作为最终产品的零部件，必须具备较高的综合机械性能，以满足产品使用性能与使用寿命，这就要求选用更好的材料或采用更先进的工艺制造技术以大幅度地提高零部件的强度和韧性。按照材料研究领域的共识，高性能零部件必须具备超细晶粒、高洁净度和成分高均匀性 3 个主要特性，而对新型高性能锻件的研究和开发也必须建立三个前提条件之上，也就是在基本不增加制造成本，尽可能少地利用合金资源与能源，以及基本不降低塑性和韧性。满足以上条件后，可实现锻件的强度增加一倍和使用寿命增加一倍的目标。而达成这一目标的核心理论与

本成果通过复合材料各组分界面性质研究，精密控制复合材料的组分和亚微观结构，从而采用通用的复合工艺，通用工程塑料基材和市售的膨胀石墨和碳纤维，再经过具有自主知识产权的科学处理技术之后，获得具有高电导率和很好力学性能的抗电磁工程塑料。

铝及其合金是工程应用最广泛的结构材料之一。传统的铝合金零件通过铸造、锻造和粉末冶金等方法制造，与这些传统制造过程相关的工具设备增加了制造成本和交付周期。3D打印技术由于为制造设计提供了丰富的自由度而广泛应用于工程零件的制造。现有3D打印技术中，选择性激光熔化（SLM）是发展最为广泛的方法之一。但是SLM工艺中的冶金缺陷如许多裂纹、球化和气孔导致只有有限数量的金属适合该种工艺，且具备满足要求的密度、微观结构和强度。 中南大学粉末冶金研究院李瑞迪研究员和新西兰奥克兰大学、中车工业研究院有限公司等单位合作通过对合金元素进行调控和热处理工艺的探索，发展了一种适用于SLM制备工艺，具有良好抗裂性和高强度Al-Mg-Si-Sc-Zr合金。相关论文以题为“Developing a high-strength Al-Mg-Si-Sc-Zr alloy for selective laser melting: crack-inhibiting and multiple strengthening mechanisms”于4月13日在金属材料顶级期刊《Acta Materialia》在线发表。 在该项工作中，研究人员设计了一系列Al-Mg（-Si）-Sc-Zr合金，并用雾化合金粉末进行3D打印制备。在没有Si元素的情况下，Al-xMg-0.2Sc-0.1Zr（x=1.5,3.0,6.0wt.%）合金在制备过程中均易发生热裂纹，平均裂纹密度随Mg含量的增加而增大。发现在Al-6Mg-0.2Sc-0.1Zr合金中加入1.3wt%的Si能够有效地抑制SLM过程中的热裂纹，同时细化制备合金的微结构，从而提高打印试样的力学性能。 图1：不同成分的打印样品晶粒尺寸和形貌EBSD分析结果：（a）1.5 wt%Mg，合金1；（b）3.0 wt%Mg，合金2；（c）6.0 wt%Mg，合金3；（d）6.0 wt%Mg+1.3 wt%Si，合金4。晶体学取向用倒极图（IPF）表示。 图2：Mg和Si元素对试样断裂行为的影响。（a）不同合金成分（合金1，合金2，合金3，合金4）的拉应力应变曲线。（b-e）合金1（b）、合金2（c）、合金3（d）、合金4（e）的断口SEM图像。 通过对合金成分的进一步微调，研究人员设计了一种新型合金Al-8.0Mg-1.3Si-0.5Mn-0.5Sc-0.3Zr。这种新合金具有明显的细化微观组织，由亚微米胞体和胞体中存在的共晶Al3（Sc，Zr）纳米粒子（2-15nm）和粒间Al-Mg2Si共晶（Mg2Si直径10-100nm）组成。打印试样中形成了高密度的层错和独特的9R相。试样的拉伸强度和延伸率分别达到497MPa和11%。经过时效处理后，试样的拉伸强度达到550MPa，塑性在8%～17%之间。除了固溶强化、晶界强化和纳米颗粒强化外，高密度层错也有助于强化。 图3：不同组分（a1-4）合金#4；（b1-4）合金#5的SLM打印样品的细晶区TEM图像：（a1-2）合金4的胞状结构；（a3-4）合金的柱状结构；（b1-5）合金（b2）的胞状结构是（b1）的暗场图像；（b3-4）合金的柱状组织#5；图（a2），（a4），（b2）和（b4）显示了晶间共晶组织；（b5）是SLM-printed Alloy#5细胞的干HAADF图像和主要元素（Al、Mg、Si、Sc、Mn和Zr）的相应EDX图谱。 图4：（a）SLM打印合金#5时效前后的拉伸应力应变曲线。曲线“#5”表示打印合金#5；曲线“#5-HT1”表示360℃时效8h的合金#5；曲线“#5-HT2”表示300℃时效8h的合金#5。（b）在合金#5-HT2断裂处拉伸试样的透射电镜显示具有高密度位错和SFs的变形组织。（c）沿[001]方向的变形亚晶中滑移带和滑移方向的HRTEM图像。（d）在（-100）面上用（c）图中标记区域的傅里叶逆变换图像显示出高密度位错。 这项研究成果通过在原有3D打印Al-Mg-Sc-Zr合金中添加Si元素，形成了精细打印微观组织，获得了无裂纹的打印合金成分。随后通过热处理时效工艺引入高密度层错并细化晶粒，开发出了一种具有低热裂敏感性和高强度的新型铝镁合金。这项工作提供了一种解决和消除SLM工艺中的冶金缺陷的铝镁合金成分设计方法和热处理工艺，推动了SLM制造技术的工程应用。

