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北京工業(yè)大學(xué)在國家 973、863 計(jì)劃等支持下，發(fā)現(xiàn)添加鉺元素（Er）可增加鋁合金的強(qiáng)韌性和耐熱性，提高耐腐蝕性能和焊接性能；含鉺鋁合金應(yīng)用意義：良好的耐蝕性、可焊性、成型性等工藝  應(yīng)用性能，在此基礎(chǔ)上發(fā)展靜載荷強(qiáng)度（拉伸性能）、抗沖擊、抗疲勞及高損傷容限等綜合力學(xué)性能； 滿足輕質(zhì)高效、安全性、長壽命和低成本等應(yīng)用需求。

鎂合金是作為一種輕質(zhì)金屬結(jié)構(gòu)材料，具有密度低、比強(qiáng)度和比剛度高、阻尼性能好、電磁屏蔽效果好、鑄造性能優(yōu)良和加工性能好的優(yōu)點(diǎn)，獲得了廣泛的應(yīng)用前景。在鎂合金產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用過程中，稀土往往作為制備過程中的優(yōu)化劑來改善合金的熔體純凈度、晶粒細(xì)化度及產(chǎn)品外觀質(zhì)量，同時(shí)可大幅度提升合金的強(qiáng)度與延伸率。但是目前普遍使用的稀土鎂合金強(qiáng)度低導(dǎo)熱性能差，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。因此，開發(fā)具有高導(dǎo)熱性、高強(qiáng)度的鎂合金對于擴(kuò)大鎂合金在 5G 通信、3C 器件及汽車產(chǎn)品等需要高散熱領(lǐng)域的應(yīng)用，具有極其重要的意義。 高導(dǎo)熱高強(qiáng)度鎂合金是在一定配比的 Mg-Zn-Zr 系列合金中添加 Nd 稀土金屬，Nd 的添加可以改善合金的熔體純凈度、晶粒細(xì)化度及產(chǎn)品外觀質(zhì)量，并有效析出基體中的 Zn和 Zr 原子，有效提升合金的導(dǎo)熱性能和力學(xué)強(qiáng)度。鎂合金的導(dǎo)熱性能可以通過導(dǎo)熱率來體現(xiàn)，力學(xué)性能可以通過抗拉強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度體現(xiàn)。高的導(dǎo)熱性能可以保證合金在散熱器件領(lǐng)域的熱導(dǎo)性能指標(biāo)，使器件可以具有較快的熱量傳輸能力，使設(shè)備內(nèi)部熱量及時(shí)排出;高的力學(xué)強(qiáng)度可以保證合金作為結(jié)構(gòu)件的力學(xué)性能指標(biāo)，使其作為結(jié)構(gòu)件更為可靠。相較于傳統(tǒng)鎂合金，團(tuán)隊(duì)通過添加 Nd 稀土元素可以有效提升鎂合金的導(dǎo)熱性能和力學(xué)強(qiáng)度，Nd 一般分布于晶界，可以弱化鎂合金的織構(gòu)，提升鎂合金各晶粒之間的協(xié)調(diào)能力:而且 Nd 在鎂合金成型過程中可以與 Zn 原子結(jié)合形成熱穩(wěn)定的第二相，促進(jìn)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶提升鎂合金的強(qiáng)度:此外，Nd 元素的添加會(huì)與基體中的 Zn 元素結(jié)合，減弱基體中的晶格畸變，提升鎂合金的熱導(dǎo)率。

團(tuán)隊(duì)研究開發(fā)了醫(yī)用鈦合金表面處理新工藝，包括微弧氧化法制備含鈣磷涂層和電化學(xué)沉積法制備羥基磷灰石涂層。其中微弧氧化法制備的鈦合金醫(yī)用涂層 中鈣磷總含量超過 20 at. %，Ca/P 接近 1.67，涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度超過 50 MPa， 涂層性能遠(yuǎn)超高目前臨床應(yīng)用 HA 涂層與基

