2-4、高通量块体材料制备方法、技术和装置研究进展

吴红宇、罗思华、谭黎明、王薪、王子、黄再旺、江亮^*

粉末冶金国家重点实验室，湖南长沙，410083，中南大学粉末冶金研究院，湖南长沙，410083

摘要：为显著提高高性能材料从发现—优化—制备—检测—应用的研发效率，针对高性能结构材料成分多元、制备工艺复杂、组织和性能多样化的特点，以高温合金为示范应用，我们将介绍基于梯度热机械处理等原理的块体材料高通量制备方法、技术和装置的研究进展。并据此阐明高通量材料制备方法、技术和装置的研发框架（如图1所示）——针对材料应用的问题，基于物理、化学、力学、和材料科学与工程等的“理论”，采用热、力、电、化学、物理等“方法”，形成集成硬件、控制、数据采集、计算分析等系统的高通量材料制备“技术”，通过样品库设计/样品库制备/测量/分析/信息学等“流程”，形成可靠的、可重复的、可自动化的“实体”包括仪器设备、算法、数据库、工作流程等，采用问询、描述、预测和处方等“功能”，实现在材料发现、研发、优化、设计集成、考核验证、批量生产和应用部署等方面的“应用”。

图1  高通量制备方法、技术和装置的研发框架

围绕高温合金成分设计、制备工艺和应用服役中的关键问题，我们发展了代表高性能结构材料成分、组织和性能的块体样品的高通量制备技术，研究了块体材料高通量制备工艺的精确性、可靠性和重复性，探索了块体材料高通量制备工艺参数在工程化应用中的可移植性。其中，我们发展扩散多元节、梯度热机械处理等高通量材料制备方法制备成分和组织在不同微区实现变化的样品；采用用电子探针、电子背散射衍射等分析技术表征样品的微区成分、晶体结构和晶粒特征；发展基于飞秒激光的时域热反射分析技术表征样品微区热导率和热容等热物性，结合纳米压痕、显微硬度等测试方法表征样品微区的硬度等力学性能；同时，我们发展描述高温合金组织性能关系的计算模型。在此基础上，我们融合高通量块体材料制备技术和材料高通量表征和计算技术，以高效获得材料成分-相-组织-性能的关系；并且将获得的关键工艺参数在高温合金研发的实践中进行应用和校验。

高通量块体材料制备方法、技术和装置可以数量级地提高样品制备合成效率，结合先进的表征技术和高通量表征的实验方法，可以高效地建立材料成分-工艺-组织-性能关系。大尺寸块体材料高通量制备技术为先进结构材料的研制提供了高效的材料基因工程实验方法和实验工具。

关键词：高通量材料制备；结构材料；高温合金；成分设计；组织性能关系

DOI:10.12110/secondfmge.20181014.204