【今日直播】Wiley工程材料与科学研讨会

磁致伸缩材料是在磁场作用下产生大磁致应变的一类重要的金属功能材料，在能量转换、高精度微位移控制等应用广阔。发现铁镓合金中，存在大量的四方共格纳米异质相，提出了纳米异质相诱发基体四方畸变、从而产生大磁致伸缩效应的新机理，揭示了其导致弹模软化、磁弹耦合作用增强的物理本质。基于磁致伸缩效应新机理，研制出强制固溶微量稀土元素过饱和的大应变铁镓巨磁致伸缩材料，磁致应变较原先二元铁镓合金提高了5倍。通过亚快速定向凝固方法，生长出铁镓磁致伸缩材料单晶。进一步，研制出快速定向凝固方法，制备出微量稀土元素过饱和的铁镓磁致伸缩材料单晶，磁致伸缩应变显著提升。该材料在高载荷大功率换能器等领域有重要应用前景。

人类社会的可持续发展，尤其是重大工程和关键核心装备的苛刻复杂服役环境对金属材料多性能的一体化提出了需求，这不仅迫切需要提升先进金属材料的强韧性，而且还需要提高材料对高载荷、超高温、强辐照等极端服役环境的耐损伤特性。然而，传统的强韧化理论已趋于瓶颈，亟需进一步提升金属材料力学性能的新思路。此外，以上多种性能往往互相制约，甚至呈现典型的倒置关系，如何破解强度-塑性、韧性以及其他耐损伤性能之间的矛盾，实现金属材料多种性能一体化是金属材料领域的重要科学问题。本报告将从金属材料多性能一体化所面临的科学难题出发，探讨如何通过金属材料的微结构调控实现多机制协同增效，探索先进金属材料极端服役环境下多性能一体化的新原理和新方法。

浓固溶体合金中不可避免的出现化学成分不均匀，并对材料的形变与相变机制、乃至其力学性能产生显著影响。然而理解“化学成分不均匀”对材料形变与相变机制的影响面临着严峻的挑战。一方面，材料形变载体(如位错)或结构相变的形核属于“稀有事件”，难以追踪；另一方面，化学成分构型空间数量庞大，但只有部分具有高性能。因此，当前亟待解决的难题是：如何从海量的构型空间中快速提取“成分不均匀的影响规律”、并降低对专家知识的依赖程度？在本报告中，我们将通过三个案例展示人工智能的可解释性在理解材料的形变与相变机制方面的巨大潜力。具体来说：(1)通过结合领域知识的机器学习模型开发了描述金属锆和钾相图的高精度势函数，并在此基础上模拟两种金属的结构转变机制和动力学行为；(2) 利用机器学习的可解释性去揭示了化学成分不均匀对位错运动的影响；(3) 利用机器学习的可解释性揭示了化学成分不均匀对ω相变的影响。

高端装备的服役性能与其关键构件的疲劳性能密切相关，但关键构件在成形制造中容易引入微区组织不均与应力不均，严重影响服役性能。团队提出利用电磁场调控方法改善微区组织结构来提升构件疲劳性能的新思路。电磁能量可在金属材料微区传递耦合，驱动高能不稳微结构向低能稳定微结构转变，修复损伤缺陷，均化应力分布，提升疲劳性能。团队发现了电磁场对晶界、相界、表面微结构的调控效应、揭示了电磁场作用下微区结构稳定化机理，发明了电磁冲击处理、电磁辅助成形加工方法、研发了电磁场能量设计加载、过程状态测控和无损检测评价方法。实现了航发叶片、轴承、航空螺栓等重大装备关键构件的工程应用，突破了传统热力场调控的性能和寿命极限。

本项目创造性地提出广义稳定性并据此进行热-动力学调控，可理论贯通成分/工艺-组织-性能；通过链接相变热-动力学和微观组织，驱动力-能垒-广义稳定性共同决定了微观组织选择；通过链接位错热-动力学和位错密度，位错运动的驱动力-能垒-广义稳定性共同决定了位错密度选择。可见，强韧化机制来自于相变热-动力学和位错热-动力学，强塑性则是微观组织和强韧化机制的宏观体现。广义稳定性旨在定量设计对应微观组织优异强塑性的成分和工艺，此间涉及的相变热-动力学、组织预测、位错热-动力学、位错密度预测、组织性能关联、强韧化机制以及强塑性，都可以通过广义稳定性得到确定。这给金属结构材料设计提供了统一的定量准则。

进入21世纪以来，可降解金属成为医用金属材料研究的热点，与传统的不可降解金属材料（不锈钢、钴基合金、钛合金）相比，因其独特的可被体液降解特性和生物活性有望作为再生医学的新型候选材料。过去十余年全球科学家在可降解金属的基础研究和应用基础研究领域，对镁基、铁基和锌基可降解金属材料，开展了合金化元素筛选与成分设计，并利用多种动物实验模型来探明材料与机体之间化学、生物学、力学相互作用机制，有效地将该类材料从实验室的基础科学问题研究阶段推动到了企业的创新医疗器械产品研发阶段。本报告就报告人实验室在多种可降解金属材料研发的最新进展，给听者介绍可降解金属的定义、判据和分类，以及其镁基、铁基和锌基可降解金属材料作为骨植入物、血管支架等器械在动物体内的生物学试验结果。

