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“高性能稀土鎂合金薄板帶生產(chǎn)技術(shù)”項(xiàng)目是以北京市科委經(jīng)費(fèi)支持為起源、以國(guó)家“十二• 五”科技支撐計(jì)劃為發(fā)展，以北京科技大學(xué)與美國(guó)波音公司國(guó)際合作開發(fā)高性能稀土鎂合金等為基礎(chǔ)，逐步形成的一項(xiàng)特色科技成果。通過(guò)系統(tǒng)地研究鑄軋、擠壓板坯熱軋、鑄錠熱軋和熱處理過(guò)程中鎂合金組織演變機(jī)理與性能控制技術(shù)等，研發(fā)出具有高成形性能的稀土鎂合金；實(shí)現(xiàn)了高精度鎂合金板成卷軋制過(guò)程自動(dòng)化控制及精整、表面處理技術(shù)的開發(fā)，并完成了高精度鎂合金專用軋機(jī)機(jī)組及控制裝置的研發(fā)設(shè)計(jì)及應(yīng)用，在此基礎(chǔ)上研發(fā)出高性能稀土鎂合金薄板帶生產(chǎn)工藝技術(shù)。

2018年國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng) 電網(wǎng)是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈，架空輸電導(dǎo)線作為電力輸送的“血管”是電網(wǎng)中用量最大、最關(guān)鍵的組成部分之一。導(dǎo)線的導(dǎo)電率每提升1%IACS，全國(guó)每年節(jié)約線損超70億千瓦時(shí)。特高壓、遠(yuǎn)距離、大容量輸電和清潔能源利用的發(fā)展，對(duì)架空導(dǎo)線的導(dǎo)電率、強(qiáng)度、耐熱性能和疲勞性能提出了更高的要求。但提升導(dǎo)電率與同時(shí)提高強(qiáng)度和耐熱性之間存在矛盾，導(dǎo)致我國(guó)電網(wǎng)建設(shè)急需的特種導(dǎo)線難以滿足工程需求。上海交通大學(xué)孫寶德教授團(tuán)隊(duì)與江蘇中天科技集團(tuán)合作，經(jīng)十余年研究，取得以下創(chuàng)新性成果： 1.發(fā)明了耐熱高導(dǎo)Al-Zr-Y合金材料及微結(jié)構(gòu)調(diào)控工藝，解決了耐熱相粗大和溶質(zhì)鋯(Zr)原子析出不充分的難題，使導(dǎo)電率從60% IACS提高到60.8%IACS，耐熱溫度從150℃提高到210℃。研制的耐熱鋁合金導(dǎo)線電網(wǎng)改造工程中獲得大量應(yīng)用，占國(guó)內(nèi)耐熱導(dǎo)線40%市場(chǎng)份額； 2. 發(fā)明了高強(qiáng)抗疲勞Al-Mg-Si導(dǎo)線，解決了強(qiáng)化相調(diào)控和超細(xì)夾雜去除的難題，顯著提高了材料的抗疲勞性能，在運(yùn)行張力增大的條件下，振動(dòng)疲勞壽命超過(guò)3000萬(wàn)次。研制的特種大跨越導(dǎo)線和全鋁合金節(jié)能導(dǎo)線，占國(guó)內(nèi)30%市場(chǎng)份額，特別是大跨越導(dǎo)線，幾乎包攬了國(guó)家電網(wǎng)大跨越工程； 3. 發(fā)明了高效除氫、活性涂層陶瓷過(guò)濾和新型細(xì)化劑制備等導(dǎo)線冶金質(zhì)量控制技術(shù)，解決了微量雜質(zhì)元素與氣體去除的難題，實(shí)現(xiàn)了電工鋁導(dǎo)線的導(dǎo)電率從61%IACS提高到62.5%IACS以上，研制的新型節(jié)能導(dǎo)線在特高壓工程中獲得大量應(yīng)用。 上述成果依托國(guó)家973項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市節(jié)能減排專項(xiàng)等項(xiàng)目，共獲得19項(xiàng)中國(guó)發(fā)明專利，1項(xiàng)美國(guó)專利和25項(xiàng)實(shí)用新型專利，發(fā)表論文49篇。成果在特高壓電網(wǎng)建設(shè)、電網(wǎng)增容改造、新能源并網(wǎng)發(fā)電、電網(wǎng)領(lǐng)域節(jié)能減排中發(fā)揮重要的作用，并且出口到歐美及一帶一路沿線國(guó)家，海外累計(jì)架線超2萬(wàn)公里，打破國(guó)際壟斷，成為中國(guó)制造和中國(guó)電力走出去的“國(guó)家名片”。 導(dǎo)線性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)室 超細(xì)夾雜物去除-現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn) 加拿大奧爾茲灣跨海大跨越——世界拉力最大的輸電跨越工程 晉東南-南陽(yáng)-荊門 1000kV 黃河大跨越

