1、镍基变形高温合金素化设计理论

传统变形高温合金主要通过提高合金化程度来提高材料的性能，特别是以镍钴为主要成分的航空发动机涡轮盘用高性能变形高温合金，其高Co 含量、高合金化带来了资源依赖性和成本激增、性能提升缓慢、元素偏析严重、加工性能下降、回收利用困难等问题，严重阻碍了这类材料的可持续发展和广泛应用。中科院金属研究所卢柯院士团队针对工程合金高合金化带来的问题，从材料可持续发展的角度考虑，提出“材料素化”这一变革性的理念、颠覆性的技术，旨在不或少依赖合金化的前提下，通过跨尺度构筑与调控稳定界面来提高材料的综合性能，这为高性能变形高温合金的设计提供了一种新的思路。

通过参与由中国科学院金属所牵头的国家重点研发计划“变革性技术关键科学问题”重点专项“低能晶界及相界调控实现材料素化的原理及演示验证”项目，基于材料素化的设计理念，在国际上首先开展了镍基变形高温合金的研究，探索通过界面调控替代合金化来提高材料的性能，设计并制备出了一种具有低稀贵金属含量、低层错能的高性能新型镍基变形高温合金，通过调控高密度的层错和变形孪晶等低能界面提高了合金的性能，其在760℃的抗拉强度为927 MPa， 在760 ℃/480 MPa的持久寿命达到了583h，达到了国际高温合金性能标准（760℃的σ0.2>900 MPa，760℃/480MPa的持久寿命>450 h），从而实现高温合金素化，将对高温合金的进步以及高温合金产业的可持续发展提供重要的理论和技术支撑。相关理论成果合作在Science、Nature Materials各发表论文1篇，以第一单位在材料科学领域TOP期刊《Materials Science and Engineering A》上连续发表4篇论文，在Vacuum、Intermetallics、金属学报、中国有色金属学报（英文版）、稀有金属材料与工程等期刊上发表SCI论文20余篇，在国际上首先形成了镍基变形高温合金的素化设计理论体系。

2、金属解理断裂微观机理理论

解理断裂是一种非常危险的脆性破坏形式。它可以在很低的应力下，由微小的缺陷引发，以声速在极短时间内造成大型结构的毁坏。这种破坏多发生在低温和高速载荷下。1980年冬天在北海由于一条6mm的焊接缺陷产生脆性断裂，在20分钟内导致几千吨的挪威钻井台架倾覆。此次事故中，台架上212人中123人来不及逃脱而丧命。著名的坦泰尼克号邮轮也是在冬天由于劣质钢板在高速撞击下脆断而沉没的。解理断裂不仅控制低温断裂也控制过渡温度区的韧性。

通过对解理断裂的微观机理进行了30多年的研究，建立了金属解理断裂的微观物理理论模型，形成了国际上首部专注于金属解理断裂微观机理研究的中英文学术专著《Micromechanism of cleavage fracture of metals》（金属解理断裂微观机理），英文专著由国际著名出版社ELSEVIER出版社出版。该书系统描述了解理断裂的微观过程、临界事件、断裂准则，阐述了组织和韧性的关系，特别是焊缝和热影响区晶粒尺寸和韧性关系，以及钛铝合金的断裂行为。通过本书可以系统、全面地理解金属解理断裂的微观机理，建立重要的物理概念，也能从书中的案例学习与韧性有关的工业应用问题的分析和解决方法。

本书是通过四位国际著名学者：法国科学院院士、巴黎矿业学院Andre Pineau教授，奥地利科学院材料物理研究所所长Reinhard Pippan教授，国际工程断裂力学杂志主编Karl-Heinz Schwalbe教授以及清华大学原副校长、第13届国际断裂会议主席余寿文教授的评审后由ELSEVIER出版。他们对本书的出版给予肯定的评价。Pippan教授称赞这本书的主题非常重要，认为该书作者陈剑虹教授是该领域中最重要的研究者之一。中科院院士、清华大学潘际銮教授对本书给予了如下的评价：认为在elsevier出版英文科学专著在中国焊接界是唯一的，在整个科学界也是不多见，这是国际水平。