技術(shù)背景： 針對鎂合金耐熱性低的問題，在JDM2基礎(chǔ)上，利用高熱穩(wěn)定 性的“LPSO+析出相”核心單元+晶界彌散相的復(fù)合強(qiáng)化 ， 發(fā)明 了高溫強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、抗蠕變、耐磨性優(yōu)良的JDM3合金。 技術(shù)水平：工作溫度首次達(dá)到300 ℃以上（>0.5Tm），抗拉強(qiáng)度保持 300MPa；綜合性能超過AC8A鋁合金。獲發(fā)明專利3項(xiàng)，獲2007年上海市技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)應(yīng)用領(lǐng)域： 航空、航天關(guān)鍵裝備

技術(shù)背景： 通過添加稀土與鈣等表面活性元素，改變表面氧化層的生長動(dòng) 力學(xué)和化學(xué)組成，在鎂合金表面形成復(fù)合致密氧化膜結(jié)構(gòu)，提 高熔體燃點(diǎn)。發(fā)明的JDZM鎂合金，實(shí)現(xiàn)了鎂合金無保護(hù)熔煉 與生產(chǎn)。 技術(shù)水平：創(chuàng)新的鎂合金燃點(diǎn)測試、氧化熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)計(jì)算、氧化膜結(jié) 構(gòu)分析等方法以及建立的阻燃鎂合金氧化模型被國內(nèi)外學(xué)者在 隨后的研究中廣泛借鑒，單篇論文引用次數(shù)超過100次； 實(shí)現(xiàn)鎂合金熔煉、加工無需保護(hù)，阻燃溫度達(dá)935℃； 研究成果獲2003年國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。 應(yīng)用領(lǐng)域：3C產(chǎn)品構(gòu)件 ? 汽車方向盤骨架 ? 汽車變速箱等輕質(zhì)壓鑄件

針對鎂合金耐熱性低的問題，在JDM2基礎(chǔ)上，利用高熱穩(wěn)定性的“LPSO+析出相”核心單元+晶界彌散相的復(fù)合強(qiáng)化，發(fā)明了高溫強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、抗蠕變、耐磨性優(yōu)良的JDM3合金。工作溫度首次達(dá)到300℃以上（＞0.5Tm）抗拉強(qiáng)度保持300Mpa；綜合性能超過AC8A鋁合金。

鎂合金是迄今為止在工程中應(yīng)用的最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料。它除了具有低密度、高比剛度和比強(qiáng)度之外，還具有優(yōu)良的阻尼減震性能，高的熱導(dǎo)率，優(yōu)良的電磁屏蔽和機(jī)械加工性能，被譽(yù)為“ 21 世紀(jì)綠色輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料”。目前，鎂合金產(chǎn)品的成型方式主要是鑄造，尤其是以壓鑄件為主導(dǎo)。但因鑄造產(chǎn)品存在難以克服的疏松及縮孔等缺陷，使得鎂合金的應(yīng)用受到限制。而變形鎂合金則具有很大的技術(shù)優(yōu)勢，具有制造薄壁輕質(zhì)結(jié)構(gòu)件的巨大潛力。如何開發(fā)出高附加值的鎂合金變形型材已成為鎂合金領(lǐng)域的重要發(fā)展方向之一。然而，阻礙變形鎂合金大規(guī)