項(xiàng)目成果/簡(jiǎn)介:2018年國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)電網(wǎng)是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈，架空輸電導(dǎo)線作為電力輸送的“血管”是電網(wǎng)中用量最大、最關(guān)鍵的組成部分之一。導(dǎo)線的導(dǎo)電率每提升1%IACS，全國(guó)每年節(jié)約線損超70億千瓦時(shí)。特高壓、遠(yuǎn)距離、大容量輸電和清潔能源利用的發(fā)展，對(duì)架空導(dǎo)線的導(dǎo)電率、強(qiáng)度、耐熱性能和疲勞性能提出了更高的要求。但提升導(dǎo)電率與同時(shí)提高強(qiáng)度和耐熱性之間存在矛盾，導(dǎo)致我國(guó)電網(wǎng)建設(shè)急需的特種導(dǎo)線難以滿足工程需求。上海交通大學(xué)孫寶德教授團(tuán)隊(duì)與江蘇中天科技集團(tuán)合作，經(jīng)十余年研究，取得以下創(chuàng)新性成果：1.發(fā)明了耐熱高導(dǎo)Al-Zr-Y合金材料及微結(jié)構(gòu)調(diào)控工藝，解決了耐熱相粗大和溶質(zhì)鋯(Zr)原子析出不充分的難題，使導(dǎo)電率從60% IACS提高到60.8%IACS，耐熱溫度從150℃提高到210℃。研制的耐熱鋁合金導(dǎo)線電網(wǎng)改造工程中獲得大量應(yīng)用，占國(guó)內(nèi)耐熱導(dǎo)線40%市場(chǎng)份額；2. 發(fā)明了高強(qiáng)抗疲勞Al-Mg-Si導(dǎo)線，解決了強(qiáng)化相調(diào)控和超細(xì)夾雜去除的難題，顯著提高了材料的抗疲勞性能，在運(yùn)行張力增大的條件下，振動(dòng)疲勞壽命超過(guò)3000萬(wàn)次。研制的特種大跨越導(dǎo)線和全鋁合金節(jié)能導(dǎo)線，占國(guó)內(nèi)30%市場(chǎng)份額，特別是大跨越導(dǎo)線，幾乎包攬了國(guó)家電網(wǎng)大跨越工程；3. 發(fā)明了高效除氫、活性涂層陶瓷過(guò)濾和新型細(xì)化劑制備等導(dǎo)線冶金質(zhì)量控制技術(shù)，解決了微量雜質(zhì)元素與氣體去除的難題，實(shí)現(xiàn)了電工鋁導(dǎo)線的導(dǎo)電率從61%IACS提高到62.5%IACS以上，研制的新型節(jié)能導(dǎo)線在特高壓工程中獲得大量應(yīng)用。上述成果依托國(guó)家973項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市節(jié)能減排專項(xiàng)等項(xiàng)目，共獲得19項(xiàng)中國(guó)發(fā)明專利，1項(xiàng)美國(guó)專利和25項(xiàng)實(shí)用新型專利，發(fā)表論文49篇。成果在特高壓電網(wǎng)建設(shè)、電網(wǎng)增容改造、新能源并網(wǎng)發(fā)電、電網(wǎng)領(lǐng)域節(jié)能減排中發(fā)揮重要的作用，并且出口到歐美及一帶一路沿線國(guó)家，海外累計(jì)架線超2萬(wàn)公里，打破國(guó)際壟斷，成為中國(guó)制造和中國(guó)電力走出去的“國(guó)家名片”。導(dǎo)線性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)室超細(xì)夾雜物去除-現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)加拿大奧爾茲灣跨海大跨越——世界拉力最大的輸電跨越工程晉東南-南陽(yáng)-荊門 1000kV 黃河大跨越知識(shí)產(chǎn)權(quán)類型:發(fā)明專利技術(shù)先進(jìn)程度:達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平成果獲得方式:與企業(yè)合作獲得政府支持情況:國(guó)家級(jí)計(jì)劃/專項(xiàng)類別:國(guó)家973項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市節(jié)能減排專項(xiàng)等