3、大型LNG接收站储罐智能焊接及成套装备

目前我国已建成LNG接收站21座，LNG接收站总能力为6540万吨/年，为满足国内LNG消费需求，至2030年，国内LNG接收站的年接收能力预计将达到1.48亿吨左右，我国16万立方以上LNG接收站大型储罐仍有200台以上的巨大缺口。9Ni钢板内罐焊接是LNG储罐建造最为核心的技术，目前，国内外已建成及在建的LNG储罐内罐壁板立缝均采用焊条电弧焊工艺由人工焊接完成。该焊接方法每焊一道均需要仔细的打磨，背面清根深度大（5-10mm），焊接效率十分低下，焊接劳动强度大，对焊工水平依赖较高，施工周期长，一次合格率低于90%。由于大型LNG内罐现场施工条件复杂，构件尺寸巨大，焊接过程诸多条件制约且-156摄氏度下服役的9Ni钢对焊缝质量要求十分苛刻，如何实现自动化焊接是世界难题。

联合中海油，创新性地提出了双层气体保护振摆一体窄间隙自动焊接方法，并开发了基于视觉传感和图像智能提取技术的焊缝对中、弧长特征和熔滴过渡等焊接过程综合信息一体化实时传感系统，实现了全智能化自动焊接工艺和专用装备的突破，在国际上首次实现了LNG储罐内罐9Ni钢壁板立缝全自动焊接并实现自主可控关键技术体系和专用装备的突破，填补了行业空白。开发的大型LNG内罐智能焊接方法及焊接过程智能传感与控制系统在国际上首次实现16万立方以上LNG大型储罐内罐建造的自动化焊接，实现了整个施工工法的创新，在中海油漳州接收站、唐山接收站16万立方和27万立方LNG内罐焊接制造中创造了一次焊缝合格率超99.7%的行业最高质量标准。该项技术体系达到了国际领先水平，并实现了大规模工程化应用，利用该技术极大地缩短了大型LNG储罐的建造工期，中海油在施工中创造了中国速度，实现了核心技术的中国创造，领跑世界。

4、航空航天动力系统复杂薄壁结构数字化智能检测与修复关键技术

针对当前我国多型关键型号航空和航天发动机复杂薄壁机匣装配位置精度、成形缺陷及多余物和空心涡轮叶片尾缘孔打孔质量X射线人工检测中存在的效率低、周期长、全覆盖难、盲点多、空间定位精度低、缺陷在线分选实时性差等瓶颈难题，兰州理工大学深入开展了机匣和叶片典型部件X射线全域透照全覆盖模型设计及虚拟仿真、全覆盖透照检测流程的自动化智能控制、多自由度机器人柔性化工装和X射线源模式匹配与协调控制、DR数字实时检测工艺及评价指标制定、各类缺陷在线智能识别与分选检测系统、高铝高钛沉淀强化高温合金缺陷修复裂纹敏感性及配套焊接修复材料等系列研究工作，形成了适用于航空发动机整体成型复杂薄壁零部件高效、高定位精度的智能缺陷识别及自动在线分选检测的关键技术及理论体系，构建了并实现了基于机器人智能质量全自动检测与智能识别分选、修复成套装备，成果在中国航空发动机集团南方工业有限公司最新定型生产的xxx新型大功率航空发动机复杂薄壁机匣生产和在研的xxx型空心叶片试制、航天四院xxx型大推力火箭高温喷嘴复杂流道检测等重大装备中得到应用并在国内首次实现了全数字射线质量检测及示范应用，取得了良好成效，成果整体达到国内领先水平。

5、长寿命镍铬电热合金丝（带）生产关键技术

镍基电阻合金Ni80Cr20是一种高电阻电热合金材料，广泛用于各种工业电炉、实验室电炉和家用电器的电加热元件。因其无磁、服役后不脆化、具有更高的高温热辐射系数和抗蠕变强度、以及更好的热加工性能，使其在某些特殊环境下的使用不可替代，国内使用的高品质电热合金主要依赖进口。进口的瑞典康泰尔（Kanthal）电热合金的快速寿命可达120h，国产目前仅有80h左右。

