金元素含量,材料高温氧化产物的种类会发生变化。当提高Cr含量时,表层致密氧化层Cr_(2)O_(3)的体积分数提高。而对于新型的Fe-18Ni-25Cr-xAl材料,随着Al含量的增加,(Fe, Cr, Al)_(2)O_(3)的质量分数一定程度增加。当Al质量分数高于3%时,表层会出现致密的Al_(2)O_(3)相,能够提高高温氧化保护的效果。

过/再热器管道高温蒸汽氧化相图计算

为了研究过/再热器管道内壁普遍存在与高温蒸汽反应导致的氧化现象,利用Thermo-Calc相图计算软件对几种钢质管材在不同环境下的氧化产物进行了理论分析。结果表明,对高温蒸汽环境的调控应该与管材材质相关联考虑;耐热钢材质的变化不改变氧化层的宏观结构,但可以改变氧化物组成;从T23、P91到TP347,氧化层中FeCr2O4致密氧化物质量分数增加,其抗氧化性能递增。德国新近研发的HiperFer17Cr5耐热钢,可以在较宽的氧分压范围内形成以FeCr2O4为主的致密氧化层,且通过添加钨、铌兼具更好的高温强度,具有较好的应用前景。

基于激光选区熔融的高通量制备系统设计及样品制备

SLM(激光选区熔融)原位合金化技术,即原材料采用混合单质粉末在激光选区熔融过程中直接完成元素合金化并同步成型高致密度样件的方法。该技术可省掉原料粉末预合金化过程,通过实时、定量粉末混合给料控制,可实现块体样品的高通量制备。将SLM合金化与高通量制备两者有机融合应用于特种材料体系如高熵合金等材料的开发,实现材料成分、结构、物理化学性质的高通量获取,可为材料设计和制备技术的发展提供一项颠覆性的创新手段,科学意义和应用价值巨大。基于自主设计开发的SLM高通量制备系统,采用铁、镍单质元素粉一次性制备12组Fe-Ni合金块体样品,采用CALPHAD方法计算了铁镍合金的相图及密度,通过金相扫描、能谱、XRD、显微硬度试验等方法分析设备的实时混粉精度和样件的成型性能。计算和实验结果显示,基于自研高通量SLM设备的粉末成分混合精度可控制在6%(质量分数)以内。样品成型性能良好,致密度均在98.5%以上,金相组织中未见明显的孔洞、未熔合和未熔颗粒。随着镍含量变化,高通量打印样品硬度在150~330HV之间变化,未见明显的硬度离散分布,设备打印功能稳定可靠。