2018年度陕西省科学技术奖公示信息

一、项目名称

表面改性结构材料基础及应用研究

二、项目简介

本项目属于材料科学与工程、机械工程、化学等多学科交叉融合。

金属材料的疲劳、腐蚀和磨损等失效行为是造成工程结构发生严重事故的主要原因。这些失效行为大多发生在材料的表面，且对材料表面的结构和性能极其敏感，因此，表面改性是提高材料整体性能和服役行为的有效途径。在国家自然科学基金面上及青年项目、博士后基金等项目的支持下，项目组针对钛、锆合金、合金钢开展了表面纳米化及表面离子渗镀改性工艺、基础理论及应用研究，取得以下创新性成果：

1）采用表面机械研磨、超声冲击、高能喷丸工艺实现钛、锆及其合金表面纳米化，并揭示了表面纳米化机理。

2）提出表面纳米化材料的表面完整性参数，阐明了各参数对疲劳性能的影响规律。

3）阐明了表面纳米化对焊接接头组织均一化、细化的影响规律，以及表面纳米化对抗腐蚀性能的影响规律，开发了焊接接头性能优化工艺。

4）揭示了P110钢和钛合金在油气田环境下的服役损伤及失效机理，并采用表面合金化和表面热氧化提高上述材料的表面性能。

5）开发了改善P110钢和钛合金表面性能的离子渗镀技术和热氧化处理技术。

发表学术论文49篇，其中SCI收录19篇，EI收录15篇，CSCD收录15篇，被Metallurgical and Materials Transactions A、Surface and Coatings Technology等SCI 收录期刊和国内核心期刊论文他引共计271次，20篇代表作他引126次。授权专利8项。项目负责人张聪惠教授为中国材料研究学会青年工作委员会理事、中国机械工程学会材料分会委员会理事，被邀请在2014年TMS会议上，做特邀报告，在国内学术会议做报告3次。研究成果在国内外产生了重要学术影响，并被西安优耐特容器制造公司应用于压力容器制造，自2014年至2016年累计新增销售额8652万元，新增利润662万元，新增税收546万元；被中联西北工程设计研究院有限公司应用于工业用金属结构件表面改性，自2013年至2017年累计新增销售额441万元，新增利润104万元，新增税收31万元。

与传统的金属表面处理工艺相比，研发的表面改性工艺可提高生产率30-40倍，赋予了基体和改性层协调变形能力，大大提高了金属表面硬度和机械性能，可节约材料15～30%，生产成本降低了30%左右。推广该产品和技术，对于提高我国金属行业生产技术水平，推动机械制造业科技进步，促进我国由制造业大国向制造业强国迈进，建设资源节约型和环境美好型社会，具有重要意义。

三、客观评价

本项目系统针对钛、锆及其合金、合金钢的表面纳米化、离子渗镀及热氧化技术基础理论及应用开展了创新性研究，所获得的研究成果均发表于材料科学领域的国内外高水平期刊，在相关领域得到应用推广。

1、主要验收意见：

1) 共获得国家自然科学基金青年项目（51104114）、国家自然科学基金面上项目（51274160）、教育部科学技术研究重点项目（211178）、中国博士后科学基金（2012M520604）、西安市科技计划项目（CXY1438(3)）西部材料科技创新基金项目（XBCL-2-09）资助，并分别于 2014、2016、2014、2013、2015、2015年结题验收 。

2）较早系统开展了工业纯钛、锆、TC4合金的表面纳米化工艺研究，获得了实现工业纯钛、锆、TC4合金表面纳米化的新工艺，进一步优化了工业纯钛、锆、TC4合金的服役性能。

3）首次建立合理的表面纳米化金属材料表面完整性的评价参数和表征方法，对表面纳米化TC4 表面完整性进行(显微组织结构参量、力学性能参量、残余应力参量以及表面应力集中参量等)表征。

4）率先开展表面纳米化材料的表面完整性对其疲劳性能的影响规律。本研究揭示了表面完整性各参数对表面纳米化工业纯钛、锆、TC4合金疲劳性能的影响规律，该成果处于国内外领先水平。

