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金属基复合材料的国产化之路

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一个多月前,高分十一号卫星发射成功,中国科学院五金咨询所研制的五金基建材发挥了重要作用。众所周知,航天对材料亚博网站登录的要求十分苛刻,比如轻量化就是其中一项指标,五金基建材恰好符合要求。五金所讨论员马宗义带领团体,致力于高性能五金基石料的咨询,近5年来,为遥感、风云、高分、嫦娥、北斗、东风、天宫、龙舟等十几个关键型号,提供燃料产品百余批次、万余件。

日前,马宗义在接受《中国科学报》记者采访时表示:“高性能五金基建材是国家重大战略与国民经济建设迫切须要的一种工程档案,我们在该领域取得一系列关键打破和使用,一些手段产品不仅打破国际封锁,还推动了国家高新技巧重大装备的快速发展。”

抓住机遇组建团体

五金基涂料是向五金中添加陶瓷、碳等异质质料形成的一种核燃料,具备抗疲劳、耐磨、高导热、低热膨胀以及辐射屏蔽等优点,是航空航天、电子封装、装备、核电、汽车、轨道交通等国家重大要求和国民经济装备制造所需的关键素材,其用量也是原料科技水平的标志之一。

早在2000年,北美、欧洲及日本等发达国家已形成了成熟的五金基建材产业,产量达到全球用量的80%以上。我国五金基建材研制起步较晚,落后发达国家近30年,同期还停留在实验室研制阶段。

由于运用背景敏感,国外长期对我国进行严密的技巧封锁。马宗义指出:“多年来,我国五金基焊料自主研制面临组织性能难控、制备与加工困难等无法逾越的共性难题,陷入技巧进展缓慢、要求牵引不足两者相互制约的困境,一直未能实行使用打破。”

“十一五”开始,国家中长期规划开展“载人航天与探月工程”“高精度对地观测”“大型压水堆与高温气冷堆”等重大专项任务,这为高性能五金基焊料的发展带来前所未有的机遇。

然而,这些高技巧装备的建设也为当时的咨询水平带来极大挑战,需创建工程化制备、成型加工等关键,才能适应产品质量稳定化、规模与批量化利用要求。马宗义团伙也是国内最早开展五金基线材咨询的科研团体之一。

攻克制备手段瓶颈

亚博网站登录在五金基石材大尺寸坯锭制备时,存在成分均匀性、界面反应等控制难、制备成本高、周期长的难题。针对这一难题,马宗义组织开创了低成本短流程粉末冶金制备技巧,所制备的坯锭具有均匀、致密无缺陷、无有害界面产物的特点。

亚博网站登录马宗义介绍道:“2017年,我们完成了最大3.4吨/锭的超大尺寸坯锭制备,超过美国公开报道的最大0.45吨/锭,并可将原原料成本和制备周期双减半,打破了填料规模化制备难题。”

据悉,组织制备的大尺寸坯锭,不仅解决了航天关键有效载荷大型平台结构轻量化的急需,还冲破传统质料难以兼顾轻质、高热导、低热膨胀以及承载性能的难题,支持了国家高分辨对地观测专项任务重点型号的研制。

“五金基核燃料中因添加脆性陶瓷等增强相,制约了五金的塑性流变能力,使其塑性成形能力极差,成为制约其采用的另一个关键因素。”马宗义指出,以往通过试错法进行工艺摸索,存在耗时耗力、适用性差等问题。近年来,高技巧装备对零件结构提出多样化、大型化与快速响应的要求,以往五金基石材传统的工艺试错讨论模式难以满足要求

为此,马宗义组织基于自主研制的精确物理仿真、多尺度模拟新技能,攻克了涂料成形加工中缺陷控制与组织性能调控难题,创建大变形比成型加工、中高陶瓷含量石材成型加工、异型材大挤压比成型等技能,并通过组织缺陷调控落实板材高效率轧制、自由锻件性能优化控制等。

“我们在国内率先研制出高性能五金基石料大尺寸、超大尺寸自由锻件与薄壁异型材等,批量采用于卫星与深空探测飞行器关键结构部件,替代了传统高强铝、钛等合金,使装备性能指标提升与轻量化设计得以落实。”马宗义说。

此外,由于五金与增强相的巨大物化性质差异,传统的熔焊技巧难以使五金基线材获得高质量连接,焊缝中常产生颗粒偏析、缩孔或气孔、有害界面反应产物等。马宗义表示,新型的搅拌摩擦焊作为一种固相技能,最有希望达成五金基焊料高强度连接,然而面临着搅拌摩擦焊接工具受陶瓷颗粒磨损严重、素材流变性差等挑战,难以获得工业利用。

