浙江大学材料学院张泽

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2019年5月26-27日，由浙江大学张泽院士负责的国家重大科研仪器研制项目（部门推荐）“针对若干国家战略需求材料使役条件下性能与显微结构间关系的原位研究系统”（项目批准号：11327901，以下简称“重大仪器项目”）结题验收会在浙江杭州召开。仪器信息网进行了全程报道。


该重大仪器项目由浙江大学牵头，北京工业大学、中科院金属研究所、东南大学等4家单位共同承担。验收会由国家自然科学基金委员会（以下简称“自然科学基金委”）数学物理科学部常务副主任董国轩主持。自然科学基金委计划局、财务局、数学物理科学部相关人员，浙江大学副校长严建华出席会议。参加会议的技术测试专家有：韩杰才院士、俞大鹏院士、张国庆研究员、陈江华教授、罗胜年教授、申德振研究员、冯强教授等。


高温、高应力载荷等苛刻使役条件下材料性能与结构动态研究，是国家发展战略性结构材料的瓶颈性基础难题，严重制约着关乎国防安全的先进航空发动机镍基单晶高温合金、钛合金等关键材料的发展。针对这些材料制备、加工、使役过程中力学性能与结构间关系的关键科学问题，该重大仪器项目拟研制开发一套在使役条件下从室温至1150℃高温、同时施加137MPa以上载荷，跨宏观-微观-原子尺度的结构与材料性能间关系的一体化动态研究系统。其目标即将常规力学实验引入到显微平台实现原位、高温、跨尺度，从而填补我国在先进高温合金、高性能钛合金等材料力学性能与显微结构间关系研究领域原位测试分析方法的空白。


该重大仪器项目主要包含基于扫描电子显微镜的微观尺度高温力学原位研究系统和基于透射电子显微镜的原子点阵分辨高温力学原位研究系统两部分仪器开发。张泽院士分别从这两个方面，介绍了该项目团队历经5年时间，取得的一些先进性成果及创新应用。


微观尺度高温力学原位研究系统方面，目前，国际上还没有一款能够在扫描电子显微镜中对样品进行同时原位加载（0-2000N）和加热（室温-1200℃），又能对样品进行显微结构分析的科研仪器。该重大仪器项目经过5年的研究，成功研制开发出了具有我国自主知识产权的从室温至1200℃高温，同时施加3200N载荷，能够进行跨宏观-微观-纳米尺度的显微结构与材料性能间关系的原位仪器系统及配套分析处理软件共6台套，测试指标达到国际上该类仪器领先水平。同时，项目研制的仪器成果已经对中国航发北京航空材料研究院、钢铁研究总院、清华大学、西安交通大学、北京科技大学、北京理工大学、南京航空航天大学、太原理工大学等单位在镍基单晶高温合金、高温合金等热端部件、热障涂层、耐热钢、金属基复合材料、3D打印金属部件的相关研究提供了强有力的实验支持。


原子点阵分辨高温力学原位研究系统方面，成功解决了透射电子显微镜毫米限域空间范围内高温场与应力场同时施加所面临的高温场局域化、热膨胀致样品断裂、热扩散导致力驱动器时效等世界性技术难题，首次在透射电镜中实现了1150℃（最高1238℃）高温场与毫牛顿（应力达到4GPa）量级应力场的耦合加载，达到国际领先水平。解决了在透射电镜中对样品力学加载、加温与双轴倾转的技术矛盾，开发了具有自主知识产权、国际领先的力热耦合MEMS芯片、透射电子显微镜原位专用力学实验仪、多通道电学信号传输电路板等核心部件及配套应用分析软件。研发的原位原子尺度高温实验力学装置系统应用于我国自主开发的第二代和第三代Ni基单晶高温合金及Co基单晶高温合金，研究其在700℃、900℃、1100℃、1150℃高温应力耦合条件下的，元素扩散行为、在基体和强化间位错形核和运动行为和微观机理。该仪器已系统应用于中国航发北京航空材料研究院、中国科学院金属研究所、浙江大学高温合金材料的开发，为其提供了强有力的实验方法。


验收结论中的代表性成果及突出进展如此描述：该项目成功研制了国际领先水平的原位纳米/原子尺度力学耦合研究手段，并及时应用于我国“卡脖子”难题的镍基单晶高温合金等关键材料研究，采取“边研制边科研”的思路，取得了一系列重要研究成果。项目中关键技术获得授权美国专利3项，国际PCT专利1项，中国发明专利27项，中国实用新型专利2项。