随着《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020 年）》任务的实施，高分辨对地观测、载人航天与探月工程、大型压水堆与高温气冷堆等重大专项与国防优先主题任务，为铝基复合材料发展带来强烈的需求牵引。遵循一代装备、一代材料的科学规律，作为关键支撑的铝基复合材料必须取得工程化制备技术的突破，才能满足航天、核电等重大领域关键装备的跨越式发展。
中国科学院金属研究所在国家科技部、自然基金委等部门支持下，针对铝基复合材料固有的制备工艺性差、大尺寸构件塑性加工困难、焊接难等一系列制约生产应用的瓶颈难题开展了高强度良好塑性复合材料体系设计、短流程粉末冶金规模化制备、可控变形加工、吨级坯锭规模化制备以及高质量搅拌摩擦焊接技术研究，打通了铝基复合材料制备流程的全链条关键工艺环节，推动了铝基复合材料从实验室研究走向工程应用的步伐，成功应用于航天、核电等领域的多个重大型号，并发表SCI收录论文100余篇，获国家发明授权专利15项。央视以“弘扬航天精神，用自主可控新材料拥抱星辰大海”为主题对他们的成果进行了报道。
短流程粉末冶金技术
该成果通过系统研究热压烧结过程中粉末致密化、基体与增强相复合化与合金元素分布行为，以生产批量大、价格便宜、性能稳定的商用粉末替代专门定制化金属粉末，不仅缩短了定制化流程，还从源头上保障了制备的复合材料性能稳定性，而且易于通过自由调配不同金属粉末配比实现基体合金成分的优化设计与精确控制，从而减少研制和生产成本及周期。本成果以典型的SiC/Al-Cu-Mg复合材料为对象，经系统研究可知金属粉末粒度对SiC颗粒分散均匀性影响、烧结过程中的合金元素分布、第二相特征等证实了商用粉末制备高性能SiC/Al复合材料的可行性，建立了相应的热压烧结工艺和热处理工艺，实现了工艺由公斤级到吨级的逐级放大。根据不同行业、用户的个性化订制需求，该方法实现了多品种铝基复合材料的快速响应研发与规模化制备，其中SiC颗粒体积含量最高可达65%，基体合金包括Al-Cu-Mg、Al-Mg-Si-Cu等典型体系，均获得实际应用。该工艺制备的坯锭，单个坯锭可达4~6t，为覆盖飞行器典型应用奠定了坚实基础。
不同应用需求的复合材料体系开发
（1）开发出高强度、易冷加工的SiC/Al-Mg-Si-Cu 复合材料。目前广泛使用的铝基复合材料以2xxx 系合金（Al-Cu-Mg）为基体，具有较高强度，并且多数2xxx系合金固溶淬火后自然时效倾向强，而增强相添加会进一步加快其自然时效硬化速度，使塑性大幅降低，导致钣金加工等冷成形极其困难。针对这一问题，团队选用低元素含量、自然时效缓慢的合金作为基体以提高固溶淬火后复合材料的塑性，满足冷变形加工要求；同时优化合金元素成分，提高析出强化效率，以保证人工时效后的高强度，从而实现高强、高塑、易冷加工的目标。相比传统的2009Al，开发出 Al-Mg-Si-Cu 等基体合金，合金元素含量几乎下降一半，所制备复合材料固溶后长时间自然时效状态下，其延伸率可保持在12%以上，保障了良好的冷变形加工性，经人工时效后，强度仍可达SiC/2009Al的水平，保证了服役所需的性能要求。