项目建设了面向机电设备的寿命预测和维修大数据决策系统，可为城市轨道交通建设运维过程机电设备维护检修提供了一种新的解决方案。 基于自主技术构建了基于云+管+端的机电设备大数据采集传输存储分析平台。“端”是自主研发的支持边缘计算的安全可信终端；“管”是基于MQTT的扩展增强安全传输通道；“云”是基于HADOOP技术的工业大数据云平台。平台对机电设备生产经营相关业务数据、设备过程数据和设备外部数据的采集、清洗、集成、建模及应用过程提供全方位支撑，利用机器学习技术对设备剩余寿命可靠度模型和全生命周期成本模型进行了训练和优化，并形成指导性维修方案。 项目采用了自主知识产权的嵌入式安全数据终端和融合安全的传输协议，为保护用户隐私，增强系统可信提供了技术保障。 项目采用了智能边缘计算终端技术，可以根据用户的不同机电设备下载不同的检修预测模型进行预测分析，能够支持灵活的组网方式，适应于各种应用场景，节省用户投资。

该发明充分考虑了航空发动机轮盘全寿命周期中的现有知识和信息，减少不必要的试验次数和成本，避免了航空发动机轮盘的“小样本”而导致故障信息少的问题； 揭示了航空发动机轮盘全寿命周期内不确定性的分散性和随机性对其寿命和可靠性的影响规律，获得了综合考虑故障物理建模中的不同目标或不同程度的不确定因素 影响的预测寿命分布以及不确定性范围，提高了试验结果的精度，因此能显著地提高航空发动机轮盘的寿命可靠性。

该发明充分考虑了航空发动机轮盘全寿命周期中的现有知识和信息，减少不必要的试验次数和成本，避免了航空发动机轮盘的“小样本”而导致故障信息少的问题； 揭示了航空发动机轮盘全寿命周期内不确定性的分散性和随机性对其寿命和可靠性的影响规律，获得了综合考虑故障物理建模中的不同目标或不同程度的不确定因素影响的预测寿命分布以及不确定性范围，提高了试验结果的精度，因此能显著地提高航空发动机轮盘的寿命可靠性。

工程实际中出现的疲劳损伤是一种在时间和空间上多尺度的现象，例如从纳米或亚微米级别的微观裂纹瞬时扩展行为到由于疲劳损伤导致的整体结构长期的性能退化现象。基于多尺度疲劳裂纹扩展模型的疲劳损伤研究和预测技术,可以在不同的时间和空间尺度下对疲劳损伤进行分析。 该技术通过研究在小时间和空间尺度下试验观测到的疲劳裂纹尖端的连续扩展行为，建立描述微观疲劳裂纹行为和机理的物理模型，然后在这个微观物理模型的基础上建立多尺度的疲劳裂纹扩展模型，并最终实现对疲劳损伤和疲劳寿命准确实时的分析预测。微观裂纹尖端在一个疲劳载荷周期内加载过程中的连续变化情况。

成果简介： 该发明充分考虑了航空发动机轮盘全寿命周期中的现有知识和信息，减少不必要的试验次数和成本，避免了航空发动机轮盘的“小样本”而导致故障信息少的问题； 揭示了航空发动机轮盘全寿命周期内不确定性的分散性和随机性对其寿命和可靠性的影响规律，获得了综合考虑故障物理建模中的不同目标或不同程度的不确定因素 影响的预测寿命分布以及不确定性范围，提高了试验结果的精度，因此能显著地提高航空发动机轮盘的寿命可靠性。