“高性能稀土鎂合金薄板帶生產(chǎn)技術(shù)”項(xiàng)目是以北京市科委經(jīng)費(fèi)支持為起源、以國(guó)家“十二? 五”科技支撐計(jì)劃為發(fā)展，以北京科技大學(xué)與美國(guó)波音公司國(guó)際合作開發(fā)高性能稀土鎂合金等為基礎(chǔ)，逐步形成的一項(xiàng)特色科技成果。通過(guò)系統(tǒng)地研究鑄軋、擠壓板坯熱軋、鑄錠熱軋和熱處理過(guò)程中鎂合金組織演變機(jī)理與性能控制技術(shù)等，研發(fā)出具有高成形性能的稀土鎂合金；實(shí)現(xiàn)了高精度鎂合金板成卷軋制過(guò)程自動(dòng)化控制及精整、表面處理技術(shù)的開發(fā)，并完成了高精度鎂合金專用軋機(jī)機(jī)組及控制裝置的研發(fā)設(shè)計(jì)及應(yīng)用，在此基礎(chǔ)上研發(fā)出高性能稀土鎂合金薄板帶生產(chǎn)工藝技術(shù)。

本項(xiàng)目在高性能鎂合金以及鎂基復(fù)合材料的制備和成型工藝、變形行為、微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、阻尼特性、摩擦磨損行為、機(jī)械加工、表面處理等方面開展了大量的系統(tǒng)研究，開發(fā)了輕質(zhì)、高比強(qiáng)、高比剛并同時(shí)具有高阻尼的新型鎂合金及鎂基復(fù)合材料。這些新型鎂合金及其復(fù)合材料具有廣泛的應(yīng)用前景。

根據(jù)強(qiáng)化手段的不同, 高強(qiáng)化銅合金可分為兩類: 沉淀強(qiáng)化銅合金和彌散強(qiáng)化銅合金。沉淀強(qiáng)化銅合金是利用過(guò)飽和固溶體的脫溶沉淀, 通過(guò)時(shí)效熱處理, 達(dá)到強(qiáng)化效果。但沉淀析出相在高溫下會(huì)聚集長(zhǎng)大或重新固溶于基體中, 隨著強(qiáng)化相的消失, 沉淀強(qiáng)化作用也隨之消失, 從而限制了這類銅合金的使用溫度和應(yīng)用范圍。目前被大量使用的鉻鋯銅合金就屬于這一類, 其表現(xiàn)為導(dǎo)電、導(dǎo)熱性損失較大，軟化溫度低(僅為500℃) 等。因此,鉻鋯銅合金在做點(diǎn)焊電極材料使用時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)變形、粘附、使用壽命不長(zhǎng)及熔敷現(xiàn)象, 頻繁的整修和更換電極嚴(yán)重影響了工作效率的提高。彌散強(qiáng)化銅合金則是通過(guò)在金屬基體中引入高度分散的熱穩(wěn)定性強(qiáng)的第二相質(zhì)點(diǎn)，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到提高強(qiáng)度的目的。而Al2O3粒子硬度高, 熱力學(xué)和化學(xué)穩(wěn)定性高，熔點(diǎn)高，在接近銅基體熔點(diǎn)的溫度下也不會(huì)明顯粗化，可以有效提高合金的高溫強(qiáng)度和硬度。因此，Al2O3彌散強(qiáng)化銅合金可以用在電阻焊電極、集成電路引線框架、微波管結(jié)構(gòu)導(dǎo)電材料、高速列車架空導(dǎo)線、熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆、連鑄結(jié)晶器等方面。本研究開發(fā)的Al2O3彌散強(qiáng)化銅合金在保證傳統(tǒng)工藝內(nèi)氧化、還原徹底性和燒結(jié)致密性的前提下簡(jiǎn)化了工藝過(guò)程降低了生產(chǎn)成本。 主要性能指標(biāo) 1.抗拉強(qiáng)度σb：420～560MPa； 2.延伸率：12～20%； 3.導(dǎo)電率：78～85%IACS； 4.軟化溫度：900℃； 5.導(dǎo)熱率：320～340W/ m·K； 6.電阻焊電極使用壽命為傳統(tǒng)Cr-Zr-Cu合金的3倍以上