晶粒尺寸≥5μm的WC-Co类超粗晶硬质合金具有优异的抗热疲劳、抗热冲击性能，因此在矿用和挖掘工具、冷镦模具、轧机轧辊等极端工况条件下服役的耐磨工模具领域得到了广泛应用。这些工模具的服役寿命取决于超粗晶硬质合金在承载情况下的变形机制和力学性能。本报告介绍我们在研究超粗晶硬质合金的微观变形机制基础上，探索提出的实现超粗晶硬质合金强韧化的途径和机理。结合近原位实验设计和先进表征技术，系统揭示了WC单晶内各种可能的滑移系，以及位错产生、运动及交互作用特征，发现了陶瓷相WC的微观变形关键机制。给出了硬质合金塑性变形能的计算方法，实现了硬质合金中不同物相形变贡献的量化表征，阐明了超粗晶硬质合金室温和高温下的变形机理。基于对超粗晶硬质合金变形机制的认识，开发出了陶瓷相WC内含有弥散颗粒/固溶原子、高温性能优异的超粗晶硬质合金和含硬质相(WCoB)的新型超粗晶硬质合金，其硬度和抗弯强度均达到目前公开报道力学性能的领先水平。

金属增材制造技术可以实现复杂零件的近净成型，能最大程度满足航空领域对轻量化和一体化成形的需求。然而，由于增材制造技术总是引入大尺寸缺陷，导致增材制造承力构件疲劳性能差、疲劳寿命分散性大而存在安全隐患。基于以上问题提出消除微孔提高无缺陷组织增材制造合金抗疲劳性能的研究思路，通过对相变和晶粒生长不同步性的理解，开发了Net-AM制备（NAMP）技术，成功地构建了Ti-6Al-4V合金近似无微孔微观组织结构。首次测试了这种无缺陷增材制造微观组织本征疲劳性能，发现其拉-拉疲劳强度（R=0.1）接近1GPa，超过所有增材制造和锻造钛合金疲劳强度，其比疲劳强度突破所有材料拉-拉疲劳强度世界纪录，证实了无缺陷微观组织具有优异的疲劳性能，为关键构件轻量化和抗疲劳设计制造提供了新的可能。

热电磁能源转换新材料是我国学者为破解热电材料电子/声子输运协同调控世界性难题率先提出的新概念热电材料，已成为热电材料科学领域众多“热电+X”交叉创新方向之一。本报告介绍团队在热电磁全固态制冷应用需要的新材料和器件研究方面的最新进展，内容包括在热电材料中掺入磁性纳米粒子，建立纳米尺度微磁场，利用电子磁性散射和声子界面散射在纳米尺度上协同调控电子/声子输运性能的原创思想和新方法；基于热电材料与磁卡材料在微米-介观尺度上复合的新材料，创制热电磁全固态制冷新型器件；基于热电制冷与磁制冷耦合增效原理，设计并建造热电磁全固态制冷原型系统，发展热电磁全固态制冷变革性技术。

发展具有变革性的TiAl合金是航空发动机叶片材料的重点方向，对航空航天武器装备轻量化具有重大意义。采用定向凝固和定向固态相变相结合的方法控制TiAl合金中软相、硬相和纳米孪晶功能基元及其序构，可以显著提升强塑性和承温能力，为探索功能基元序构的高性能TiAl合金探明了方向。汇报人在前期研究基础上，基于“功能基元+序构”的途径，探明了软相、硬相及其交替分布形成的聚片结构、纳米孪晶等功能基元本征特性、序构对TiAl合金力学性能的影响规律，揭示了功能基元及其序构的协同关联效应和作用机制，建立了功能基元序构最优分布的制备、调控、表征方法，研制出具有最优宏观力学性能的大尺寸聚片孪生TiAl合金，实现强度与塑性和承温能力的同步突破性提高，满足航空航天和国家重大工程等应用的迫切需求，以及极端服役条件对材料性能的苛刻要求。

在报告中将探讨高强脉冲激光作用材料产生的力效应、在力效应作用下的金属材料的力学响应、以及将其创新性地应用在制造领域产生材料的性能提升。报告将首先探讨课题组研发的高温液滴激光冲击强化技术，讨论其相较于常温激光冲击强化的技术特点与优势；随后探讨局部高温激光冲击在金属表面强化中的研究进展、以及在一体式铠甲型疏水结构制造中的应用；进一步地，将激光冲击技术应用于微纳制造研究。

轴承是工业母机、航空航天、新能源汽车等高端装备不可或缺的核心基础件，高端装备发展使轴承面临超高速、大过载、宽温域、欠润滑等极端工况，需要具有高承载、高耐磨、高尺寸稳定、高疲劳耐久等极端性能。轴承现有制造通过常规热力能场调控获得微米级单相组织，同时产生微纳损伤缺陷，组织状态调控局限使得性能提升达到极限，已无法满足极端工况服役需求，亟需发展面向极端工况的轴承极端组织性能制造技术。团队提出多能场复合极端组织性能调控思路：将传统热力场与电磁场和超声场结合，通过多场复合多尺度调控，构筑纳米梯度复相组织，修复微纳损伤缺陷，获得高强韧、高耐磨、高尺寸稳定、高疲劳耐久性能，实现极端能场调控下极端组织性能制造。发明了电磁辅助室温轧制-马贝复相热处理-电磁/超声复合冲击处理极端制造方法，探索了多场复合多尺度组织调控效应，验证了多场复合制造性能效果，为高端装备轴承极端制造提供了创新方法。