研發(fā)鋁合金的集成計算材料工程

杜 勇， 李 凱， 趙丕植， 楊明軍， 程開明，魏 明， 孔 毅， 劉絲靚， 許慧霞， 塔 娜，徐 凱，5， 張 帆， 李 晗，5， 金展鵬，5

(1.中南大學(xué) 粉末冶金國家重點實驗室，長沙 410083； 2.中南大學(xué) 中德鋁合金微結(jié)構(gòu)聯(lián)合實驗室，長沙 410083； 3.中南大學(xué) 材料微結(jié)構(gòu)研究所，長沙 410083； 4.中鋁科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 102209； 5.中南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410083)

研發(fā)鋁合金的集成計算材料工程

杜 勇1，2，3， 李 凱1，2，3， 趙丕植4， 楊明軍1，2，3， 程開明1，2，魏 明1，2， 孔 毅1，2， 劉絲靚1，2，3， 許慧霞1，2， 塔 娜1，2，徐 凱1，2，5， 張 帆1，2， 李 晗1，2，5， 金展鵬1，2，5

(1.中南大學(xué) 粉末冶金國家重點實驗室，長沙 410083； 2.中南大學(xué) 中德鋁合金微結(jié)構(gòu)聯(lián)合實驗室，長沙 410083； 3.中南大學(xué) 材料微結(jié)構(gòu)研究所，長沙 410083； 4.中鋁科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 102209； 5.中南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410083)

用于鋁合金的集成計算材料工程是將微觀(10-10～10-8m)、細(xì)觀(10-8～10-4m)、介觀(10-4～10-2m)和宏觀(10-2～10 m)等多尺度計算模擬和關(guān)鍵實驗集成到鋁合金設(shè)計開發(fā)的全過程中，通過成分-工藝-結(jié)構(gòu)-性能的集成化，把鋁合金的研發(fā)由傳統(tǒng)經(jīng)驗式提升到以組織演化及其與性能相關(guān)性為基礎(chǔ)的科學(xué)設(shè)計上,從而大大加快其研發(fā)速度，降低研發(fā)成本。本文詳細(xì)闡述了原子尺度模擬、相圖計算、相場、元胞自動機和有限元等計算模擬方法及微結(jié)構(gòu)表征和性能測定的實驗方法，論述了其在鋁合金研發(fā)中所發(fā)揮的具體作用。基于集成計算材料工程，提出了從用戶需要、設(shè)計制備和工業(yè)生產(chǎn)3個層面研發(fā)鋁合金的具體框架。通過2個應(yīng)用實例，展示了集成計算材料工程在鋁合金研發(fā)中的強大功能，這也為新型鋁合金及其它新材料的設(shè)計和開發(fā)提供了新模式。

鋁合金；集成計算材料工程；多尺度模擬；數(shù)據(jù)庫；應(yīng)用

鋁合金集密度小、導(dǎo)電性好、耐蝕性強、散熱性能好、比強度高和易于進行加工等優(yōu)點于一體，在交通、航空航天等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。鋁合金在汽車輕量化方面功不可沒，汽車重量每下降10%，能源消耗就減少8%～10%[1]。早在1985年就有日本車企用Al-Mg-Si合金代替鋼材作為汽車外皮[2]。小轎車在標(biāo)準(zhǔn)公路上行駛時，車的自身質(zhì)量消耗的能源占 85% 左右[3]，西方國家曾多次頒布汽車的能效指標(biāo)，這充分體現(xiàn)汽車輕量化的迫切性，也說明鋁合金在汽車行業(yè)具有巨大的潛力。添加了Zn，Mg，Cu，Li等元素的7xxx系和2xxx系鋁合金早已廣泛作為民用飛機的主要結(jié)構(gòu)材料。在先進飛機方面，鋁合金與復(fù)合材料、鈦合金材料等競爭激烈，但若可以發(fā)展新技術(shù)、提高材料性能和利用率，鋁合金在未來民用大飛機市場仍具有卓越的競爭力[4]。軌道交通方面，鋁合金可以使鐵道車輛的重量大幅減輕，同時具有優(yōu)良的耐火、耐電弧、耐腐蝕和易于維修保養(yǎng)等優(yōu)點，作為軌道交通車輛的主體結(jié)構(gòu)，車體上型材約占總重的70%,板材約占27%,鑄鍛件占3%左右[5]。鋁合金比塑料、玻璃鋼等材料回收利用成本更低，這對保護生態(tài)環(huán)境很有意義。

