项目名称

基于非晶晶化的超细晶粉末冶金钛合金应用基础研究

主要完成单位

华南理工大学

主要完成人

（职称、完成单位、工作单位）

1.杨超（教授、华南理工大学、华南理工大学，长期领导组织和实施本项目的研究工作，确定总体研究方向和技术方案，为项目选题、立项组织进行了大量调研及指导工作并直接参与到科技创造。对本项目《重要科学发现》中所列第1、2和3项科学发现做出了创造性贡献，是第9篇代表性论文的第一作者和第1、2、3、4、8、9和10篇代表性论文的通讯作者。）

2.李元元（教授、华南理工大学、华中科技大学，是本项目研究工作最早发起人，为项目组织进行了大量指导性工作，并直接参与到科技创造与技术发明工作。对本项目《重要科学发现》中所列第1、2和3项科学发现做出了创造性贡献，是第1、2、3、4、5、8、9和10篇代表性论文的作者。）

3.王智（教授、华南理工大学、华南理工大学，参与了本项目部分创新成果的构思、实施和完成过程。对本项目《重要科学发现》中所列第1项科学发现做出了创造性贡献，是第5篇代表性论文的第一作者和通讯作者。）

4.刘乐华（未取得、华南理工大学、华南理工大学，参与了本项目部分创新成果的构思、实施和完成过程。对本项目《重要科学发现》中所列第1、2和3项科学发现做出了创造性贡献，是第1、2和8篇代表性论文的第一作者和第9篇代表性论文的作者。）

5.李玉华（讲师、华南理工大学、西安科技大学，参与了本项目部分创新成果的构思、实施和完成过程。对本项目《重要科学发现》中所列第1和3项科学发现做出了创造性贡献，是第3、4篇代表性论文的第一作者和第9、10篇代表性论文的作者。）

6.邹黎明（高级工程师、华南理工大学、广东省材料与加工研究所，参与了本项目部分创新成果的构思、实施和完成过程。对本项目《重要科学发现》中所列第3项科学发现做出了创造性贡献，是第10篇代表性论文的第一作者。）

7.屈盛官（教授、华南理工大学、华南理工大学，参与了本项目部分创新成果的构思、实施和完成过程。对本项目《重要科学发现》中所列第1和3项科学发现做出了创造性贡献，是第1、2、3、4、7和10篇代表性论文的作者。）

8.李小强（教授、华南理工大学、华南理工大学，参与了本项目部分创新成果的构思、实施和完成过程。对本项目《重要科学发现》中所列第1项科学发现做出了创造性贡献，是第1、2、3、4篇代表性论文的作者和第7篇代表性论文的第一作者。）

9.张卫文（教授、华南理工大学、华南理工大学，参与了本项目部分创新成果的构思、实施与完成过程。对本项目《重要科学发现》中所列第1和2项科学发现做出了创造性贡献，是第1、2、3、5和8篇代表性论文的作者。）

10.陈维平（教授、华南理工大学、华南理工大学，参与了本项目部分创新成果的构思、实施与完成过程。对本项目《重要科学发现》中所列第1项科学发现做出了创造性贡献，是第2篇代表性论文的作者和第6篇代表性论文的第一作者。）

11.龙雁（教授、华南理工大学、华南理工大学，参与了本项目部分创新成果的构思、实施和完成过程。对本项目《重要科学发现》中所列第2项科学发现做出了创造性贡献，是第8篇代表性论文的作者。）

12.康利梅（未取得、华南理工大学、广东工业大学，参与了本项目部分创新成果的构思、实施和完成过程。对本项目《重要科学发现》中所列第1项科学发现做出了创造性贡献，是第2篇代表性论文的作者。）

13.王芬（实验师、华南理工大学、华南理工大学，参与了本项目部分创新成果的构思、实施和完成过程。对本项目《重要科学发现》中所列第1和2项科学发现做出了创造性贡献，是第1、3和8篇代表性论文的作者）

14.赵海东（教授、华南理工大学、华南理工大学，参与了本项目部分创新成果的构思、实施和完成过程。对本项目《重要科学发现》中所列第1项科学发现做出了创造性贡献，是第3和4篇代表性论文的作者。）

项目简介

该项目属于工程与技术科学基础学科（冶金物理化学）领域。

金属材料的成分—制备工艺—组织结构—力学性能关系，及其制备过程的热力学和动力学，是冶金物理化学领域的重要研究方向。根据经典Hall–Petch关系，晶粒细化则材料强度增大。然而，有限的位错储存和加工硬化能力导致纳米晶材料难以兼顾塑性。普遍接受的观点为：超细晶能在提高材料强度的同时兼具高塑性。与粗晶相比，超细晶材料还具有尺度与界面效应决定的高硬度和优异耐磨性，以及高晶界表面能导致的优异生物相容性。尤其，等轴晶结构可提高强度、高角晶界可提高塑性，故超细晶材料的研究目标为“实现高角晶界的高均匀性和高含量”。本项目基于“非晶晶化”理论，发现了固结和原位晶化非晶合金粉末过程中，粉末致密化机理与晶化机理、及其对粉末固结晶化块体合金组织性能的影响等方面的新规律和新机制，为指导研发更优性能的超细晶新材料提供了理论依据与新思路。主要发现点如下：

