3D打印用金屬粉末入圍 “十四五”國家重點研發(fā)計劃

來源：中國粉體網(wǎng)

導讀： 為落實“十四五”期間國家科技創(chuàng)新有關部署安排，截止2021.5.13日，國家重點研發(fā)計劃啟動實施“先進結構與復合材料“等26個重點專項。其中關于增材制造用金屬粉末方面的有5個項目。它們是分別是隸屬于“先進結構與復合材料”專項的——高品質TiAl合金粉末制備及3D打印關鍵技術（共性關鍵技術）、復雜工況下冶金領域關鍵部件表面工程技術與應用（示范應用）、高強韌金屬基復合材料高通量近凈形制備與應用（共性關鍵技術）、增材制造用高性能高溫合金集成設計與制備（共性關鍵技術）、增材制造先進金屬材料的實時表征技術及應用，以下是這5個項目的介紹。

先進材料與復合材料

1. 高品質TiAl合金粉末制備及3D打印關鍵技術（共性關鍵技術）

研究內容：針對電子束3D打印所需的低氧含量球形TiAl合金粉末，研究鋁元素揮發(fā)、粉末球形度差、空心粉高問題，突破工業(yè)化生產球形TiAl合金粉末和工業(yè)化TiAl構件增材制造關鍵技術；開展增材制造TiAl合金的材料—工藝—組織—缺陷—性能一體化系統(tǒng)研究及典型服役性能測試，突破構件增材制造工藝及性能控制關鍵技術，掌握包括材料、工藝、組織調控、性能特征及典型應用，為新一代航空發(fā)動機高溫關鍵構件制造及工業(yè)化應用提供技術支撐。

考核指標：粉末指標：粉末粒度45~105μm，收得率≥40%，粉末氧含量≤0.075wt%，粉末流動性≤35s/50g；成形件指標：室溫抗拉強度≥600MPa、延伸率≥1.5%，650℃抗拉強度≥500MPa，650℃高周疲勞強度（σ-1，Kt=1，N=1×107）≥300MPa，650℃持久強度（σ100h）≥250MPa。

2. 復雜工況下冶金領域關鍵部件表面工程技術與應用（示范應用）

研究內容：針對冶金領域高溫、重載、高磨損等復雜工況對關鍵部件表面防護技術的迫切需求，開展復合增強表面工程材料及涂鍍層結構的理性設計，開發(fā)高效率、高性能激光熔覆、堆焊、冷噴涂、復合鍍等技術及多技術結合的復合表面工程技術，攻克復雜工況下冶金領域關鍵部件表面耐高溫、耐磨損、抗疲勞涂鍍層制備的關鍵技術，開展其服役性能評價和壽命預測，并應用于擠壓芯棒、結晶器、除鱗輥等典型部件，在大型鋼鐵冶金企業(yè)得到示范應用。

考核指標：開發(fā)無縫鋼管擠壓芯棒、結晶器、除鱗輥等三種典型件表面制造的專用復合粉末3種以上，涂層結合力≥100MPa，綜合使用壽命提升40%以上；擠壓芯棒的耐磨性比H13鋼提高2倍以上，表面潤滑鍍層摩擦磨損性能比傳統(tǒng)鍍層提升20%以上；除鱗輥的硬質相質量比≥60%，粘結相硬度HRC≥38，無裂紋；結晶器修復層晶粒度<10μm，可修復厚度≥6mm；表面強化涂層孔隙率＜1%，修復及強化后變形量≤2mm/m，單套結晶器一次修復過鋼量15萬噸以上。

3. 高強韌金屬基復合材料高通量近凈形制備與應用（共性關鍵技術）

研究內容：針對航空航天領域高強韌金屬基復合材料應用需求，圍繞非連續(xù)增強金屬基復合材料強韌性失配及復雜構件成形加工周期長、成本高、材料利用率低的突出問題，結合利用材料基因工程思想和近凈形制備技術原理，研發(fā)鋁基、鈦基復合材料高通量近凈形制備技術及其高通量表征技術；測試和采集基體/增強相界面物理化學數(shù)據(jù)，建立基體/增強相界面熱力學和動力學物性數(shù)據(jù)庫；研究鋁基、鈦基復合材料成分—構型—工藝—界面—性能交互關聯(lián)集成計算技術，實現(xiàn)材料體系與構型及其近凈形制備工藝方案與參數(shù)的高效同步優(yōu)化，并在航空航天等領域得到工程示范應用。