鋁合金工業(yè)生產(chǎn)的“工藝-結(jié)構(gòu)-性能”之間是一個非常復(fù)雜的關(guān)系。比如，工藝包含成分、熱處理、變形加工等方面，結(jié)構(gòu)涉及晶粒、成分偏析、織構(gòu)、第二相等，而性能包含耐蝕性、硬度、強度、伸長率、斷裂韌度、成形性、表面質(zhì)量等。具體而言，描述第二相的參數(shù)有晶體結(jié)構(gòu)、成分、尺寸、(與基體的)錯配度、體積分?jǐn)?shù)等，成分包含Mg，Si，Cu，Cr，Mn，F(xiàn)e，Ni，Zn，Ag等主要合金元素及Sr，B等摻雜元素的含量，熱處理制度包含溫度、保溫時間、升/降溫速率等要素。因而單純依靠實驗來進行材料研究耗時費力。2008年美國政府提出的集成計算材料工程(Integrated Computational Materials Engineering，ICME)已得到工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛認(rèn)可和采用，并將在材料研發(fā)中發(fā)揮巨大作用。集成計算材料工程是將計算材料科學(xué)的工具集成為一個整體系統(tǒng)的材料開發(fā)過程，通過打通材料設(shè)計與制造環(huán)節(jié)，實現(xiàn)先進材料的高效開發(fā)、制造和使用。

集成計算材料工程是材料基因組計劃的重要部分，它被定義為將計算手段所獲得的材料信息與產(chǎn)品性能分析和制造工藝模擬相結(jié)合，旨在把計算材料科學(xué)的工具集成為一個整體系統(tǒng)以加速材料的開發(fā)過程，并把設(shè)計和制造統(tǒng)一起來，從而在實際制備之前就實現(xiàn)材料成分、制造過程和構(gòu)件的計算最優(yōu)化，有效提高先進材料的開發(fā)、制造和投入使用的速度。

本文簡述了鋁合金研發(fā)的主要計算和實驗方法，提出了從用戶需要、設(shè)計制備到工業(yè)生產(chǎn)三個層面研發(fā)鋁合金的集成計算材料工程的基本框架，并通過2個實例展示了集成計算材料工程的強大和高效。

1 集成計算材料工程在鋁合金研發(fā)中的計算方法

基于集成計算材料工程的思想，通過多尺度模擬方法，構(gòu)建不同空間和時間尺度的橋梁，將不同計算方法集成，可有效預(yù)測鋁合金的結(jié)構(gòu)和性能。材料的多尺度模擬是從原子尺度到微觀尺度到介觀尺度到宏觀尺度的模型和方法集成起來，主要包含的方法有：第一性原理計算、分子動力學(xué)和蒙特卡洛等原子尺度模擬方法、相圖計算方法、相場模擬、元胞自動機、有限元等。

1.1 各種原子尺度模擬方法

材料中原子間的相互作用控制著材料中原子的行為，并很大程度上決定了材料的各種性質(zhì)。原子間的這種相互作用，可以用數(shù)值計算的方式給出，也可以用解析函數(shù)來表達(dá)。也就是基于量子力學(xué)的第一性原理計算和采用了經(jīng)驗多體勢來描述原子間相互作用的分子動力學(xué)和蒙特卡洛等原子尺度模擬方法。

第一性原理指的是量子力學(xué)原理。只基于少數(shù)幾個基本假設(shè)的量子力學(xué)方法，叫abinitio方法。還有很多也基于少數(shù)幾個基本假設(shè)的量子力學(xué)方法，但同時增加了程度不同的近似考慮的計算方法。這些都統(tǒng)稱第一性原理計算方法。由于第一性原理計算不僅考慮了原子層次的相互作用，而且考慮了電子層次，因而可提供更多更準(zhǔn)確的微結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系的信息。比如近年來有學(xué)者基于點陣格林函數(shù)的可變邊界條件法與第一性原理耦合，采用500個左右的原子集團預(yù)測了鋁合金中溶質(zhì)原子與位錯相互作用以及鋁合金的屈服強度等力學(xué)性質(zhì)[6]。而對于鋁合金時效強化中的各種析出相，第一性原理計算更是獲得了廣泛的應(yīng)用，比如陳江華等在Science雜志上發(fā)表文章[7]，主要報告了他們對Al-Mg-Si合金析出過程的高分辨電鏡的實驗研究工作。文章同時給出了他們利用第一性原理計算來判斷析出過程中的亞穩(wěn)相能量的相對高低，從而得到了從能量較高的Mg2Si2Al7亞穩(wěn)相演變到能量較低的β″(Mg5Si6)亞穩(wěn)相的析出過程。2014年有學(xué)者采用576個原子集團構(gòu)型，基于第一性原理計算了β″亞穩(wěn)相在鋁基體中的析出能和應(yīng)變，并進一步定量分析了析出強化機制[8]。