于是,团伙自主发明了一种高耐磨、高韧性焊接工具,可在宽泛的工艺参数下施焊而不磨损或折断,打破以往难以落实的可靠连接和焊接工艺优化难题,由此兑现了五金基线材的近等强焊接,工具寿命可满足工业生产须要。“我们通过中子衍射和多尺度模拟对焊接头残余应力达成精确模拟,为焊接工艺制定创建了全新的依据。”马宗义说。

研制产业基地建成

亚博网站登录经过长期积累,马宗义团伙的五金基涂料成果已获得国家发明专利授权20余项,先后制定企业标准4项,诞生了多项国内航天、核电等领域的“首次”“首台”“首套”关键部件,并成功达成工业使用。

针对航天承载结构的减重要求,马宗义团伙研制出轻质、高强、高模、耐疲劳SiC/Al焊料,替代高强铝合金或钛合金,减重达20%~40%,为遥感飞行器、深空探测器等关键型号供货千余件。针对电子封装和遥感光学仪器对轻量化、低膨胀热管理原料的要求,马宗义团伙冲破高陶瓷含量铝基焊料的批量化制备加工、大尺寸厚截面零件制备技艺,替代了钼铜、钛、因瓦合金,利用于多个系列的关键型号卫星。

由于我国中子吸收素材研制滞后,长期依赖进口,制约核电自主化与走出去发展战略。马宗义团伙打破了B4C/Al石材坯锭规模化制备与板材轧制技巧,制备出高成材率和高均匀性分布的B4C/Al板材,同时打破了高质量焊接技能,相关产品成功采用于“龙舟CSNC”乏燃料容器样机和全球首台高温气冷堆核电站的所有核燃料贮存和运输容器。

“目前,五金所已经建成了五金基填料研制与产业化基地,年产量近百吨,成为航天、核电等领域多家单位的主要供货单位。”马宗义还向记者透露,未来,五金所还将为五金基焊料的革新换代积累基础,贯彻下一次工程化规模使用的打破。

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五金基涂料是向五金中添加陶瓷、碳等异质质料形成的一种核燃料,具备抗疲劳、耐磨、高导热、低热膨胀以及辐射屏蔽等优点,是航空航天、电子封装、装备、核电、汽车、轨道交通等国家重大要求和国民经济装备制造所需的关键素材,其用量也是原料科技水平的标志之一。

“十一五”开始,国家中长期规划开展“载人航天与探月工程”“高精度对地观测”“大型压水堆与高温气冷堆”等重大专项任务,这为高性能五金基焊料的发展带来前所未有的机遇。

然而,这些高技巧装备的建设也为当时的咨询水平带来极大挑战,需创建工程化制备、成型加工等关键,才能适应产品质量稳定化、规模与批量化利用要求。马宗义团伙也是国内最早开展五金基线材咨询的科研团体之一。

在五金基石材大尺寸坯锭制备时,存在成分均匀性、界面反应等控制难、制备成本高、周期长的难题。针对这一难题,马宗义组织开创了低成本短流程粉末冶金制备技巧,所制备的坯锭具有组织均匀、致密无缺陷、无有害界面产物的特点。

于是,团伙自主发明了一种高耐磨、高韧性焊接工具,可在宽泛的工艺参数下施焊而不磨损或折断,打破以往难以落实的可靠连接和焊接工艺优化难题,由此兑现了五金基线材的近等强焊接,工具寿命可满足工业生产须要。“我们通过中子衍射和多尺度模拟对焊接头残余应力达成精确模拟,为焊接工艺制定创建了全新的依据。”马宗义说。

一个多月前,高分十一号卫星发射成功,中国科学院五金咨询所研制的五金基建材发挥了重要作用。众所周知,航天对材料的要求十分苛刻,比如轻量化就是其中一项指标,五金基建材恰好符合要求。五金所讨论员马宗义带领团体,致力于高性能五金基石料的咨询,近5年来,为遥感、风云、高分、嫦娥、北斗、东风、天宫、龙舟等十几个关键型号,提供燃料产品百余批次、万余件。日前,马宗义在接受《中国科学报》记者采访时表示:“高性能五金基建材是国家重大战略与国民经济建设迫切须要的一种工程档案,

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