一、项目名称-科学技术研究院-南京理工大学

一、项目名称

基于熔体结构调控的纳米晶种材料研制与应用关键技术

二、申报奖种

技术发明奖

三、提名单位

山东省

四、提名意见

单位认真审阅了该项目推荐书及其附件材料，确认全部材料真实有效，相关栏目均符合填写要求。按照要求，项目完成人工作单位对该项目的拟推荐情况进行公示。

该项目针对轻质合金材料在交通运输、国防军工和航空航天等制造业轻量化发展急需和技术瓶颈，以多相熔体团簇演变与微观反应机制为突破口，发明了Al-P系、Al-Ti-C-B-N系和Al-B-C-N系纳米晶种材料及纳米晶种技术，并研制了以耐热高性能铝合金为代表的超高性能轻质新材料。以发明成果为技术依托，从无到有自主孵化一家新材料企业，并认定为高新技术企业。发明产品在15个国家和地区获得应用。项目共授权国家发明专利22项，出版专著1部，参与制定国家标准3项，获山东省技术发明一等奖1项。该项目突破了铝材高温强化技术瓶颈，提升了我国铝合金新材料自主创新能力，推进了铝合金行业节能减排、绿色制造和转型升级。

该项目完成人政治立场坚定，工作踏实，积极地将科研成果转化为生产力，服务经济发展，为各高校、科研机构和企业输送了急需的高技术人才。鉴于项目完成人及团队长期以来在所属领域的重要贡献，2016年被授予山东省首届“科技领军人才创新工作室”。

对照国家科学技术奖授奖条件，提名该项目为国家技术发明奖二等奖。

五、项目简介

交通运输、国防军工和航空航天业对轻量化和节能减排提出了越来越紧迫的需求，以高性能铝合金为代表的高端轻质合金新材料成为支撑行业发展的战略基础。但熔铸过程不可控、生产环境不友好、产品质量不稳定和服役过程不耐热等关键共性难题尚未得到根本解决，制约我国轻质合金材料产业结构由中低端向中高端迈进，也与国家新材料产业高质量发展和生态文明建设要求相距甚远。

本项目以多相熔体原子团簇调控为突破口，发明了纳米晶种材料及其应用技术；通过纳米晶种诱导和原位构筑耐热相三维构型，设计并研制出耐热高强铝合金新材料，突破了以合金成分设计调控耐热相的传统思路，满足了轻量化发展及其绿色制造的紧迫需求。在国家及省部级项目支持下，历经十余年系统研究，形成以下技术发明：

(1) 发明了Al-P系纳米晶种材料及其制备工艺与关键技术。

基于铝熔体中Al6P原子团簇的演变机制与强吸附效应，提出了“团簇溶磷”和“粒子固磷”的材料合成新原理，研发了无氧“气溶输磷”高低温双联炉工艺装备；攻克了磷在铝及硅熔体中易燃烧、易蒸发和难溶解的理论与技术难题，发明了Al-P系及Si-P系纳米晶种材料及其制备关键技术；实现了高硅及超高硅Al-Si多元系合金熔铸过程可控、产品质量稳定、生产环境友好的目标。

(2) 发明了掺杂型纳米晶种材料及其原位合成与同步掺杂工艺。

针对轻合金熔体中TiC x结构失稳和Al3BC/AlN/Al4C3形核活性低的难题，提出了前驱团簇演变与原子空位同步掺杂的TiC x/Al3BC/AlN/Al4C3纳米晶种原位合成工艺；发明了B/N掺杂型Al-Ti-C-B-N系和Al-B-C-N系纳米晶种材料，提出了熔体处理新工艺。掺杂型晶种作为Al-P系纳米晶种材料的固磷剂，不仅有效调控AlP晶种的尺度与分布，而且为耐热高性能及高强高韧铝合金的设计奠定了基础；解决了Al-Cu系合金轮毂浇不足、热裂等缺陷；提升了高强Al-Zn系合金铸件韧性80%以上，纺织机用铝织轴实现了以铸代锻。