當(dāng)金屬材料內(nèi)部的晶粒尺寸減小至納米尺度，材料的強(qiáng)度將依Hall-Petch關(guān)系大幅度提高。但當(dāng)納米晶金屬塑性變形時(shí),位錯(cuò)變得極難在如此小的晶粒內(nèi)部保留下來(lái)，導(dǎo)致材料喪失應(yīng)變硬化能力，很容易發(fā)生塑性變形局域化而失穩(wěn)。

根據(jù)強(qiáng)化手段的不同，高強(qiáng)化銅合金可分為兩類: 沉淀強(qiáng)化銅合金和彌散強(qiáng)化銅合金。沉淀強(qiáng)化銅合金是利用過(guò)飽和固溶體的脫溶沉淀，通過(guò)時(shí)效熱處理，達(dá)到強(qiáng)化效果。但沉淀析出相在高溫下會(huì)聚集長(zhǎng)大或重新固溶于基體中，隨著強(qiáng)化相的消失，沉淀強(qiáng)化作用也隨之消失，從而限制了這類銅合金的使用溫度和應(yīng)用范圍。目前被大量使用的鉻鋯銅合金就屬于這一類，其表現(xiàn)為導(dǎo)電、導(dǎo)熱性損失較大，軟化溫度低(僅為500℃) 等。因此，鉻鋯銅合金在做點(diǎn)焊電極材料使用時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)變形、粘附、使用壽命不長(zhǎng)及熔敷現(xiàn)象，頻繁的整修和更換電極嚴(yán)重影響了工作效率的提高。彌散強(qiáng)化銅合金則是通過(guò)在金屬基體中引入高度分散的熱穩(wěn)定性強(qiáng)的第二相質(zhì)點(diǎn)，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到提高強(qiáng)度的目的。而Al2O3粒子硬度高，熱力學(xué)和化學(xué)穩(wěn)定性高，熔點(diǎn)高，在接近銅基體熔點(diǎn)的溫度下也不會(huì)明顯粗化，可以有效提高合金的高溫強(qiáng)度和硬度。因此，Al2O3彌散強(qiáng)化銅合金可以用在電阻焊電極、集成電路引線框架、微波管結(jié)構(gòu)導(dǎo)電材料、高速列車架空導(dǎo)線、熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆、連鑄結(jié)晶器等方面。本研究開發(fā)的Al2O3彌散強(qiáng)化銅合金在保證傳統(tǒng)工藝內(nèi)氧化、還原徹底性和燒結(jié)致密性的前提下簡(jiǎn)化了工藝過(guò)程降低了生產(chǎn)成本。

衛(wèi)星在軌運(yùn)行和返回過(guò)程中需經(jīng)歷極端高低溫環(huán)境，構(gòu)件尺寸的穩(wěn)定是保證衛(wèi)星在軌高精度、返回高安全、任務(wù)高可靠的關(guān)鍵。針對(duì)衛(wèi)星搭載的某寬帶微波載荷與衛(wèi)星本體材料之間熱膨脹系數(shù)不匹配極易導(dǎo)致的載荷在軌及返回過(guò)程中載荷接收精度不穩(wěn)定、信息傳輸不連續(xù)等問題。我校陳駿教授團(tuán)隊(duì)以原創(chuàng)的負(fù)熱膨脹技術(shù)研發(fā)了具有輕質(zhì)、熱膨脹系數(shù)低、力學(xué)性能優(yōu)異、尺寸穩(wěn)定性好的高性能低膨脹鋁基復(fù)合材料，并研制了系列關(guān)鍵連接內(nèi)置件、環(huán)件等高性能低膨脹構(gòu)件，首次將負(fù)熱膨脹技術(shù)應(yīng)用到我國(guó)的衛(wèi)星上，填補(bǔ)了高性能低膨脹金屬構(gòu)件在工程應(yīng)用領(lǐng)域的空白。該技術(shù)使得某寬帶微波載荷與衛(wèi)星本體之間熱膨脹匹配性增強(qiáng)、界面應(yīng)力大幅度減小，保證了衛(wèi)星在軌與返回過(guò)程中信號(hào)高精度傳輸與接收，助力衛(wèi)星成功返回。 圖1 實(shí)踐十九號(hào)衛(wèi)星成功返回（圖片來(lái)源國(guó)家航天局） 圖2 高性能低膨脹鋁基復(fù)合材料及構(gòu)件應(yīng)用于全球首顆可重復(fù)使用返回式技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星（圖片來(lái)源央視新聞?lì)l道）