成果與項(xiàng)目的背景及主要用途：統(tǒng)計(jì)資料表明，80-90%焊接結(jié)構(gòu)斷裂事故 是由疲勞失效引起的，由于焊接接頭的焊趾處的應(yīng)力集中和殘余拉伸應(yīng)力作用， 焊接接頭疲勞強(qiáng)度大幅度地低于基本金屬的疲勞強(qiáng)度。雖然結(jié)構(gòu)按疲勞規(guī)范設(shè) 計(jì)，仍然發(fā)生一些整體結(jié)構(gòu)的過早疲勞失效，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至是人 身傷亡事故。由于焊接接頭焊趾是疲勞裂紋引發(fā)部位，如果對該部位實(shí)施適當(dāng) 的處理，使殘余拉伸應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s應(yīng)力和減少應(yīng)力集中，這將有利于延緩疲 勞裂紋的產(chǎn)生，具有巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。本項(xiàng)目是在國家自然科學(xué)基 金的支持下完成的，從超聲波沖擊、相變應(yīng)力應(yīng)用、等離子噴涂等三方面提出 了三種改善焊接結(jié)構(gòu)疲勞性能的新技術(shù)，研制發(fā)明了相應(yīng)的裝置、焊接材料和 噴涂技術(shù)。這些方法可以方便地應(yīng)用到橋梁、采油平臺(tái)、船舶、飛機(jī)、機(jī)車車 輛、壓力容器及管道等工況、野外施工和高空現(xiàn)場作業(yè)的場合，其應(yīng)用前景是 十分樂觀。 技術(shù)原理與工藝流程簡介：天津大學(xué)科技成果選編 1）超聲沖擊方法改善焊接結(jié)構(gòu)疲勞性能的基本工作原理為：通過超聲波發(fā) 生器將電網(wǎng)上的工頻交流電轉(zhuǎn)換成超聲頻的交流電，用以激勵(lì)聲學(xué)系統(tǒng)的換能器。 換能器將電能轉(zhuǎn)換成同樣頻率的機(jī)械振動(dòng)，在機(jī)架所提供的一定壓力作用下，將 該超聲頻的機(jī)械振動(dòng)傳遞給工件上的焊縫，使以焊趾為中心的一定區(qū)域內(nèi)焊接接 頭表面產(chǎn)生足夠厚度的塑性變形層，從而達(dá)到改善接頭幾何外形，降低應(yīng)力集中 程度、調(diào)節(jié)其應(yīng)力場沿厚度方向的分布狀況，最終達(dá)到改善焊接接頭疲勞強(qiáng)度的 目的。 2）相變應(yīng)力應(yīng)用改善焊接結(jié)構(gòu)疲勞性能的基本工作原理：利用開發(fā)的相變 應(yīng)力焊接材料使焊縫金屬冷卻中產(chǎn)生的相變應(yīng)力，抵消焊接殘余拉伸應(yīng)力并獲得 壓縮應(yīng)力，最終達(dá)到改善焊接接頭疲勞強(qiáng)度的目的。 3）等離子噴涂改善焊接結(jié)構(gòu)疲勞性能的基本工作原理：利用等離子在焊趾 部位噴上結(jié)合性能良好的涂層材料來改善接頭的應(yīng)力集中狀態(tài)，最終達(dá)到改善焊 接接頭疲勞強(qiáng)度的目的。 技術(shù)水平及專利與獲獎(jiǎng)情況：整體研究達(dá)國際先進(jìn)水平；已獲國家發(fā)明專利 3 項(xiàng)，在申請國家發(fā)明專利 5 項(xiàng)；2004 年度天津市自然科學(xué)一等獎(jiǎng)，2002 年獲 教育部發(fā)明二等獎(jiǎng)。 應(yīng)用前景分析及效益預(yù)測：接頭焊趾及焊跟部位是焊接結(jié)構(gòu)承受疲勞載荷的 薄弱環(huán)節(jié)，改善焊趾和焊根部位的疲勞性能將提高整個(gè)結(jié)構(gòu)的疲勞性能。使用超 聲波沖擊、相變應(yīng)力及等離子噴涂等這些新技術(shù)可以大幅度地改善焊接結(jié)構(gòu)的疲 勞壽命，顯著降低焊接結(jié)構(gòu)破壞事故的發(fā)生幾率, 進(jìn)而節(jié)約焊接結(jié)構(gòu)的用鋼量和 資金，增加焊接結(jié)構(gòu)的安全裕度，防止因焊接結(jié)構(gòu)發(fā)生意外疲勞破壞事故給國家 和人民財(cái)產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)損失，因此具有廣闊的應(yīng)用前景及產(chǎn)生巨大社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效 益的可能。 應(yīng)用領(lǐng)域：可以應(yīng)用到橋梁、采油平臺(tái)、船舶、飛機(jī)、機(jī)車車輛、壓力容器 及管道、水輪機(jī)、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、汽車制造等諸多領(lǐng)域。 

