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高性能金属材料相关研究前沿!

来源：世展网分类：冶金行业资讯 2024-01-30 12:00 阅读：6985

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展会结束

钢铁和常用有色金属（铝、镁、钛和铜）是传统材料，在经济和社会发展中，具有广泛的用途。随着工程科技的发展，世界钢铁和常用有色金属材料应用领域不断拓展，仍然充满活力，在促进人类文明进程中占有重要地位。

相关研究前沿基于材料基因组的先进钢铁材料设计研发技术从钢铁材料研发历程和发展趋势来看，高性能先进钢铁材料将向高强度、优异的强韧性匹配、高均匀化、长寿命化等方向发展，以实现材料的绿色化、智能化及定制化生产制备。传统炒菜或试错设计研发模式已难以满足上述需求。例如，航空航天、高技术船舶、轨道交通等高端装备制造用先进钢铁材料的疲劳、持久、蠕变、氢脆、腐蚀等使役性能研究需要大量的数据样本和长期的数据积累；传统超高强度钢研发从原型设计到材料应用至少需要20年。因此，面对先进钢铁材料新的发展需求，基于材料基因组的先进钢铁材料设计研发技术将成为创新和引领材料设计研发的重大基础技术。美国、欧盟、俄罗斯、日本等发达国家和地区均出台了相应的发展规划和计划，以加速高性能钢铁结构材料的研发。该技术将结合第一性原理、热/动力学、相场、有限元等计算方法与模型进行多因素模块化耦合，研发先进钢铁材料成分–工艺–组织–性能–使役行为多尺度集成化计算方法，探索先进钢铁材料电子–原子层次每个“基因”片段对钢铁材料各项性能的影响和相关机制（包括合金元素扩散迁移过程、固溶体和析出相驱动力、亚稳相和析出相的材料物理化学性质等），实现合金设计、制备加工及服役行为全流程的高通量计算；发展高通量凝固及锻造基础理论；开发合金成分、微观组织、界面偏聚等多维、多尺度、多参量的高通量表征方法；为构建先进金属材料设计计算方法、高通量实验、高通量计算模拟和智能化数据库管理一体化集成计算创新平台，实现先进金属材料加速研发、综合性能提升及材料构件短流程、低成本和性能可控的高效制备提供理论支撑。有色金属材料的绿色冶炼技术在铝冶炼技术方面，目前全球采用的熔盐电解铝工艺围绕进一步降低电力消耗的目标，以提高电流强度、实现电解槽大型化为主攻方向，仍在继续完善，预计吨铝交流电耗能够降到13000 kW·h以下。碳还原等新原理金属铝生产工艺以突破使用材料为重点，继续进行深入研究。一旦取得突破，能够使吨铝电耗降低到8000 kW·h。这将大幅度降低绿的生产成本和能源消耗。在镁冶炼技术方面，目前普遍采用的硅热法镁冶炼工艺围绕进一步提高能源利用效率的目标，以余热利用为主攻目标，继续完善，预计吨镁标煤消耗能够降低到4吨以下。电解法镁市场工艺以降低生产成本为重点，继续进行深入研究。一旦取得突破，将大幅度减少金属镁生产的二氧化碳排放，降低能源消耗。在钛冶炼技术方面，目前全球采用的克劳尔法海绵钛生产工艺围绕进一步降低电耗的目标，以镁电解电耗为主攻目标，继续完善，预计吨海绵钛电耗能够降低到18000 kW·h以下。电解法金属钛以实际应用为重点，继续进行深入研究，一旦取得突破，将大幅度降低金属钛的生产成本，促进钛的广泛应用。高性能轻合金的性能优化在提高材料高强高韧性能方面，为满足航空等领域不断提高的要求，超高强铝合金研制基本上沿着高强度、低韧性→高强度、高韧性→高强度、高韧性、耐腐蚀方向发展，热处理状态则是沿着T6→T73→T76→T736（T74）→T77方向发展。在合金设计方面的发展特点是，合金化程度越来越高，铁、硅等杂质含量越来越低，微量元素添加越来越合理，最终达到大幅度提高合金强度且同时保持合金优良的综合性能的目标。在提高材料耐高温性能方面，钛合金是先进航空发动机的关键支撑材料，高性能航空发动机的发展，对钛合金耐高温性能的要求越来越高。未来发展的主要方向是利用合理的微量元素添加和热处理技术，突破高温强度和热稳定性障碍，不断提升高温钛合金的使用温度，满足高性能航空发动机发展的需要。在提高材料耐腐蚀性方面，腐蚀问题制约着镁合金的推广应用，提高镁合金的耐腐蚀性能，成为镁材料工程科技的重点。发展方向一是使其相间电位差趋于零，二是把镁合金表面的氧化膜由疏松变为致密，采用不同的元素形成不同的氧化产物，用多元氧化物填补空隙，提高镁合金的耐腐蚀性能。金属近净加工技术粉末冶金技术是一种高效率、低成本的金属近净成型技术。随着现代信息技术的发展，金属材料领域中，基于粉末冶金技术出现的3D打印技术取得重要突破，形成材料领域新的生产方式、产业形态、商业模式。在粉末冶金金属近净加工技术领域，智能制造的技术主要有注射成型（PIM）、喷射成型、近终形成型（混合元素和预合金）、激光快速成型等。从技术进展看，在未来10～20年时间里，粉末冶金金属近净加工技术完全可以在人体器官、机械装备零部件等领域得到广泛应用。在金属近净挤压技术方面，相对于传统的金属铸造、锻造、压延轧制、普通挤压等技术，依托智能制造的金属近净挤压技术可以省略热轧坯锭制造环节，生产流程短、材料消耗少、能源消费低，将大幅度降低金属材料的制造成本。我国对铜及铜合金近净挤压技术开发进行了积极探索，在产业化方面取得了重要进展，居世界领先地位。在此基础上，深入开展多种金属的近净挤压技术开发，用于改造、完善传统金属加工技术，对金属加工技术具有重要意义。金属近净挤压技术主要围绕等静压、凝固成型等方面展开。

来源：《中国工程科技2035发展战略·化工、冶金与材料领域报告》、今日新材料