5）揭示了距表层不同深度平面内残余应力的分布规律并建立数值模型。基于连续介质理论，构建了表面纳米化处理工业纯锆、TC4 合金的表面完整性及其残余应力产生的模型，获得裂纹萌生时表面形貌(如切入或挤压)的演变机理，提出通过优化表面残余应力分布提高材料疲劳裂纹萌生和扩展抗力的设计方法，取得了原创性成果。

6）阐明了表面纳米化提高焊接接头抗腐蚀性能的机理。针对工业纯钛焊接接头抗腐蚀性能差的技术难题，提出了可用于工业纯钛压力容器焊接接头强化处理的表面纳米化工艺，揭示了表面纳米化对其组织、硬度、残余应力以及抗腐蚀性能的影响规律，所取得的成果具有原创性。

7）分别借助离子渗镀技术和热氧化技术在Ti6Al4V合金表面形成一定厚度的钼基合金化改性层和氧化物层，提高了Ti6Al4V合金表面的腐蚀电位，降低了腐蚀电流。在磨损-腐蚀工况下，降低了Ti6Al4V合金表面未破损钝化膜与摩擦接触部位的电位差，减缓了该区域材料的损伤与消耗。

2、工程应用评价

1）表面纳米化处理提升了工业纯钛压力容器的抗腐蚀性能，降低了腐蚀速率。提出了针对压力容器焊接接头的表面纳米化工艺，产品技术参数符合国家标准，具有较强的市场竞争力。

2）新研制的离子渗镀技术较国外同类表面处理有较大创新。本项目研发的新型离子渗镀技术可以克有效服软(硬)基体表面耐磨涂层易剥落的缺点。针对钛合金和合金钢摩擦学性能低劣的缺点，提出在合金表面制备耐磨渗镀层（外部镀层可以使合金表面完全改性；梯度中间扩散层可改善改性层-软基材之间的协调变形能力）。产品技术参数符合国家标准，具有较强的市场竞争力。

3、同行专家评价

1）美国Purdue University 的Qingyou Han 在2017 年第9 期Surface Engineering 上发表的综述文章Overview of ultrasonic shot peening 引用了代表作1，评述了课题组利用USP 工艺对Ti-6Al-4V 进行处理获得良好电化学腐蚀性能的研究成果。

2）山东大学Yanjin Guan 在2017 年International Journal of Advanced Manufacturing

Technology期刊上发表的论文Influence of process parameters of ultrasonic shot peening on surface nanocrystallization and hardness of pure titanium 引用了代表作4，评述了课题组利用USP 工艺实现TC4 合金的表面纳米化并对机理进行探讨的工作。

3）西安交通大学孙巧艳教授在2017 年第7期“稀有金属材料与工程”上发表的文章“表面机械滚压对Zr-4 合金组织和力学性能的影响”引用了代表作6，积极评价了课题组利用表面纳米化提高锆合金性的研究工作。

4）中国石油大学刘永红教授在2017年第11期“Tribology International”上发表的文章“Wear behavior of HVOF sprayed WC coating under water-in-oil fracturing fluid condition”引用了代表作14，认为表面改性技术可改善材料的耐磨损、耐蚀性能，并对课题组关于离子渗镀技术的相关成果给以积极肯定。

四、主要知识产权目录（限10条，与推荐书主件一致）

五、推广应用情况

工业纯钛压力容器、换热器等产品在制造过程中需要进行焊接加工，导致的焊接组织和热残余应力对其使用性能极为不利。项目组在西安优耐特容器制造有限公司相关产品上的应用研究表明，表面纳米化处理使工业纯钛焊接接头表层微观组织、硬度均一化；消除了残余拉应力并形成残余压应力；在10%HCL溶液和0.2%NaF溶液中的腐蚀电流密度显著降低，腐蚀性能得到明显改善。自2014年至2016年，表面纳米化技术为西安优耐特容器制造有限公司累积带来新增销售额8652万元、新增利润662万元、新增税收546万元。