针对目前国内广泛应用于家庭和工业等领域的高电阻电热合金高温寿命短、成本高的现状，通过添加微量稀土元素来改善氧化膜的结构等措施提高合金的热稳定性和热强性，生产出的电热合金丝带快速寿命在国家标准GB/T1234-2012《高电阻电热合金》要求的1200℃、80小时的基础上提高了50%以上，达到1200℃、125小时。设计铝熔化炉用镍铬高电阻电热合金加热器件以及进行产品使用前的预处理，使加热器件的实际使用寿命提高了50%，达到半年以上。研制开发的镍铬电热合金丝带和高电阻电热合金加热器件均达到了国际先进水平，申请国家专利2项，相关研究成果已实现转化应用，在金川集团股份有限公司投入生产，现了年产电热合金700吨的规模，年产值达到9000余万元，产品达到国际上康太尔的技术性能指标。

6、粒子增强铝基复合材料的粉末触变成形技术

功能型铝基复合材料，特别是高体积分数SiCp增强的铝基复合材料，作为第三代大功率IGBT基板的主要材料，我国仅在高铁、新能源汽车和能源电力三个领域高端装备上的年需求额不低于25亿元。国内因制备技术限制，生产效率低下，产品成本高，基本全靠进口。

基于粉末触变成形技术，针对IGBT产品的特点，开发出直热法粉末触变成形制备技术（粉末烧结一步法成型，省去了预制坯的制作环节），成功制备出球状Ti@(Al,Si,Ti)芯壳结构粒子增强的A356铝基新型复合材料，在保持单质增强体复合材料强度的同时，延伸率增加近2倍，是现今所有制备态粒子增强A356基复合材料延伸率最高的，达到了强而韧的目的。同时，该技术每一班次（8h）可生产92片基板，生产效率约为国际上普遍采用的压力浸渗制备技术的12倍；综合成本约200元/片；热膨胀系数、导热率、抗弯（拉）强度等材料性能完全达到国外标准，与国外知名公司CPS、TTC、ALMT的相当，实现了国内领先。该技术目前正在进行中试及产业化推向。

7、多功能金属陶瓷涂层技术及产业应用

针对工业零部件苛刻工况的耐磨问题，提出涂层结构取向控制提升涂层耐磨性能研发思路、开发定向结构涂层技术，制备高铝青铜、WC耦合Ni基合金多元多相复合定向结构耐磨涂层，解决了石油采油缸套柱塞、铜管挤压穿孔针、煤矿采煤支柱导套耐磨蚀问题。成果突破：（1）提出利用涂层结构取向强化涂层耐磨性。替代二元相添加，生产的Ni基合金定向结构涂层泥浆泵缸套耐磨寿命提高2倍；高铝青铜耦合强化Ni基合金复合涂层铜管穿孔针摩擦系数相对Ni60单组元涂层降低约16%，呈现良好的减摩耐磨工况服役效果。（2）构筑陶瓷WC界面强化异质定向结构涂层。生产的WC裹壳定向枝晶、阻塞腐蚀通道的镍基（Ni60-WC-20%CoCr）定向结构高承载耐磨蚀涂层腐蚀阻抗提高8.5倍，成功解决油田抽油泵柱塞和煤矿液压支柱等苛刻工况工程构件硫化物、氯离子腐蚀难题。

针对催化剂球阀密封面等耐磨损、耐腐蚀问题，提出PVD薄膜/HVOF热喷涂涂层复配的高应力耐磨蚀涂层制备技术，设计了高承载耐磨蚀PVD薄膜/HVOF涂层复配防护体系。突破材料性能优势互补、环境因素协同响应及膜层界面匹配调控机制技术难题，DLC/TiN/Cr2C3-20%NiCr膜层复配催化剂腐蚀介质使工作球阀启闭寿命提高4倍以上。

8、高性能铜基/银基丝线材关键制备加工技术

航空航天、集成电路、音视频传输、消费电子等领域用高性能铜及贵金属丝线材是信号传输的关键导体。项目组经20年协同攻关，突破了高性能铜及贵金属丝线材制备加工技术瓶颈，开发出具有自主知识产权的热型水平连铸、冷型竖引连铸、形变强化调控、微细丝连续涂镀等整套制备加工技术，实现了我国重点领域急需的高可靠热电偶丝和加热丝、集成电路键合线、高保真音视频线、高端数据传输线等关键材料的国产化。