1.提出了基于非晶晶化的超细晶粉末冶金钛合金制备方法，使新型超细晶合金的制备进入了“可设计”阶段。在揭示基于非晶晶化的超细晶粉末冶金钛合金普适强化机理的基础上，设计出16种新型超细晶粉末冶金钛合金：高强高塑结构钛合金兼具优异耐磨性，已成功用于´´空间飞行器；高强低模医用钛合金兼具优异生物相容性，已进入临床应用验证。该方法可推广用于制备高强铝基复合材料、高强高熵合金、高强连接材料等新型超细晶合金。

2.构建了定量化揭示非晶粉末致密化机理的理论框架。提出了基于表面能、颗粒尺寸、粘度等粉末物性参数的综合影响因子，根据Frenkel模型、Arrhenius方程与Stokes-Einstein方程，确立了量化描述综合影响因子、烧结激活能、原子扩散系数和原子扩散激活能等物理量的关系式，使定量化评估金属粉末的致密化机理成为现实，为优化粉末烧结工艺奠定理论基础。

3.确立了钛基非晶合金粉末的晶化机理与粉末固结晶化块体合金之间的内在关联。采用晶化动力学、经典形核长大等非晶晶化理论，明确了基于合金成分设计与固结参数调控的非晶合金粉末晶化机理，揭示了基于非晶晶化的超细晶粉末冶金钛合金的组织性能调控机制，突破了国内外仅关注非晶合金晶化机理的传统理念，为研发高强高塑超细晶材料提供了新思路。

该项目发表SCI论文68篇，SCI他引总计1098次。其中10篇代表性论文总计被62个国家1125名作者在Prog. Mater. Sci.、Int. Mater. Rev.、Acta Mater.等117种国际期刊SCI他引403次，单篇最高SCI他引194次，1篇论文入选“ESI高被引论文”，获得了国际学术界的认可。综述文章“Powder Metallurgy Strategies to Improve Properties and Processing  of Titanium Alloys: A Review”[Adv. Eng. Mater. 19 (2017) 1600743]，以2个专门小节加5处评述高度评价了本项目发表的19篇SCI论文。申请发明专利19件（国际PCT专利3件），已获授权16件。受邀作国内外特邀报告20余次，获2017国际新材料发展趋势高层论坛“IFAM青年科学家奖”。

代表性论文

专著目录

论文1：Ultrafine grained Ti-based composites with ultrahigh strength and  ductility achieved by equiaxing microstructure

论文2：A new insight into high-strength Ti₆₂Nb_12.2Fe_13.6Co_6.4Al_5.8  alloys with bimodal microstructure fabricated by semi-solid sintering

论文3：Biomedical TiNbZrTaSi alloys  designed by d-electron alloy design theory

论文4：New developments of Ti-based alloys  for biomedical applications

论文5：Fabrication and mechanical  properties of Al-based metal matrix composites reinforced with Mg₆₅Cu₂₀Zn₅Y₁₀  metallic glass particles

论文6：Alloying behavior, microstructure  and mechanical properties in a FeNiCrCo_0.3Al_0.7 high  entropy alloy

论文7：Vacuum brazing of TiAl-based  intermetallics with Ti-Zr-Cu-Ni-Co amorphous alloy as filler metal

论文8：Densification mechanism of Ti-based  metallic glass powders during spark plasma sintering process

论文9：Intrinsic relationship between  crystallization mechanism of metallic glass powder and microstructure of bulk  alloys fabricated by powder  consolidation and  crystallization of amorphous phase

论文10：Effect of Fe content on  glass-forming ability and crystallization behavior of a (Ti_69.7Nb_23.7Zr_4.9Ta_1.7)_100-xFe_x  alloy synthesized by mechanical alloying

知识产权名称

专利1：一种高强韧合金材料及其半固态烧结制备方法和应用。美国发明专利，申请号：15/322,183，专利号：10344356，授权日期：07/09/2019

专利2：一种高强韧双尺度结构钛合金及其制备方法与应用。美国发明专利，申请号：15/580,057，公布号：US-2018-0298469-A1，公布日期：10/18/2018

专利3：一种含 Si 高强低模β-型钛合金及其制备方法与应用。国际发明专利，国际申请号：PCT/CN2017/111106，国际公布号：WO 2018/176853 A1，国际公布日：04/10/2018

推广应用情况

高强高塑结构钛合金兼具优异耐磨性，已成功用于´´空间飞行器；高强低模医用钛合金兼具优异生物相容性，已进入临床应用验证。该方法可推广用于制备高强铝基复合材料、高强高熵合金、高强连接材料等新型超细晶合金。