2018新材料国际发展趋势高层论坛

职位/职称: 教授

单位: 中南大学

报告论坛: 计算材料学科学技术分论坛

报告题目: 硬质合金及耐磨涂层的集成计算材料工程

简历:

杜勇, 男,1964年11月生,湖南华容人。现任粉末冶金国家重点实验室副主任,中德“微结构”联合实验室中方主任。1984年7月、1987年7月、1992年7月分别获中南大学学士(压力加工)、硕士和博士学位(材料学)。先后在东京工业大学、巴塞罗纳大学、德国克劳思塔尔大学、维也纳大学、威斯康星大学麦迪逊分校从事材料学研究11年,在德国为洪堡学者。2004年获国家杰出青年科学基金;2005年入选教育部《长江学者和创新团队发展计划》创新团队项目带头人; 2006年被聘为教育部“长江学者”特聘教授;2007年被选为国家自然科学基金委员会创新研究群体项目负责人。国际刊物CALPHAD和J. Phase Equili. Diff. 副主编,国际刊物Int. J. Mater. Res.、Vacuum和J. Mining & Metall. B 编委及金属学报,航空材料学报,材料热处理学报,粉末冶金材料科学与工程,硬质合金的编委;国际相图委员会委员;国际相图委员会最佳论文评审6位评委之一。研究领域包括相图热力学、相变、微结构、结构-性能相关性等;研究材料包括轻合金、硬质合金及耐磨涂层、核材料、能源材料等。主持国家自然科学基金委员会创新研究群体、重点项目、973, 863等国家项目42项。获省自然科学一等奖1项,国家自然科学三等奖1项,国际相图委员会最佳论文奖1项,获授权中国国家发明专利2项。先后在30种国际刊物上发表论文580篇,SCI收录538篇,SCI引用6202次(他引5809次),在美国合作出版专著一本。2003年回国后指导博士生42名,其中32位已毕业(1位为美国Pittzburg大学副教授、1位为瑞典Uppsala大学副教授、12位为国内高校教授、12位在德国从事博士后研究、5位为中美联合培养博士,3位为中瑞(典)联合培养博士,9位为中德联合培养博士,4位为中奥(地利)联合培养博士)。

摘要:

硬质合金具有高强度、高硬度、耐腐蚀及高化学稳定性等优良性能,被誉为“工业的牙齿”,广泛地用作刀具、钻具、耐磨零件等。通常会在硬质合金上沉积高硬度的耐磨涂层以提高切削刀具的使用寿命。用试错法或仅凭经验进行材料研究开发会耗费大量的人力和物力。为满足当今切削加工面临着不断提高的高速、高效和高精度的要求,加快高性能硬质合金耐磨涂层刀具的研发势在必行。集成计算材料工程是通过整合多尺度的模型和关键实验来设计材料组成及其相关制造工艺的新方法,能实现新材料的高效研发。
本工作通过集成关键实验、相图计算方法(CALPHAD: CALculation of PHAse Diagram)和第一性原理计算建立了具有自主知识产权的多组元硬质合金热力学和扩散动力学数据库。利用建立的热力学/动力学数据库对表面无立方相梯度硬质合金在液相烧结过程中的微结构演变及硬度等力学性能进行了模拟计算。在计算指导下设计、制备了相关样品,并结合扫描电镜、透射电镜和电子探针等实验技术对其进行了微结构表征。在上述计算与实验的基础上,使用第一性原理方法计算了氮化物基耐磨涂层体系的热力学、结构、力学性质。相关产品实现了工业化生产并远销欧美。
微结构表征的实验结果验证了本工作微结构模拟的准确性。通过第一性原理计算得到的涂层体系的各种性质则为CALPHAD计算提供了丰富可靠的数据。据此,本工作预测了添加合金元素后PVD TiAlN涂层热稳定性的变化趋势,并以计算为依据设计和制备了热稳定性温度达到1200 oC的TiAlZrN涂层和具有高热稳定性和高抗氧化性的TiAlCrN、TiAlHfN涂层,相关产品实现了工业化生产并远销欧美。
本文还采用热力学计算、计算流体动力学(CFD)模拟和关键实验验证相结合的方法研究了沉积温度、压力和气体流量对中温化学气相沉积(MTCVD)Ti(C,N)涂层化学成分、相结构和沉积速率的影响。并在三种不同温度下制备了MTCVD Ti(C,N)涂层以分别验证热力学计算和CFD模拟预测的化学成分与沉积速率,实验结果表明理论预测变化趋势较为合理。本工作为新型MTCVD Ti(C,N)和其他具有工业应用背景的CVD涂层的快速开发提供了一种新的思路。相关产品实现了工业化生产并远销欧美。
本工作构建了硬质合金及耐磨涂层的集成计算材料工程的基本构架。该工程的核心是将相图热力学、第一性原理和相场模拟等多种计算方法同关键实验相结合,探讨新型硬质合金和涂层材料研发的可行性并且快速合理地确定实验制备的合金成分和工艺参数,再加以X射线衍射、扫描电镜、透射电镜和纳米压痕等检测技术对材料结构和性能进行研究和验证,最终可以得到具有优良性能和较高实用价值的新型硬质合金和涂层材料。

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重要日期

会议开始时间

2018-09-16

会议结束时间

2018-09-18

报到时间

2018-09-16

poster提交截止日期

2018-08-30

报告人摘要提交截止日期

2018-08-25

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