ODS钢3D打印过程中纳米氧化物颗粒形成演化与调控机制

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号：
    51801201
  • 项目类别：
    青年科学基金项目
  • 资助金额：
    24.0万
  • 负责人：
    李少夫
  • 依托单位：
    中国科学院过程工程研究所
  • 学科分类：
    E0105.金属基复合材料与结构功能一体化
  • 结题年份：
    2021
  • 批准年份：
    2018
  • 项目状态：
    已结题
  • 起止时间：
    2019-01-01 至2021-12-31

项目摘要

Nowadays, 3D printing technique has been applied for achieving the near-net shape fabrication of the oxide dispersion strengthened (ODS) steel complex component. However, the nano-sized oxide particles are always subjected to severely coarsen and decrease during the 3D printing process, leading severe degradation in terms of high temperature creep strength and irradiation resistance of the 3D printed ODS steel. Based on the issue mentioned above, this project aims to investigate the in-situ reaction mechanism and regulation mechanism of nano-sized oxide particles in ODS steel during the 3D printing process. It will reveal two key scientific problems: (1) the diffusion behavior of oxygen in the melt and its influence on the formation process of the oxide particles, and (2) the influence rule and quantified regulation mechanism of the oxygen partial pressure on the size and distribution of the nano-sized oxide particles in the melt. A regulation mechanism will be accordingly established, which regards to the oxygen partial pressure for the formation process and evolution behavior of nano-sized oxide particles during 3D printing process. A novel method/technique concerning the in-situ synthesis and regulation mechanism of the nano-sized oxide particles in ODS steel during the 3D printing process will be obtained. The research will provide important theoretical foundation and technical basis for the development of 3D printing fabrication technique of high-performance ODS steel.
3D打印技术目前已经被用于氧化物弥散强化（ODS）钢复杂部件的近净成形制造。然而，纳米氧化物颗粒在3D打印过程中存在严重粗化和数密度降低等问题，导致3D打印ODS钢的高温蠕变强度和抗辐照性能严重衰退。针对上述问题，本项目拟开展3D打印过程中纳米氧化物颗粒原位反应形成机理与调控机制的探索研究。在揭示（1）3D打印过程中合金熔体内氧的扩散行为及其对氧化物形成过程的影响机理和（2）氧分压对合金熔体中纳米氧化物粒径与分布的影响规律及定量调控机理这两个关键科学问题的基础上，建立氧分压对3D打印过程中纳米氧化物颗粒形成过程与演化行为的调控机制，形成ODS钢3D打印过程中原位合成纳米氧化物颗粒及调控新方法/新技术，为发展高性能ODS钢的3D打印制备技术奠定重要的理论基础和技术依据。

结项摘要

3D打印目前已被用于ODS钢复杂结构部件的近净成形制造，然而当前打印制品中纳米氧化物颗粒存在尺寸大和数量低等问题，导致其弥散强化作用衰退。上述问题的根本原因是机械合金化粉体内部存在的预先形成了纳米团簇，在打印过程中发生团聚和Ostwald熟化，该问题不解决将严重阻碍3D打印在ODS钢中的发展应用。对此，本项目提出在ODS钢打印过程中原位合成纳米氧化物颗粒的新思路，通过打印策略和氧分压对氧化物的类型、尺寸和分布进行调控。本项目首先验证了新思路的可行性，成功合成了纳米氧化物弥散颗粒，探明了3D打印过程中纳米氧化物颗粒的形成过程和机理，以及氧分压和打印策略对纳米颗粒的影响规律和调控机理两个关键科学问题，相关研究结果为发展高性能ODS钢的3D打印技术提供了重要的理论基础和技术依据。取得了如下进展和关键结果。.打印策略和参数显著影响这ODS钢的成形质量，过高功率和较低扫描速度会引发打印制品的过烧，但大幅降低激光能量密度会造成致密度下降。通过探明打印参数与成形质量之间的内在联系，确定了最佳打印参数为铺粉厚度30μm，扫描间距60μm，激光功率150W，激光扫描速度800mm/s，对应激光密度为104J/mm3。此时，ODS钢打印样品具有成形精度高，表面平整度和致密度好等优点。氧气分压是调控纳米颗粒的关键，在氧气分压低于1500ppm时，合成纳米颗粒数量较少，但其超过5000ppm将导致成形质量下降和氧化物杂质生成。氧含量优化在3500ppm时，可获得尺寸细小、分布均匀的Ti2O3和Y2Ti2O7颗粒，平均粒径为21.09nm，数密度为4.1±0.5×1021/m3。原位合成的纳米颗粒未发生团聚，与此前报道的3D打印ODS钢相比具有尺寸更小和分布均匀性更高等优点。原位合成的纳米颗粒在晶界和位错处钉扎，将材料抗拉强度和屈服强度提升至725和673MPa，优于当前已报道的基于球磨粉体打印的ODS钢制品。基于上述研究成果发表论文6篇，申请发明专利2项，培养研究生4人。

