相較傳統高溫合金，在同等體積下可減重40%以上、每年節省燃料數百萬(wàn)噸的以陶瓷顆粒作為增強相的鈦基復合材料是實(shí)現航空航天高端裝備輕量化、提高裝備功效和武器戰術(shù)性能的關(guān)鍵戰略材料之一，在空天飛行器、火箭發(fā)動(dòng)機、民用離心壓縮機等關(guān)鍵部件中擁有著(zhù)巨大的應用潛力。研發(fā)低成本、高性能且技術(shù)自主可控的空天高端裝備用耐熱高強鈦基復合材料十分關(guān)鍵。

上海交通大學(xué)張荻院士、呂維潔研究員帶領(lǐng)團隊，經(jīng)過(guò)二十余年潛心研究，承擔國家部委、上海市、國際合作和校企合作等科研課題，形成了耐熱鈦基復合材料的制備加工關(guān)鍵核心技術(shù)，打破了國際技術(shù)封鎖、實(shí)現關(guān)鍵核心技術(shù)自主可控。該材料在高溫環(huán)境下的穩定性和強度使得我國航空航天器能夠在極端苛刻的服役環(huán)境中穩定運行，為我國的航空航天高端裝備發(fā)展提供有力支撐。相關(guān)成果獲得2023年度上海市技術(shù)發(fā)明一等獎。

基礎研究筑牢創(chuàng )新根基

傳統鈦基復合材料通常采用外加法生產(chǎn)，存在成本高、基體和增強體之間界面結合性能差、界面反應嚴重、成材率低的問(wèn)題。研究團隊闡明了液態(tài)復合增強體晶體結構與形核生長(cháng)規律，建立了原位自生增強體尺寸和形態(tài)控制的理論和方法，創(chuàng )新突破困境。此外，該材料通過(guò)復合化技術(shù)，提升了傳統鈦合金的性能，使其能夠應對發(fā)動(dòng)機和飛行器零部件面臨的更高溫度和沖擊載荷的挑戰，提高了飛行器的性能和可靠性。呂維潔介紹，針對單元增強鈦基復合材料存在的強塑性匹配不佳等問(wèn)題，團隊專(zhuān)注機理研究，提出多元增強體有序分布與耦合強化方法，構建了新的力學(xué)模型，創(chuàng )制出空天及國防用新一代輕質(zhì)高強耐熱600~800℃鈦基復合材料，其室溫和高溫條件下的各項性能指標達到了國內領(lǐng)跑、國際*的水平。

精細加工實(shí)現社會(huì )效益

實(shí)驗室研發(fā)的新材料需要新制備工藝才能真正實(shí)現應用。團隊針對鈦基復合材料復雜構件難以加工成形的問(wèn)題，建立了動(dòng)態(tài)再結晶誘發(fā)大塑性加工技術(shù)，應對新材料加工難的挑戰，為空天和國防重大裝備研制并應用了千余套鈦基復合材料構件。

一組數據體現新材料發(fā)揮的巨大作用——在民用大型能源化工裝備領(lǐng)域，離心式壓縮機葉輪構建原本在650攝氏度環(huán)境下無(wú)輕質(zhì)材料可用，團隊研發(fā)的構建突破制約，使葉輪線(xiàn)速度提高40%、壓縮比提高33.3%，裝機2MW，年節省能耗8%；空天飛行器領(lǐng)域更是需要在800攝氏度的復雜應力環(huán)境接受挑戰，新部件不僅耐高溫而且結構減重15%、轉動(dòng)慣量降低36.4%，為飛行器大機動(dòng)、高速、高射程等核心技戰指標的實(shí)現提供了關(guān)鍵支撐……

相關(guān)研究成果授權中國發(fā)明專(zhuān)利26項，制定企業(yè)標準5項，發(fā)表SCI論文100余篇；團隊還建立了國內*鈦基復合材料企業(yè)，實(shí)現單錠噸級以上的鈦基復合材料產(chǎn)業(yè)化制備與生產(chǎn)，打破國際上的技術(shù)封鎖和禁運，為維護國家安全和高科技發(fā)展做出重要貢獻。