雖然采用第一性原理計算能可靠描述原子間的相互作用，但計算量巨大，一般只適用于102左右的原子集團。采用了經(jīng)驗多體勢來描述原子間相互作用的分子動力學(xué)和蒙特卡洛等原子尺度模擬方法可計算更多原子數(shù)的原子集團，但可靠性嚴(yán)重依賴于所采用原子間經(jīng)驗多體勢。經(jīng)驗多體勢種類繁多，分別適合于金屬、離子化合物、分子晶體、高分子聚合物等。本文討論的是鋁合金，故而下面只簡單介紹金屬合金中獲得廣泛應(yīng)用的嵌入原子模型。緊束縛多體勢和F-S多體勢等都可認(rèn)為是嵌入原子多體勢的變體。

嵌入原子模型(Embedded Atom Method,EAM)的基本思想是：把系統(tǒng)中的每一個原子都看成是嵌入在由其他原子組成的基體中的雜質(zhì)，將系統(tǒng)的能量表示為嵌入能和相互作用勢能之和，從而將多原子相互作用歸結(jié)于嵌入能。對嵌入能的計算作了兩個假設(shè)，其一是假設(shè)嵌入能是局域電子密度及其高階導(dǎo)數(shù)的函數(shù)；其二是假設(shè)固體的電子密度可表示為原子電子密度的線性疊加。早期的EAM勢函數(shù)假設(shè)原子的電子密度呈球?qū)ΨQ分布，在模擬各類金屬體系時有廣泛的用途，但并不適用于半導(dǎo)體材料及含有共價鍵的有機分子。Baskes等構(gòu)建了修正嵌入原子勢(Modified Embedded-Atom Method,MEAM)，它在EAM勢的基礎(chǔ)上考慮了電子分布的非球形對稱，因此能更準(zhǔn)確的計算各類性質(zhì)但同時也增加了計算量。2012年Baskes等新開發(fā)的MEAM原子間相互作用勢函數(shù)，適用于Al，Si，Mg，Cu，F(xiàn)e以及它們的化合物[9]；與之前的實驗結(jié)果和DFT計算相比，該勢函數(shù)能很好地再現(xiàn)大體系中元素及合金的性能，同時也對各個元素及其合金化合物的勢函數(shù)進行了基本的有限溫度測試。

有了原子間相互作用勢能后，就可分別采用分子動力學(xué)和蒙特卡洛等方法進行原子尺度模擬。其中蒙特卡洛則基于統(tǒng)計概率，是一種隨機性的模擬方法。而分子動力學(xué)是基于牛頓第二定律的確定性的模擬方法，即對一個包含N個粒子(原子或分子)的體系，給定粒子之間相互作用勢，初始條件和邊界條件，通過對牛頓運動方程做數(shù)值積分，從而得到粒子運動軌跡的方法。近年來我們基于MEAM多體勢，通過分子動力學(xué)模擬獲得摻入不同含量的Cu和Al對β″-Mg5Si6亞穩(wěn)相力學(xué)性能的影響及其微觀形變機制[10]， U1-Al2MgSi2和U2-Al4Mg4Si4亞穩(wěn)相演化到β-Mg2Si穩(wěn)定相的可能機制和U1,U2析出對Al合金力學(xué)性能的影響規(guī)律等[11]。

這些基于第一性原理或經(jīng)驗勢的計算方法，雖然目前能處理的體系大小局限在原子層次，但通過對原子微結(jié)構(gòu)能量的計算或動力學(xué)的模擬，獲得的參數(shù)以及微結(jié)構(gòu)演變信息，能夠用來解釋微觀形變機制，或者通過唯像模型與宏觀性能建立聯(lián)系，從而成為集成計算材料工程的主要基礎(chǔ)。

