海洋环境用新型多元钛合金的液态结构与超常凝固机理研究

Multicomponent Ti-based alloys are crucial structure materials for reinforcing marine exploration and security. In this project, using both the space environment simulation techniques, i.e. free falling, electromagnetic levitation, etc., and the XRD technique for high temperature melt, the new research route from alloy design, liquid structure, extraordinary solidification to marine applied performance for multicomponent Ti-based alloys with high performances is carried out. First, the phase constitution is investigated by thermodynamic calculation method to optimize the alloy design. Second, the liquid structure evolution and the stability condition for atomic clusters are analyzed to explore the internal relationship among liquid structure, liquid thermophysical property, crystal nucleation and growth, and then the effective regulation of phase selection is realized. Third, the rapid dendrite growth and the metastable phase formation during extraordinary solidification are emphatically investigated, and the manipulations of solidification pathway and microstructure are realized. Meanwhile, the multi-solutes redistribution and diffusion are analyzed to explore the multi-solutes trapping and its critical condition for occurrence. Finally, the mechanical behaviors and corrosion performances of extraordinary solidified titanium alloys are investigated, the action mechanism of liquid structure and extraordinary solidification on their marine applied performances is revealed.

多元钛合金是增强我国海洋资源开发和安全保障能力的重要结构材料。本项目采用自由落体和电磁悬浮等空间模拟技术，结合高温熔体X射线衍射技术，探索集“合金设计－液态结构－超常凝固－海洋应用”四位一体的新型高性能多元钛合金设计制备新途径。主要开展以下五方面实验研究和理论分析。首先，采取热力学计算方法研究钛合金相组成规律从而实现合金优化设计。其次，从液态微观结构演化分析出发，阐明原子团簇的稳定性条件，揭示“液态微观结构－熔体热物理性质－晶体形核生长”之间的内在规律以实现相选择的有效调控。然后，重点研究超常凝固过程中初生相快速枝晶生长和亚稳相析出规律，并实现对凝固路径和微观组织的主动控制。同时，分析多元溶质再分配和扩散规律，揭示多元溶质截留效应及其发生的临界条件。最后，研究超常凝固钛合金的力学行为和腐蚀性能，发掘液态结构和超常凝固对其海洋应用性能的作用机制。

多元钛合金材料是海洋环境中的重要结构材料。本项目采取多种空间模拟技术并结合模拟计算方法，研究了“合金设计－液态结构－超常凝固－海洋应用”四位一体的新型高性能多元钛合金设计制备。取得以下研究成果：(1) 实现了钛合金的优化设计与相结构预测。基于热力学计算方法获取了钛合金的热力学性质和相图信息，并且预测了非平衡凝固过程。(2) 阐明了液态钛合金的微观结构及液固相关特性。从原子层次说明混合焓是钛合金凝固时相选择的关键因素。建立了描述钛合金熔体结构的“沃尔夫团簇”模型，阐明了钛合金熔体是短程序主导的结构并确定了三种团簇的几何形状和内部结构。发现衬底的诱导作用是钛液滴发生液液相变的重要动力。(3) 获取了液态钛合金的热物理性质变化规律。确定了液态钛合金的密度等热物理参数随温度变化的函数关系，发现其与熔体团簇局域结构变化紧密相关，提出了一种利用深度学习精确预测液态钛合金热物理性质的计算方法并成功应用于三元和四元钛合金体系。(4) 诠释了钛合金的超常凝固机制。揭示了钛合金的亚稳液态结构对晶体形核生长的促进作用，系统测定了钛合金中枝晶和共晶的快速生长速度并确定了晶体生长机制转变的临界条件，阐明了多溶质元素扩散规律并实现了钛合金亚稳相结构和梯度共晶组织等主动控制。(5) 揭示了相关金属及化合物的氧化与腐蚀行为。阐明了氧化物的链状形核机制，发现碳化钛的氧化过程始于氧分子在表面钛原子层上的吸附反应，这引发表面钛原子层的结构畸变从而导致部分Ti-C键断裂。(6) 创建了利用超常凝固提升钛合金海洋适用性能的新途径。通过调控钛合金的超常凝固路径，采取生成多种亚稳纳米结构、双相晶界及均质化等方式显著提升了合金的力学和耐蚀性能。(7) 自主设计研制了新型超常凝固技术。基于相似性原理发明了电磁悬浮与动态微重力集成式空间材料加工方法与装置，研创了快速定向凝固与耦合固态相变双联协控装置，建立起金属材料超常凝固实验系统，经第三方科技成果鉴定为国际领先水平。.相关研究结果在国内外主流学术期刊上发表论文88篇，其中9篇被选为期刊封面/封底图片。参与编写专著4部，授权国家和国际发明专利28项。获中国材料研究学会技术发明一等奖和陕西省科学技术二等奖各1项。项目负责人获批国家杰青项目。研究成果为高性能海洋钛合金的设计、制备与应用提供了重要的实验数据和理论支撑，既促进了材料科学与技术的发展又推动了空间应用技术的进步。