9、微晶磷铜球关键技术及自动化成型装备的研发与产业化

针对高端电路板铜镀层用磷铜球，电镀阳极时进一步提高镀层质量的和减少电镀阳极泥，通过微晶化和智能化装备来保证产品质量和提高生产效率、降低成本。研发了基于形变再结晶的多阶段磷铜快速晶粒细化技术，使磷铜球晶粒细化由毫米级细化为微米级，磷元素分布更加均匀；研发的复合热处理技术使磷铜球自润滑挤压模具寿命延长至90天；采用故障树专家诊断系统，实现故障自动诊断与报警；成功研制了微晶磷铜球自动化成型装备，该装备是集机、电、液、智能控制为一体，并由12台成型装备组成的规模化生产联动示范生产线。

10、风电圆台形钢结构塔筒的性能分析、关键技术及其工程应用

主要解决了以下难题：

1、风场尾流分布、流固耦合效应机理复杂。传统分析方法对风场及结构效应对计算不准确，导致发电损失量，结构设计经过不合理。

2、结构疲劳损伤退化机理和压弯剪扭符合载荷下结构受力机理复杂。传统设计方法未考虑材料复杂受力行为，采用较大安全系数，结构设计结果偏保守。

3、结构损伤高效识别困难，结构性能退化诊断难道大。传统人工方法效率低、成本高、对环境要求高，高效运维技术缺失。

通过本课题研究，获得了以下成果：

建立了风电圆台形钢结构塔筒的载荷精细化分析理论与计算方法，实现了风光圆台形钢结构塔筒载荷对精确计算和优化；建立了圆台形钢结构塔筒性能对分析理论和高效设计方法，实现了圆台形钢结构塔筒精细化高效设计；研发了圆台形钢结构塔筒对高效动态监测技术与缺陷诊断技术，提升了圆台形钢结构塔筒对运行安全性。

11、锂离子电池正极材料磷酸铁锂制备关键技术开发及产业化

针对磷酸铁锂材料因电子电导率和离子电导率较低导致的首次放电比容量低、倍率性能不佳等问题，重点开发了前驱体磷酸铁连续制备技术和杂原子掺杂碳包覆磷酸铁锂技术。前驱体磷酸铁的连续制备工艺在劳动生产率、单位容积产能、工艺可靠性、产品稳定性、生产成本等方面均具有显著的优势。杂原子掺杂碳包覆磷酸铁锂技术则显著提高了磷酸铁锂正极材料的放电比容量和倍率性能。

12、镍基高温合金塑性成形特性与界面行为应用技术产业化

提出了一种镍基高温合金管棒材短流程成形的新技术。针对先进装备制造中对镍基高温合金部件的需求，瞄准镍基高温合金管棒材控形控性加工过程中的共性关键问题，提出了一种短流程制备变形高温合金 Inconel 625无缝管材的方法，并开发和实现了系列关键技术；开发了精密铸造镍基高温合金掺合阀新工艺。针对石油化工脱硫生产设备关键部件使役寿命短、安全风险高等痛点，从热力学和动力学两方面得到了镍基高温合金凝固过程中树枝晶的形核和长大规律与凝固过程中偏析和有害相的形成机制和控制方法，系统阐明了使役条件对材料性能的影响规律。开发了 Inconel 625 合金阀头铸造新工艺和GH4738 镍基高温合金涡轮盘；开发了镍基高温合金焊丝新产品。针对我国先进装备制造中使用的镍基高温合金焊丝基本依赖于进口的现状，聚焦镍基高温合金焊丝成形中的关键问题，提出孪晶诱发塑性理论，并反向优化合金元素与成分设计，并明确了 Inconel 625 合金在合金设计-熔炼-成形-焊接全流程中的特性。开发了 Inconel 625 高温合金焊丝新产品。

13、合金材料微观组织结构模拟技术与工业应用

材料微观组织结构模拟技术，通过较少的实验就可以得到材料成型过程中微观组织的演化规律，有效降低材料成形工业产品的研发与生产成本，较好的控制产品的生产质量。本项目针对合金材料微观组织结构模拟技术领域技术难题，突破四项关键技术，对应 4 个主要技术创新点：(1)合金凝固多晶粒竞争生长的三维模型建立；(2)建立可以描述在三维坐标系下流动液相中共晶组织演化的 PF-LBM 模型；(3)建立液-固-固多次相变的多相场模型；(4)提出了一种新方法来扩大模拟的计算区域，即分区域顺序计算技术。