面向“雙碳”產(chǎn)業(yè)需求聚焦輕量化材料與制造研究
——走進江西省輕質(zhì)高強結構材料重點實驗室

實驗室概況

實驗室共有包括國家香江學者、江西省青年科學家、江西省主要學術學科帶頭人、江西省百千萬人才和江西省“雙千計劃”人才等在內(nèi)的教授8 人，副教授11 人，講師4 人。近5年來共承擔各類國家級、省級基金項目60 余項，其中國家科技支撐計劃重大項目（子項目）2 項，國家重點研發(fā)項目（子項目）1 項，國際合作與交流項目3 項，在Carbon、Ann Rev Mater Res等國際知名期刊發(fā)表SCI論文300 余篇，申請和授權專利100余項，榮獲省部級科研獎勵10 多項，部分研究成果達到國際先進水平。

實驗室圍繞輕質(zhì)高強結構材料進行相關基礎研究及產(chǎn)業(yè)化中試應用，從輕質(zhì)高強結構材料的多尺度集成材料計算工程、復合強韌化設計、低成本先進制備加工工藝、表面改性及連接技術、先進增材制造關鍵技術等方向開展研究。針對鎂合金材料自身強度低、塑性差、耐蝕性和高溫性能差的缺點，從基礎應用類研究出發(fā)，從機理上尋找解決辦法，從配方上尋求創(chuàng)新方案，開展了基礎理論、制造計算和裝備的系統(tǒng)研究及工程應用。實驗室創(chuàng)建了省內(nèi)頂級、國內(nèi)一流的鎂合金研究技術基地，匯集了一批國內(nèi)外材料、機械、力學、物理、計算機、智能制造等多學科領域的優(yōu)秀人才和科研工作者，形成了一支創(chuàng)新能力優(yōu)異、科研能力突出、人才輸出能力強勁的穩(wěn)定團隊。

主要研究成果

實驗室承擔的各項國家項目取得了突破性的成績，創(chuàng)新成果廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)制造，部分研究成果如下。

（1）材料多尺度集成計算工程。傳統(tǒng)鎂合金試錯法具有研發(fā)成本高、周期長的弊端，從新材料研發(fā)到工業(yè)化應用通常耗時10 余年，長期以來制約了鎂合金行業(yè)的發(fā)展，難以滿足高性能輕質(zhì)材料的制造需求。實驗室基于材料基因組思想，開展了數(shù)據(jù)驅(qū)動的鎂合金成分設計與篩選，獲得了鎂合金成分/工藝對典型強化相結構的影響規(guī)律，揭示了典型強化相及其與鎂基體界面結構對鎂合金性能的影響規(guī)律。在基礎數(shù)據(jù)的支持下，針對高溫強化性能需求，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動，最終優(yōu)選出具有高熱穩(wěn)定性的C15 型Laves 相。即根據(jù)電子結構構型篩選強化作用相，再根據(jù)低形成焓、低界面能原則篩選出高熱穩(wěn)定性相，隨后依據(jù)彈性常數(shù)、力學各向異性、塑性/脆性、熱力學參數(shù)及上述性能隨溫度、壓力的變化趨勢優(yōu)選出Laves 相。

（2）材料復合強韌化設計理論。輕質(zhì)高強韌的鎂合金材料是航空航天、交通運輸及武器裝備等領域減重增效的理想材料，但是傳統(tǒng)鎂合金具有塑性低、絕對強度不高的缺點。實驗室經(jīng)過長期研究稀土在金屬材料中的應用，提出了雙相復合強化、協(xié)同提升鎂合金強度與塑性的新思路。系統(tǒng)研究了Laves 相和準晶相復合強化鎂合金的組織演變規(guī)律、富鎂區(qū)雙相的形成規(guī)律和成分設計準則，揭示了雙相復合強化鎂合金的強韌化機制，發(fā)現(xiàn)稀土元素含量（Zn/Gd 原子比和Gd 含量）是影響準晶相形成和分布的主要因素，并得到了準晶相的最佳成分范圍。探究了熱處理和變形工藝（冷卻速率、固溶、時效、擠壓等）對鎂合金組織演變的影響，實現(xiàn)了鎂合金強韌化目標。

