非平衡凝固理论及亚稳材料研究：极端非平衡凝固理论与技术，熔体深过冷、熔体极冷和3D打印等快速凝固过程中形核、生长、相变；新型纳米、高熵等亚稳材料设计、热/动力学相关性、高温稳定性、凝固与焊接工艺研究；新型合金复杂结构熔体精铸技术与计算机模拟研究。

激光制造与再制造工艺研究与产业化：超高速定向激光熔覆制造与再制造，主要开展集激光熔覆工艺技术、激光熔覆材料技术、激光表面改 性技术和激光强化技术等多种技术于一体的基础研究和产业化研究；窄间隙激光填丝焊研究，针对中厚板传统电弧焊效率低、能耗大、成本偏高、质量一般等问题，采用窄间隙激光填丝焊替代传统气体保护焊的基础应用研究，使填充量节省80%，显著提高加工效率，节约成本与能耗，改善焊接应力与变形，提升产品质量，改善操作工人劳动环境；结合系列智能化软件体系、自主研发的核心硬件体系，开展材料-工艺-装备系统化研究，实现数字化、智能化与一体化。

轻质高强塑TRIP/TWIP钛合金研究：钛合金材料作为金属材料的一个重要分支，其强度与塑性往往表现出相互制约的倒置关系，存在高强度和高塑性无法权衡的问题。为克服传统的钛合金材料存在的诸如有限的延展性、差的加工硬化能力或低的抗损伤性等不足，设计高强韧和良好加工硬化行为的TWIP/TRIP钛合金；将TWIP/TRIP钛合金作为航空发动机支撑架用材料和工程机械关键零部件用材料进行研发应用和产业化。

失效分析与防护研究：金属及其构件的失效机理、失效分析方法的研究与应用，指导各类产品的规划、设计、选材、加工、寿命评估、检验监督及质量管理；基于BigData分析、IoF和多因素耦合交互作用的金属构件失效机制分析与可靠性（寿命）评估；极端条件下金属的失效机理与防护研究及涂层制备技术。

材料非平衡成形过程模拟和精确计算研究：通过对材料成形（铸造、锻造、焊接、再制造）过程模拟仿真，为相关工艺制定和方案优化提供理论依据。通过分子动力学和第一性原理计算方法，在原子和分子层面上认识、设计和计算材料结构和相关性质，探索材料的结构与性能的相关性，指导新材料的设计开发和工艺改进。可实现设计与分析的统一，集成化、智能化与协同化发展，柔性化、绿色化和虚拟化等并行设计，进而优化工艺设计，提高产品质量，缩短研发周期，降低开发成本和对资源的消耗，产生显著社会经济效益。

典型研究课题展示

一、非平衡凝固理论及亚稳材料研究方向

1、极端非平衡凝固理论与技术

研究深过冷高熵合金凝固机理、纳米强化及其对后续固态转变的关联，系统描述非平衡相变过程等。

非平衡凝固示例（从左至右）：3D打印、悬浮熔炼、非晶甩带

2、纳米结构材料设计及热/动力学相关性。

揭示高熵效应热-动力学在纳米晶高温稳定化控制及力学性能最优化方面的关键作用，发挥其优异力学性能优势，为高性能金属/合金、陶瓷等其它纳米材料的体系设计提供借鉴，为3D打印快速成型提供基础材料支撑。

3、新型合金复杂结构熔体精铸技术与计算机模拟。

主要从事基于合金体系设计、合金熔炼、浇注和铸造过程模拟的液态精确成型浇注系统设计、缺陷分析、工艺优化。依托国家重点研发项目，通过基于高压多路阀等关键核心零部件的工艺设计和精确计算，解决工程机械卡脖子问题。

二、失效分析与防护研究方向

主要研究金属及其构件的失效机理、失效分析方法的研究与应用；基于BigData分析、IoF和多因素耦合交互作用的金属构件失效机制分析与可靠性（寿命）评估；极端条件下金属的失效机理与防护研究及涂层制备技术；指导各类产品的规划、设计、选材、加工、寿命评估、检验监督及质量管理。

长期开展超大跨度钢桥梁腐蚀防护技术与耐蚀材料研发，解决超大跨度钢桥梁腐蚀防护问题。

受力构件的典型失效实例

高温合金构件涂层高温热防护实例

三、超高速定向激光熔覆制造与再制造方向

超高速定向激光熔覆制造与再制造技术集激光熔覆工艺技术、激光熔覆材料技术、激光表面改性技术和激光强化技术等多种技术于一体，同时结合系列智能化软件体系、自主研发的核心硬件体系。

主要的产业优势有：解决国家环保问题，替代电镀铬，避免“三废”的有效方案，有望彻底解决镀铬行业，乃至电镀行业污染问题；解决大型装备关键零部件现场修复问题，节约工时，建少成本，经济效益显著。

主要的技术优势有：超高速，熔覆效率比传统熔覆和电镀工艺提高10倍；定向式，定向生长超细枝晶纳米晶覆层，质量相比传统熔覆提高36%，寿命相比电镀提升3-5倍；可移动，提供个性化定制，关键部件避免拆装，可现场修复；低成本，单位生产成本降低30%。

四、窄间隙激光填丝焊研究方向

针对中厚板传统电弧焊效率低、能耗大、成本偏高、质量一般等问题，采用窄间隙激光填丝焊替代传统气体保护焊，并开发全套专机设备。通过研究，填充量可节省80%，提高加工效率，节约成本与能耗；减少热输入，改善焊接应力与变形问题，提升产品质量；改善操作工人劳动环境，真正做到以人为本；开发激光加工专机设备，实现数字化、智能化与一体化。最终完成技改与产能升级，积极响应《中国制造2025》提出的“绿色制造体系建设”的号召，提升企业资质与平台，真正打造引领行业发展的国之重器。

五、轻质高强塑TRIP/TWIP钛合金研究方向

钛合金材料作为金属材料的一个重要分支，其强度与塑性往往表现出相互制约的倒置关系，存在高强度和高塑性无法权衡的问题。为了克服传统的钛合金材料存在的诸如有限的延展性、差的加工硬化能力或低的抗损伤性等不足，设计出高强韧和良好加工硬化行为的TWIP/TRIP钛合金。作为航空发动机支撑架用材料和工程机械关键零部件用材料，应用到空客（北京）工程技术中心有限公司、徐工基础工程机械有限公司等企业。

高强塑TWIP/TRIP钛合金研发

六、材料非平衡成形过程模拟和精确计算研究方向

通过对材料成形（铸造、焊接、再制造）过程的温度场和应力场进行有限元仿真模拟，研究结构的残余应力和变形，为相关工艺制定和方案优化提供理论依据。

焊接温度场和应力场的有限元数值模拟

挖斗支耳组件焊接残余应力分布