(3) 建立了纳米晶种技术体系，研制出耐热高性能铝合金新材料。

基于系列纳米晶种材料，提出了纳米晶种材料的应用技术，建立了纳米晶种技术体系，包括：①纳米晶种诱导耐热相骨架构筑的高温强化技术；②纳米晶种原位构型构筑与调控技术；③掺杂型纳米晶种界面共格及半共格强韧化技术。基于纳米晶种技术，研制出耐热高性能铝合金新材料，包括：①AlP-AlN诱导型耐热耐磨铝合金；②纳米AlN三维网骨架强化型耐热高强铝合金，其350℃抗拉强度达217MPa（是传统耐热铝合金的2.5倍以上）；③纳米Al3BC弥散强化型耐热高模量铝合金，其弹性模量达174GPa（是传统铝合金的2倍以上）。

以该发明成果为技术依托，从无到有自主孵化一家新材料企业，并被认定为高新技术企业。本发明在15个国家获得推广应用。授权国家发明专利22项，出版专著2部，参与制定国家标准3项，获山东省技术发明一等奖1项。

六、客观评价

1. 科学技术成果鉴定

(1) 2013年10月25日，“弥散型晶种合金系列产品开发与轻合金熔体应用技术”科技成果鉴定：项目发明产品（P-Si、Al-P、Al-Ti-C-B-N、Al-B-C等弥散型晶种合金）已在国内外实现工业化应用，提高了铝、镁合金等产品的性能，经济和社会效益显著，项目总体技术达到国际先进水平。

(2) 2008年12月21日，“Al-Si-P中间合金的研制及其在Al-Si合金中的应用”科技成果鉴定：Al-Si-P中间合金及其制备工艺属国内外首创，显著改善（过）共晶Al-Si合金力学性能，环境友好，应用效果达国际先进水平。

(3) 2003年8月15日，“高效Al-P中间合金及其变质处理”科技成果鉴定：研制的高效Al-P中间合金及其生产工艺属国内外首创，对共晶及过共晶Al-Si合金具有高效变质作用，彻底解决了变质过程中的环境污染问题。

2. 第三方检测报告

(1) 国家有色金属及电子材料分析测试中心：测试本发明的晶种诱导技术制备的Al-Si-Cu-Mg-Ni-SiC活塞合金及纳米AlN三维网骨架强化型耐热高强铝合金的高温性能，与德国马勒活塞铝合金对比见表1。

表1 本项目发明耐热铝合金与德国马勒集团活塞铝合金高温强度对比

材料350℃σb/MPa 500℃σb/MPa M142，M1425，M174+（德国马勒集团）①45-65 —

Al-Si-Cu-Mg-Ni-1.5SiC活塞合金（本项目）100 —

16.4AlN/Al三维网骨架强化型铝合金（本项目）217 96

①数据来源：Table 4.2 of Pistons and engine，2nd Edition, MAHLE GmbH, Springer Vieweg, Wiesbaden, 2016.

(2) 国家有色金属及电子材料分析测试中心：添加0.5%Al-12Si-4.5P晶种合金的Al-25Si合金室温σb提升63.9%，Al-20Si-3Cu-2Ni-1Mg活塞合金σb提升33.0%；利用掺杂型纳米Al-Ti-C-B-N系晶种合金对2024合金进行强韧化处理，其δ提高51.3%，室温σb提高28.4%。

(3) Korea Smart Corporation（韩国）：对比Al-P晶种合金与Cu-P对A390合金的变质效果：①加入Al-P 晶种合金35 min后磷含量即可达标，磷吸收率达到95%；②Al-P可使初晶硅细化至40.4 μm，而Cu-P为73.3 μm，说明Al-P晶种合金变质效果远优于Cu-P。

(4) 台湾大同大学：应用Al-P晶种合金对Al-18Si合金进行变质处理，P添加量为80ppm时，初晶Si尺寸可由80μm以上细化至25μm以下，8h内不发生衰退。

3.评价意见

(1) 德国Erlangen-Nurnberg University在论文“Adv. Mater. 36（2005）”指出：有关Al4C3相及其复合材料的合成和应用方面的报道较少，文献（本项目组发表文章Mater. Lett. 58(2004):1282）研究了Al4C3相的形成、稳定性及其性质。

(2) 英国Brunel University在论文“Scripta Mater.52(2005): 415-419”指出：文献（本项目组发表文章Mater. Lett. 58(2004):1282）研究表明，Al-Al4C3-SiC中间合金晶粒显著细化AZ31和AZ61合金组织，该中间合金是通过SiC与铝熔体的相互作用制备的，本文作者也证明了其可行性。

(3) 印度V. V. K. Narayan Prabhu在论文“Trans. Indian Inst. Met. 67(2014)