1.2 相圖計算方法

鋁合金的工業(yè)生產(chǎn)涉及復(fù)雜的熱力學(xué)和動力學(xué)過程。相圖計算方法的思路是通過對二元、三元和多元體系的熱力學(xué)和動力學(xué)性質(zhì)的評估和測定，建立二元、三元和多元體系熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫從而獲得多組元鋁合金體系的熱力學(xué)、動力學(xué)信息并在此基礎(chǔ)上進行計算模擬。通過收集多組元鋁合金體系中各個相的吉布斯自由能和擴散系數(shù)，并將它們匯編在一起，形成一個完整的鋁合金熱力學(xué)和動力學(xué)數(shù)據(jù)庫，就可以很方便地計算工業(yè)生產(chǎn)所需的各種相圖信息和擴散行為。準(zhǔn)確的熱力學(xué)和動力學(xué)計算依賴于精確的熱力學(xué)和動力學(xué)數(shù)據(jù)庫。精確的熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫可以計算和預(yù)測鋁合金材料中平衡相的組成、體積分?jǐn)?shù)和熱力學(xué)性質(zhì)。目前國際上通用的數(shù)據(jù)庫是基于CALPHAD(CALculation of PHAse Diagram)[12-13]方法建立的。由于CALPHAD方法具有很好的自洽性，基于精準(zhǔn)的子二元、三元體系可以準(zhǔn)確地外推出多元鋁合金體系的相關(guān)相圖和擴散信息。國際上已有幾個成熟的商業(yè)化相圖計算軟件，例如Thermo-Calc[14]，Pandat[15]和Factsage[16]等。其中Thermo-Calc軟件是由瑞典皇家工學(xué)院在Hillert,Sundman和Jansson等人的工作基礎(chǔ)上，于1981年推出的相圖熱力學(xué)計算軟件。經(jīng)過30多年的發(fā)展，Thermo-Calc現(xiàn)已成為數(shù)據(jù)齊全、功能強大、結(jié)構(gòu)較為完整的計算系統(tǒng)，是世界上使用最廣泛的相圖熱力學(xué)計算軟件。為了描述體系在較寬濃度范圍的相平衡，CALPHAD方法中包含了所有子體系中所涉及相的熱力學(xué)模型。普遍采用的熱力學(xué)模型有置換溶體模型、亞點陣模型、有序-無序模型等。圖1為CALPHAD方法建立數(shù)據(jù)庫的示意圖。

鋁合金微觀結(jié)構(gòu)演變過程中的很多現(xiàn)象，如凝固過程中元素的擴散、固溶時效中新相的形成和亞穩(wěn)相的穩(wěn)定等，都與擴散現(xiàn)象密切相關(guān)。DICTRA(Diffusion Controlled TRAnsformation)是目前應(yīng)用最為普遍的一種用來模擬多組元體系擴散控制型相變過程的軟件包，其模擬過程中假設(shè)相界面上處于局部熱力學(xué)平衡的狀態(tài)。DICTRA模擬過程中不斷調(diào)用擴散體系當(dāng)前狀態(tài)所對應(yīng)的熱力學(xué)和動力學(xué)數(shù)據(jù)，并基于多組元擴散方程進行數(shù)值計算。對于一個材料體系，當(dāng)其熱力學(xué)和動力學(xué)數(shù)據(jù)庫已知后，DICTRA軟件就可以對其擴散行為進行定量模擬。DICTRA軟件可模擬均勻化、析出相的溶解和長大、第二相粒子的熟化、凝固過程中的顯微偏析、鐵素體和奧氏體之間的相變以及滲碳和碳氮共滲等。

1.3 相場、元胞自動機等微結(jié)構(gòu)模擬方法

微觀結(jié)構(gòu)對應(yīng)的空間尺度大致為μm級到mm級，從有限元、相場計算、元胞自動機模擬到流體力學(xué)計算機輔助設(shè)計是這一領(lǐng)域的主要研究工具。微觀組織數(shù)值模擬的方法主要有Monte-Carlo法、元胞自動機(Cellular Automaton,CA)法和相場方法，前兩者是基于概率論思想，能較合理地反映出晶體生長過程中的隨機性。元胞自動機是定義在一個由具有離散、有限狀態(tài)的元胞組成的元胞空間上，并按照一定局部規(guī)則，在離散的時間維上演化的動力學(xué)系統(tǒng)。相場法是基于體系總能量總是趨于最小值，熵泛函的變分為零的思路，通過引入相場變量，在描述非平衡狀態(tài)中復(fù)雜相界面演變時，不需要跟蹤復(fù)雜固液界面，通過求解控制空間上不均勻的相場變量的時間關(guān)聯(lián)的動力學(xué)方程而獲得。相場法和元胞自動機是目前凝固組織模擬中最有潛力的兩種方法,但是元胞自動機是區(qū)別于相場擴散界面模型的尖銳界面模型。