（2）开发出B4C/Al中子吸收复合材料。添加B4C颗粒的铝基复合材料具有中子吸收特性，典型的（26-31）wt.%B4C/Al复合材料中，B10面密度可达硼钢等传统中子吸收材料的数倍甚至一个数量级以上，具有优异的中子吸收性能。然而，我国B4C/Al中子吸收材料未实现产业化，受国外垄断，材料从不单独出售，而是集成到核燃料贮运设备中整体高价销售，严重制约我国核电“自主化”与“走出去”的发展战略。面对国外公司制备技术的专利垄断，该成果针对中子吸收材料需要在长期腐蚀、高温等复杂工况服役的要求，基于粉末冶金制备技术，制备了不同颗粒含量的B4C/Al复合材料，以满足其轧制变形加工、耐蚀性等工艺与服役性要求，阐明了不同制备工艺下B4C与铝之间复杂的界面反应及其对性能的影响。发现界面反应导致MgB2纳米相形成，且Cu在MgB2界面偏析，显著提升了复合材料的高温强度。通过优化工艺，制备出的B4C/Al中子吸收材料通过了加速腐蚀、高温老化与加速辐照考核，耐腐蚀性能优于国外同类产品。在与美国等国内外多家公司的公开竞标中，以产品性能与技术优势胜出，在国内率先获得了成功应用，为高温气冷堆等所需的核燃料容器国产化提供了有力支撑，打破了国外市场垄断。
不同规格铝基复合材料可控与高效变形加工技术
铝基复合材料塑性低、成形加工难是制约其广泛工程应用的主要障碍。针对铝基复合材料塑性变形难题，以往的研究通过实验试错摸索其成形加工参数，不仅消耗大而且适用性差，一旦材料种类和零件形式变化，必然需要重复试错。针对这些问题，本成果围绕热加工中的流变行为和组织形成机理，通过热模拟实验方法，建立精确的热加工图。通过应力、应变速率敏感系数与加工图中功率耗散系数的比对，进一步对复合材料内禀可加工性进行表征，揭示了塑性变形过程中的裂纹、晶粒和颗粒团聚等缺陷与流变行为机理的关系，由此建立了复合材料组织与缺陷在温度、变形速率以及应变量全因素作用下的演化与形成规律，从而对不同复合材料加工参数进行了优化。在此基础上，针对大尺寸构件在非等温、非均匀流变场下缺陷与组织形成特性更复杂的问题，通过求解典型复合材料本构方程，开展了复合材料挤压、锻造、轧制等变形过程中的有限元模拟，建立了损伤场模型，从而指导热变形工艺优化，使加工成材率提升20%以上。针对复合材料变形过程中颗粒重新分布及其对性能显著影响的特性，构建了复合材料微观模型，并与锻造宏观有限元模型耦合开展跨尺度模拟，实现了不同锻造工艺下颗粒分散均匀性的可视化表征，并对不同颗粒分布特性的复合材料力学性能进行跨尺度模拟仿真，从而为复合材料组织与性能的优化提供了仿真模拟工具，由此实现了高效率的工艺仿真优化。通过模拟与实验结合、工艺参数调控与多种变形方式结合，突破了大尺寸构件高效、优质的成形加工，成功开发出高性能SiC/Al板材、锻件与型材，连续为多个重要型号提供关键零部件数千件，性能达到甚至超过国外同类产品水平。
铝基复合材料高质量搅拌摩擦焊技术
搅拌摩擦焊接（FSW）作为固相焊接技术，是最有希望实现铝基复合材料高强度焊接的方法。然而，FSW 面临焊接工具磨损严重、材料流变性差等挑战，制约了研发与应用，通过自主研发高韧性、耐磨的长寿命金属陶瓷焊接工具实现了铝基复合材料的长距离可靠焊接；通过合理设计工具形貌、焊接参数及母材热处理状态优化FSW 过程中的材料流动模式，显著改善了接头的组织与性能，所获得接头强度可达峰时效态母材的80%~97%，对退火态母材焊接头强度可达母材100%。其中焊接残余应力成果入选德国慕尼黑工业大学中子源研究所2015亮点工作，还入选STRESS-SPEC衍射线站2018年度国际评估（每3年1次）代表性研究成果，同时作为中子衍射代表案例展示在德国“海因茨迈尔—莱布尼茨研究中心”官方网站，相关成果应用于核燃料贮运容器。上述成果应用证实铝基复合材料已初步具备满足不同工程装备所需的系列化、大型化、批量化、个性化订制的生产能力，可以打破国外技术垄断与封锁，表明我国高性能铝基复合材料已经具备较高技术成熟度，为我国重大领域关键装备的跨越式发展提供了有力支持，产生了显著的社会效益。这些应用成果的进一步发展，可望使我国在相关领域发展水平由长期跟跑进入到并跑、领跑阶段，并持续支撑“建设创新型国家”的强国战略。