项目组致力于等离子体表面合金化技术的研究与拓展，在提高金属材料表面硬质梯度镀层力学性能、抗磨性和耐蚀性等方面进行了大量的试验研究工作，与中联西北工程设计研究院有限公司和太原理工大学等单位合作，研制开发新型离子渗镀技术和热氧化处理技术，可用于合金钢、钛合金等钝化金属材料的加工处理。该产品大幅提高了生产效率，节约了原材料，提高了产品的性能，被中联西北工程设计研究院有限公司应用于工业用金属结构件表面改性，自2013年至2017年累计新增销售额441万元，新增利润104万元，新增税收31万元；推广该项技术，对于改善我国金属结构材料的服役性能，对于建设资源节约型和环境美好型社会，具有重要意义。

六、主要完成人情况

七、完成人合作关系说明

本项目主要完成人组成一个密切合作的研究团队，主要完成人张聪惠、王耀勉、何晓梅、肖桂枝是西安建筑科技大学教师；完成人成佳鹏是西安建筑科技大学硕士研究生；主要完成人田伟、田进是中联西北工程设计研究院有限公司研发人员；主要完成人李宁、叶建林是西安优耐特容器制造有限公司研发人员；主要完成人林乃明是太原理工大学教师。2006年以来，完成人一直合作申请项目、研究开发、推广应用、结题验收、申报专利、发表论文等。

西安建筑科技大学张聪惠教授率领团队成员王耀勉、何晓梅、肖桂枝、于飞、成佳鹏等系统研究了表面纳米化机理和表面完整性对疲劳性能，腐蚀性能的影响机理，对表面纳米化材料残余应力分布与演化规律、表面纳米化材料变形规律做了深入研究，开发了焊接接头性能优化工艺，将相关技术进行了推广应用。

西安优耐特容器制造有限公司李宁、叶建林与西安建筑科技大学共同完成了西部材料创新基金二期项目“工业纯钛焊接接头表面强化处理工艺及其抗腐蚀性能研究“，合作推动压力容器等焊接接头表面纳米化工艺的开发、设计和应用，解决了焊接接头表面纳米化处理工艺的实际应用问题并形成企业标准。

中联西北工程设计研究院有限公司田伟牵头组建了与西安建筑科技大学、太原理工大学的产学研合作联盟，在材料表面改性及工程化应用方面展开积极合作。田伟与太原理工大学林乃明共同研究了P110钢和钛合金在油气田环境下的服役损伤及失效机理，负责环境模拟及表面改性工艺改进研究，并在项目研发推广和工程应用方面具有重要贡献。田进负责完成了钛合金磨损机理研究及离子渗镀表面合金化改性工艺研究，并参与了项目组多个子课题的研究与技术推广，作为西安建筑科技大学在职博士研究生，为本项目合作和顺利实施起到了良好的纽带作用。

太原理工大学林乃明副教授长期从事材料表面改性基础理论及工艺研究，与中联西北工程设计研究院有限公司建立了长期合作开发金属材料表面处理工艺及装备，在本项目中牵头研究了P110钢和钛合金在油气田环境下的服役损伤及失效机理，并开发了改善P110钢和钛合金表面性能的离子渗镀技术和热氧化处理技术。

八、主要完成单位排序及贡献

九、完成单位合作关系说明

第1完成单位西安建筑科技大学与第2完成单位西安优耐特容器制造有限公司自2013年以来一直围绕新材料及加工工艺的研究和应用展开密切合作，共同完成了西部材料创新基金二期“工业纯钛焊接接头表面强化处理工艺及其抗腐蚀性能研究”项目，（项目编号：XBCL-2-09），形成了多项共有的科研成果，并将相关技术在西安优耐特容器制造有限公司推广应用。

第1完成单位西安建筑科技大学与第3完成单位中联西北工程设计研究院有限公司、第4完成单位太原理工大学自2013年达成合作协议，合作进行材料表面改性处理新技术的研究、工艺装备的设计与制造，技术产品的市场推广和应用等。

十、主要论文专著目录