《高强韧新型锆合金设计、制备及其在空间活动构件上的应用》

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空间活动构件要在低温、交变温度、辐照、磨损和冷焊等苛刻条件下运行,其寿命与精度是航天器在轨长期服役的关键环节之一。主要使用的合金钢难以轻量化、空间动力消耗大、交变温度下机构精度低、寿命不够长,难以满足航天技术发展对活动构件的要求,迫切需要开发具有更好空间适用性的新材料。锆及锆合金具有抗辐照、抗腐蚀、结构与尺寸稳定等特点,具有作为空间飞行器活动构件材料使用的发展潜力,但要实现其在空间活动构件上的应用,需解决强韧化及制备等难题。该项目在“973”、“863”计划、国家杰出青年基金、国家自然基金重点项目等资助下,提出利用锆合金制备空间活动构件的全新学术思路,设计并开发了非晶态和晶态的系列高强韧新型锆合金,发明了介质相变致冷调控熔体冷却速度的高性能构件制备新技术及解决空间冷焊、提高抗磨性的新方法,制备出分离机构卡环、光学机构轴承、传动齿轮等9个系列的多种关键活动件,实现了在空间机构上的应用。主要发明点:1.提出合金熔体在熔点附近的粘度是决定非晶形成直接原因的学术观点,阐明了稀土元素抑制杂质引发结晶的作用规律,设计并开发了不含有毒元素铍且可使用工业海绵锆制备的锆基非晶合金。其比强度是常用合金钢的2.4倍,整体硬度HRC60以上,特别适用于冲击载荷较小、对耐磨性要求较高的使用工况。2.创建了锆合金无序固溶体计算模型,提出了双韧性相材料强度计算方法,设计并开发了具有优异空间适应性的高强韧晶态锆合金。其比强度是合金钢的2.1倍,拉伸塑性8%,表面处理后硬度HRC62,特别适用于有冲击载荷或应力较大的使用工况。3.发明了介质相变致冷调控熔体冷却速度的高性能构件制备新技术,使合金熔体初期冷却速度减慢了1个量级,而后期冷却速度义提高了1个量级以上,实现了先慢后快的理想冷却过程,解决了铸造过程中流动性与快速冷却相矛盾的技术难题。构件材料的综合力学性能优于传统的铸态和锻态。4.发明了非晶合金与MoS<,2>共沉积的薄膜制备方法,解决了活动构件的空间冷焊问题,同时又提高了其抗磨和固体润滑性能,大幅度提高了服役寿命。申请国家发明专利28项,已授权17项;在《PhysRev.B》、《ApplPhysLett》等期刊发表SCI论文78篇,SCI他引320次;专著2部;国际会议邀请报告12次。原国际相变委员会主席J.M.Howe在《Science》论文中评价说“研究者发现远离平衡条件下熔体凝固具有制备全新性能亚稳相的潜力,为铸造凝固工艺研究拓宽了范围”;锆合金空间轴承方面的论文被SCI文章评述和引用40余次。该项目成果已成功应用于东方红卫星公司的空间分离机构和航天508所的空间光学机构,被载入航天操作机构第二期任务和GASCAN-435选用,不仅使机构寿命、精度大幅提高,还使密度降低30%,仅此一项就创造了显著的社会经济效益。原探月计划应用系统总设计师姜景山院士为主任的鉴定委员会认为“成果综合评价达到了国际领先水平”。所开发的新材料与制备成套技术也成功推广应用于环境和化工等行业,新增产值23360万元,发展前景广阔,潜在社会经挤效益显著。获2008年中国材料研究学会科学技术奖一等奖。

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