（3）低成本先進制備加工工藝研究。鎂合金的低成本加工工藝對擴大鎂合金構件的應用范圍，提高國家鎂合金制造的整體技術水平具有重要作用。實驗室在高強耐熱鎂合金、超輕鎂鋰合金、超塑性鎂合金和鎂基復合材料等先進鎂合金材料的制備上都取得了一定的研究成果。采用合金化和微合金化開發(fā)了3 種壓鑄工藝性能和熱處理強化性能相結合的新型低成本壓鑄鎂合金，探究了不同真空條件下鎂合金的組織缺陷變化規(guī)律和力學性能；研究了熱處理工藝對真空壓鑄鎂合金組織和力學性能的影響，優(yōu)化了熱處理工藝，闡明了真空壓鑄鎂合金的工藝-組織-性能關系，并建立了相關本構關系方程，開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權的鎂合金低成本制備新工藝。

（4）材料表面改性及連接技術。針對鎂合金表面易腐蝕、性能弱化以及異質(zhì)材料焊接困難等問題，開展了原子層沉積納米薄膜表面改性創(chuàng)新設計和銅鋅合金中間層真空電子束焊接新方法等研究。研制出鎂合金單層、復合系列薄膜制備新工藝，通過鎂合金表面自限性吸附和化學反應在低溫條件制備薄膜，實現(xiàn)了化學成分準、厚度可控、致密度高、三維階梯覆蓋好、大面積連續(xù)、與基體結合力好的薄膜材料和結構的自由設計和調(diào)控；揭示了鎂鋼異種焊接中焊縫接合形式、焊縫區(qū)微觀組織結構及成分、接頭力學性能的關聯(lián)規(guī)律，提高了鎂鋼異種材料焊接過程的穩(wěn)定性，減少了焊接缺陷。異質(zhì)材料連接在顯著減輕載具整體重量的同時加強了局部承重能力，推進了載具輕量化節(jié)能減排，實現(xiàn)了“雙碳” 目標。

（5）先進增材制造技術研究。針對大型復雜金屬制件制造困難、周期長、成本高等問題，提出了超聲微鍛造輔助激光熔絲增材復合制造新工藝，揭示了成形組織晶粒細化和均勻性控制、微觀缺陷治愈及殘余應力消除等作用機制，通過將超聲能場以同步耦合的方式引入到金屬激光熔絲增材制造過程中，對凝固組織產(chǎn)生積極影響，能夠有效抑制柱狀晶的生長、弱化織構及促使等軸晶的形成；提出了激光逐層減功率工藝，通過調(diào)節(jié)激光能量、熔池區(qū)溫度與金屬材料的匹配關系，逐層改善了沉積組織性能，實現(xiàn)了層間孔洞缺陷抑制以及界面殘余熱應力調(diào)控，結合材料測試方法表征材料的顯微組織及性能等手段，最終實現(xiàn)了大型金屬制件控形控性增材制造技術和理論創(chuàng)新。

力學性能實驗室

鎂合金輪轂

交流與合作

實驗室本著“自由、開放、合作、共贏”理念，先后與國內(nèi)及美、英、日等境外多所知名大學、科研機構和企業(yè)開展學術交流和合作，在國內(nèi)外產(chǎn)生了較大的影響力。通過“海智計劃”積極舉辦、參與各項學術交流會議，共主辦國際國內(nèi)學術交流會議9 次，應邀在國際國內(nèi)學術會議上做報告20 余次，參加學術會議40 余次。此外，有10 余人擔任國際、國內(nèi)期刊審稿人。

未來規(guī)劃

實驗室將聚焦輕質(zhì)高強結構材料研發(fā)與應用的發(fā)展需求，圍繞國家碳達峰和碳中和的“雙碳”目標，不斷提高基礎理論研究水平和產(chǎn)業(yè)應用創(chuàng)新能力；加強實驗室管理和建設，定期更新實驗室儀器設備以適應科研發(fā)展需求；加強團隊人才培養(yǎng)和引進，吸納優(yōu)秀中青年人才和高層次人才加盟實驗室，培養(yǎng)優(yōu)秀科研人員；加強國內(nèi)外合作與交流，與企業(yè)建立良好的合作關系，與科研機構建立密切的聯(lián)系，集中力量解決國家輕量化產(chǎn)業(yè)領域的“卡脖子”難題。