考核指標：構建成分—構型—工藝—界面—性能關系設計平臺及多尺度模擬平臺，實現(xiàn)100種以上復合材料構型的模型高效創(chuàng)建與計算；高通量近凈形制備和表征技術能力≥200樣品數(shù)/批次；建立支撐高強韌金屬基復合材料研發(fā)和工藝優(yōu)化的數(shù)據(jù)庫1個，數(shù)據(jù)量≥20萬條；構型化復合材料斷裂韌性比均勻復合材料提升≥30%，晶須增強型與顆粒增強型鋁基復合材料的彈性模量比基體分別提高50%與150%以上，鈦基復合材料承溫能力提高200℃以上；復雜構件近凈形制備技術的材料利用率提高3~5倍，制造周期及生產成本“雙減半”；在航空航天等領域實現(xiàn)10個以上典型應用；申請發(fā)明專利20項以上。

4. 增材制造用高性能高溫合金集成設計與制備（共性關鍵技術）

研究內容：針對航空發(fā)動機、高超聲速飛行器、重載火箭等國家大型工程所需高溫合金精密構件服役特點和增材制造物理冶金特點，應用材料基因工程理念，發(fā)展多層次跨尺度計算方法和材料大數(shù)據(jù)技術，形成增材制造用高性能高溫合金的高效計算設計方法、增材制造全流程模擬仿真技術與機器學習技術，結合高通量制備技術和快速表征技術，建立增材制造用高性能高溫合金的材料基因工程專用數(shù)據(jù)庫；發(fā)展適合高溫合金增材制造工藝特性的機器學習、數(shù)據(jù)挖掘、可視化模擬等技術，開展增材制造用高溫合金高效設計與全流程工藝優(yōu)化的研究工作，實現(xiàn)先進高溫合金高端精密構件的組織與尺寸精密化控制，并在航空航天等領域得到工程示范應用。

考核指標：針對國家大型工程等所需高溫合金精密構件特點，研制出3~5種增材制造用高溫合金，研發(fā)周期縮減40%以上、研發(fā)成本降低40%以上；發(fā)展與高端增材制造裝備和工藝配套的高溫合金材料和技術體系，實現(xiàn)國產化規(guī)模應用，綜合性能平均提升20%以上，產品成本降低30%以上，核心性能指標、批次穩(wěn)定性達到國際先進水平；申請發(fā)明專利或軟件著作權10件以上。

5. 增材制造先進金屬材料的實時表征技術及應用

研究內容：研發(fā)基于同步輻射光源的原位表征技術與裝備，動態(tài)捕捉增材制造過程中高溫下微秒級時間尺度和微米級局域空間內的相變和開裂；通過高通量的樣品設計和多參量綜合表征手段，揭示動態(tài)非平衡制備過程中材料組織結構的演化和交互作用規(guī)律。面向典型高性能結構材料，揭示增材制造快速熔化凝固超常冶金過程對穩(wěn)定相、材料組織結構和最終性能產生影響的因素，快速建立材料成分—工藝—結構—性能間量化關系數(shù)據(jù)庫；結合材料信息學方法，發(fā)展增材制造工藝和材料性能高效優(yōu)化軟件，在典型增材制造材料的設計與優(yōu)化中得到應用。

考核指標：發(fā)展基于同步輻射光源的增材制造原位表征技術與裝備，在多個尺度上實時追蹤增材制造過程中材料組織演變、裂紋生長和化學反應的動態(tài)過程。實現(xiàn)單點表征區(qū)域＞200μm，空間分辨率≤10μm，時間分辨率≤50μs，表征通量＞103樣品空間成份點的原位無損分析；構建高溫合金、不銹鋼、鈦合金、鋁鎂合金等高性能結構材料成分—工藝—結構—性能數(shù)據(jù)庫，開發(fā)增材制造工藝優(yōu)化專用軟件，應用于三種增材制造材料的設計與優(yōu)化。申請發(fā)明專利3~5項，軟件著作權2~3項。

資料來源：先進結構與復合材料重點專項2021年度項目申報指南