项目成果

期刊论文数量（7）
专著数量（0）
科研奖励数量（0）
会议论文数量（0）
专利数量（2）
Planting carbon nanotubes within Ti-6Al-4V to make high-quality composite powders for 3D printing high-performance Ti-6Al-4V matrix composites
在 Ti-6Al-4V 中植入碳纳米管，制备用于 3D 打印高性能 Ti-6Al-4V 基复合材料的高质量复合粉末
  • DOI：
    10.1016/j.scriptamat.2020.03.009
  • 发表时间：
    2020
  • 期刊：
    Scripta Materialia
  • 影响因子：
    6
  • 作者：
    Y. Liu;S.F. Li;R.D.K. Misra;K. Geng;Y.F. Yang
  • 通讯作者：
    Y.F. Yang
Commercial scale uniform powder coating for metal additive manufacturing
用于金属增材制造的商业规模均匀粉末涂料
  • DOI：
    10.1007/s11837-020-04386-z
  • 发表时间：
    2020
  • 期刊：
    JOM
  • 影响因子：
    2.6
  • 作者：
    S.F. Li;K. Geng;R.D.K. Misra;J. Y. Cui;D. Ye;Y. Liu;Y.F. Yang
  • 通讯作者：
    Y.F. Yang
Interfacial/intragranular reinforcement of titanium-matrix composites produced by a novel process involving core-shell structured powder
通过涉及核壳结构粉末的新工艺生产钛基复合材料的界面/晶内增强
  • DOI：
    10.1016/j.carbon.2020.04.010
  • 发表时间：
    2020
  • 期刊：
    Carbon, 10.1016/j.carbon.2020.04.010
  • 影响因子：
    --
  • 作者：
    S.F. Li;Y.F. Yang;R.D.K. Misra;Y. Liu;D. Ye;C.Q. Hu;M.Q. Xiang
  • 通讯作者：
    M.Q. Xiang
冷喷涂制备金属涂层及其在增材制造应用中的研究进展
  • DOI：
    10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.03.008
  • 发表时间：
    2020
  • 期刊：
    表面技术
  • 影响因子：
    --
  • 作者：
    邓楠;董浩;车洪艳;李少夫;周张健
  • 通讯作者：
    周张健
One-step electrodeposition of superhydrophobic copper coating from ionic liquid
离子液体一步电沉积超疏水铜涂层
  • DOI：
    10.1016/j.matlet.2021.130579
  • 发表时间：
    2021
  • 期刊：
    Materials Letters
  • 影响因子：
    3
  • 作者：
    Y.L. Kuang;F. Jiang;T.Q. Zhu;H.Y. Wu;X.Y. Yang;S.F. Li;C.Q. Hu
  • 通讯作者：
    C.Q. Hu

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其他文献

Sintering Response and Equiaxed a-Ti Grain Formation in the Ti Alloys Sintered from Ti@Ni Core–Shell Powders
Ti@Ni 核壳粉末烧结钛合金的烧结响应和等轴 a-Ti 晶粒形成
  • DOI：
    --
  • 发表时间：
    2018
  • 期刊：
    METALLURGICAL AND MATERIALS TRANSACTIONS A
  • 影响因子：
    --
  • 作者：
    谭冲;李少夫;杨亚锋;朱庆山;胡超权;史宇;吕鹏鹏
  • 通讯作者：
    吕鹏鹏
Synthesis of high melting point TiN mesocrystal powders by a metastable state strategy
亚稳态策略合成高熔点TiN介晶粉末
  • DOI：
    --
  • 发表时间：
    2019
  • 期刊：
    CrystEngComm
  • 影响因子：
    3.1
  • 作者：
    向茂乔;宋淼;朱庆山;杨亚锋;李少夫;胡超权;吕鹏鹏;潘锋;葛宇
  • 通讯作者：
    葛宇
Designing core-shell C-coated Ti-6Al-4V powders for high-performance nano-sized TiC platelets/particles synergistically reinforced Ti-6Al-4V composites
设计用于高性能纳米 TiC 片/颗粒协同增强 Ti-6Al-4V 复合材料的核壳 C 包覆 Ti-6Al-4V 粉末
  • DOI：
    10.1016/j.mtla.2018.06.010
  • 发表时间：
    2018
  • 期刊：
    Materialia
  • 影响因子：
    3.4
  • 作者：
    李少夫;谭冲;刘宇;吕鹏鹏;朱庆山;史宇;杨亚锋
  • 通讯作者：
    杨亚锋

其他文献

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李少夫的其他基金

基于异构碳源包覆钛粉烧结诱发增强相定向分布及组织调控机理研究
  • 批准号：
  • 批准年份：
    2021
  • 资助金额：
    58 万元
  • 项目类别：
    面上项目

相似国自然基金

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课题项目：调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要：

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题，其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子，其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而，TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用，影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法，探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用，为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义，并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路：

科学问题：TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达？
前期研究：已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应，但其具体机制尚不明确。
研究创新点：本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线：包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术：TRIM2与病毒RNA的相互作用分析，IFN-β启动子活性检测。
实验模型：使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
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