3D打印用金属粉末入围 “十四五”国家重点研发计划

来源：中国粉体网

导读： 为落实“十四五”期间国家科技创新有关部署安排，截止2021.5.13日，国家重点研发计划启动实施“先进结构与复合材料“等26个重点专项。其中关于增材制造用金属粉末方面的有5个项目。它们是分别是隶属于“先进结构与复合材料”专项的——高品质TiAl合金粉末制备及3D打印关键技术（共性关键技术）、复杂工况下冶金领域关键部件表面工程技术与应用（示范应用）、高强韧金属基复合材料高通量近净形制备与应用（共性关键技术）、增材制造用高性能高温合金集成设计与制备（共性关键技术）、增材制造先进金属材料的实时表征技术及应用，以下是这5个项目的介绍。

先进材料与复合材料

1. 高品质TiAl合金粉末制备及3D打印关键技术（共性关键技术）

研究内容：针对电子束3D打印所需的低氧含量球形TiAl合金粉末，研究铝元素挥发、粉末球形度差、空心粉高问题，突破工业化生产球形TiAl合金粉末和工业化TiAl构件增材制造关键技术；开展增材制造TiAl合金的材料—工艺—组织—缺陷—性能一体化系统研究及典型服役性能测试，突破构件增材制造工艺及性能控制关键技术，掌握包括材料、工艺、组织调控、性能特征及典型应用，为新一代航空发动机高温关键构件制造及工业化应用提供技术支撑。

考核指标：粉末指标：粉末粒度45~105μm，收得率≥40%，粉末氧含量≤0.075wt%，粉末流动性≤35s/50g；成形件指标：室温抗拉强度≥600MPa、延伸率≥1.5%，650℃抗拉强度≥500MPa，650℃高周疲劳强度（σ-1，Kt=1，N=1×107）≥300MPa，650℃持久强度（σ100h）≥250MPa。

2. 复杂工况下冶金领域关键部件表面工程技术与应用（示范应用）

研究内容：针对冶金领域高温、重载、高磨损等复杂工况对关键部件表面防护技术的迫切需求，开展复合增强表面工程材料及涂镀层结构的理性设计，开发高效率、高性能激光熔覆、堆焊、冷喷涂、复合镀等技术及多技术结合的复合表面工程技术，攻克复杂工况下冶金领域关键部件表面耐高温、耐磨损、抗疲劳涂镀层制备的关键技术，开展其服役性能评价和寿命预测，并应用于挤压芯棒、结晶器、除鳞辊等典型部件，在大型钢铁冶金企业得到示范应用。

考核指标：开发无缝钢管挤压芯棒、结晶器、除鳞辊等三种典型件表面制造的专用复合粉末3种以上，涂层结合力≥100MPa，综合使用寿命提升40%以上；挤压芯棒的耐磨性比H13钢提高2倍以上，表面润滑镀层摩擦磨损性能比传统镀层提升20%以上；除鳞辊的硬质相质量比≥60%，粘结相硬度HRC≥38，无裂纹；结晶器修复层晶粒度<10μm，可修复厚度≥6mm；表面强化涂层孔隙率＜1%，修复及强化后变形量≤2mm/m，单套结晶器一次修复过钢量15万吨以上。

3. 高强韧金属基复合材料高通量近净形制备与应用（共性关键技术）

研究内容：针对航空航天领域高强韧金属基复合材料应用需求，围绕非连续增强金属基复合材料强韧性失配及复杂构件成形加工周期长、成本高、材料利用率低的突出问题，结合利用材料基因工程思想和近净形制备技术原理，研发铝基、钛基复合材料高通量近净形制备技术及其高通量表征技术；测试和采集基体/增强相界面物理化学数据，建立基体/增强相界面热力学和动力学物性数据库；研究铝基、钛基复合材料成分—构型—工艺—界面—性能交互关联集成计算技术，实现材料体系与构型及其近净形制备工艺方案与参数的高效同步优化，并在航空航天等领域得到工程示范应用。

考核指标：构建成分—构型—工艺—界面—性能关系设计平台及多尺度模拟平台，实现100种以上复合材料构型的模型高效创建与计算；高通量近净形制备和表征技术能力≥200样品数/批次；建立支撑高强韧金属基复合材料研发和工艺优化的数据库1个，数据量≥20万条；构型化复合材料断裂韧性比均匀复合材料提升≥30%，晶须增强型与颗粒增强型铝基复合材料的弹性模量比基体分别提高50%与150%以上，钛基复合材料承温能力提高200℃以上；复杂构件近净形制备技术的材料利用率提高3~5倍，制造周期及生产成本“双减半”；在航空航天等领域实现10个以上典型应用；申请发明专利20项以上。

4. 增材制造用高性能高温合金集成设计与制备（共性关键技术）

研究内容：针对航空发动机、高超声速飞行器、重载火箭等国家大型工程所需高温合金精密构件服役特点和增材制造物理冶金特点，应用材料基因工程理念，发展多层次跨尺度计算方法和材料大数据技术，形成增材制造用高性能高温合金的高效计算设计方法、增材制造全流程模拟仿真技术与机器学习技术，结合高通量制备技术和快速表征技术，建立增材制造用高性能高温合金的材料基因工程专用数据库；发展适合高温合金增材制造工艺特性的机器学习、数据挖掘、可视化模拟等技术，开展增材制造用高温合金高效设计与全流程工艺优化的研究工作，实现先进高温合金高端精密构件的组织与尺寸精密化控制，并在航空航天等领域得到工程示范应用。

考核指标：针对国家大型工程等所需高温合金精密构件特点，研制出3~5种增材制造用高温合金，研发周期缩减40%以上、研发成本降低40%以上；发展与高端增材制造装备和工艺配套的高温合金材料和技术体系，实现国产化规模应用，综合性能平均提升20%以上，产品成本降低30%以上，核心性能指标、批次稳定性达到国际先进水平；申请发明专利或软件著作权10件以上。

5. 增材制造先进金属材料的实时表征技术及应用

研究内容：研发基于同步辐射光源的原位表征技术与装备，动态捕捉增材制造过程中高温下微秒级时间尺度和微米级局域空间内的相变和开裂；通过高通量的样品设计和多参量综合表征手段，揭示动态非平衡制备过程中材料组织结构的演化和交互作用规律。面向典型高性能结构材料，揭示增材制造快速熔化凝固超常冶金过程对稳定相、材料组织结构和最终性能产生影响的因素，快速建立材料成分—工艺—结构—性能间量化关系数据库；结合材料信息学方法，发展增材制造工艺和材料性能高效优化软件，在典型增材制造材料的设计与优化中得到应用。

考核指标：发展基于同步辐射光源的增材制造原位表征技术与装备，在多个尺度上实时追踪增材制造过程中材料组织演变、裂纹生长和化学反应的动态过程。实现单点表征区域＞200μm，空间分辨率≤10μm，时间分辨率≤50μs，表征通量＞103样品空间成份点的原位无损分析；构建高温合金、不锈钢、钛合金、铝镁合金等高性能结构材料成分—工艺—结构—性能数据库，开发增材制造工艺优化专用软件，应用于三种增材制造材料的设计与优化。申请发明专利3~5项，软件著作权2~3项。

资料来源：先进结构与复合材料重点专项2021年度项目申报指南