本項(xiàng)目涉及的是一種與大線能量焊接用鋼相配套的專用藥芯焊絲。近年，隨著構(gòu)件的大型化和大跨度化，為提高焊接施工效率和降低生產(chǎn)成本，諸如自動(dòng)氣電立焊、埋弧焊、電渣焊等大線能量焊接方法已相繼在造船、建筑、橋梁、石油化工、海洋結(jié)構(gòu)等制造領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。 例如，在船舶制造中，焊接工時(shí)約占總工時(shí)的40%，焊接成本約占船舶制造成本的17%，日本造船行業(yè)從90年代初開始應(yīng)用大線能量焊接技術(shù)后，焊接效率較傳統(tǒng)的多道次焊接提高近10倍，但是在大線能量焊接條件下，焊接接頭處的溫度升高、受熱時(shí)間增長，導(dǎo)致焊縫及熱影響區(qū)(HAZ) 晶粒組織粗化，會(huì)使力學(xué)性能尤其是沖擊韌性變差，為解決此問題，日本在20年前就已采用氧化物冶金新技術(shù)研究開發(fā)成功能夠承受400kJ/cm以上熱輸入的大線能量焊接造船鋼板，40至100mm厚度的鋼板可實(shí)現(xiàn)一道次焊接成形，使造船成本顯著降低、船舶建造周期大幅度縮短，但日本各鋼鐵公司對這項(xiàng)技術(shù)嚴(yán)格保密從不披露其工藝細(xì)節(jié)。在此背景下，國內(nèi)鋼鐵企業(yè)和科研院校相繼開展了大線能量焊接專用鋼的研究開發(fā)，其中，東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室同國內(nèi)鋼鐵企業(yè)合作已經(jīng)工業(yè)試制成功線能量大于400kJ/cm的 戰(zhàn)略石油儲(chǔ)罐用鋼（該項(xiàng)成果2013年獲冶金科學(xué)技術(shù)二等獎(jiǎng)）和EH40、EH36級(jí)船板用鋼，但是與這些大線能量焊接用鋼相配套的國產(chǎn)焊接材料此前鮮有研究開發(fā)和實(shí)際應(yīng)用業(yè)績報(bào)道，目前國內(nèi)市場所需的100-300kJ/cm 大線能量焊接專用藥芯焊絲幾乎全部從日本高價(jià)進(jìn)口，而能夠承受400kJ/cm以上線能量的高端藥芯焊絲日方處于某種戰(zhàn)略考量至今拒絕出口中國市場，為了改變這種長期受制于人的被動(dòng)局面，東北大學(xué)RAL國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基于前期大線能量焊接用鋼研發(fā)的技術(shù)基礎(chǔ)，近期已試制成功直徑1.0-1.6mm、焊接線能量100-500kJ/cm、適于氣電立焊的大線能量焊接專用藥芯焊絲，藥芯焊絲在線能量200～425kJ/cm的較大范圍內(nèi)，各項(xiàng)力學(xué)性能均能滿足目前國內(nèi)常用船板的大線能量焊接要求，同樣有望滿足儲(chǔ)油罐鋼板的大線能量焊接要求。該焊絲除有望替代進(jìn)口、滿足國內(nèi)造船企業(yè)和國家戰(zhàn)略石油儲(chǔ)備庫建設(shè)的大量需求外，還有望在海洋工程、石油化工、高層建筑和橋梁建造等眾多領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用。