相場模型通常分為連續(xù)相場和微觀相場(離散模型)兩大類，而這兩種模型均可看做是Onsager和Ginzburg-Landau理論的派生方法[17-19]。微觀相場與連續(xù)相場的主要區(qū)別在于場變量的不同。微觀相場模型是利用原子占據(jù)晶格位置的概率作為場變量。該相場模型由Khachaturyan[20]創(chuàng)建，并由Chen[21],Wang[22]等進行了發(fā)展,其模擬的領(lǐng)域主要集中在固態(tài)相變、時效析出和馬氏體轉(zhuǎn)變等。而連續(xù)相場模型的場變量也稱為相場，其作用是為了避免追蹤界面所帶來的困難。實際上所有的凝固模型都屬于這一類，而相場模型最早也是用來模擬純金屬的凝固過程的。相場變量結(jié)合成分場變量可以描述相轉(zhuǎn)變過程在時間和空間上的演變過程。目前應(yīng)用較廣泛的連續(xù)相場模型主要有3種：WBM模型[23]、KKS模型[24]和Steinbach模型[25],以及最新由Steinbach和Zhang發(fā)展的考慮有限界面耗散的多相場模型[26]。WBM模型假定固液界面是由濃度相同的固、液相的混合，從而使得模型中會增加一個額外的雙勢阱；KKS模型則假定平衡時固液界面是由化學(xué)勢相同的固、液相的混合構(gòu)成，且該模型還假定合金熔體為理想溶液，從而忽略了溶質(zhì)濃度的影響，因而主要適合于稀二元合金凝固過程的模擬；而Steinbach模型同樣在假定界面上各相擴散勢相等的基礎(chǔ)上，通過純物質(zhì)與合金之間變量的匹配，直接將純物質(zhì)的相場模型擴展為多相場模型，從而實現(xiàn)了多元多相合金微結(jié)構(gòu)的動態(tài)模擬。而Steinbach和Zhang[26]在傳統(tǒng)多相場模型的基礎(chǔ)上，通過引入界面耗散系數(shù)，建立的考慮有限界面耗散的多相場模型中，每個相都對應(yīng)一個成分場，成分場是通過動力學(xué)方程連接而不是通過平衡配分條件給定。該模型消除了傳統(tǒng)相場模型獲得界面相成分的各種熱力學(xué)假設(shè)，可用于任意熱力學(xué)狀態(tài)下的微觀結(jié)構(gòu)演變模擬，如定向凝固、快速凝固等。

相場變量分為守恒場變量和非守恒場變量兩種，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，濃度場是守恒場變量，可以用Cahn-Hilliard[27]方程描述：

(1)

式中：濃度c(r,t)是演化過程中與位置和時間相關(guān)的守恒量；t為時間；M與原子移動性相關(guān)；Ftot為系統(tǒng)總的自由能。而從能量角度，相場變量屬于非守恒量，滿足Allen-Cahn 方程[28]：

(2)

式中：相場變量φ為演化過程中與位置和時間相關(guān)的不守恒量；L為與界面動力學(xué)相關(guān)的弛豫系數(shù)。

相場和尖銳界面的最本質(zhì)區(qū)別之一是界面。尖銳界面沒有界面厚度，而相場考慮一定的界面厚度，認(rèn)為界面是彌散界面。相場中的界面可以是實際界面厚度(薄界面模型，如WBM模型)，也可以是數(shù)值界面，如多相場模型。關(guān)于修正界面厚度影響的工作，最早由Karma[29]給出，Steinbach在其綜述[30]中也有提到。與其他方法相比，相場法有著以下獨特的優(yōu)點：1)相場方法采用擴散界面避免了傳統(tǒng)尖銳界面追蹤界面的困難，因而可對各種復(fù)雜微結(jié)構(gòu)進行二維和三維模擬；2)相場方法可描述非平衡過程的微結(jié)構(gòu)演變。此外，相場模型可與不同的外場方程耦合，實現(xiàn)宏觀尺度與微觀尺度的結(jié)合來進行溫度場、流場、磁場等作用下微觀結(jié)構(gòu)演變的模擬，從而可以研究溫度梯度、流場速度、過冷度、各向異性和不同的擇優(yōu)取向等因素對微觀形貌的影響。經(jīng)過20多年的發(fā)展，尤其是多相場模型問世之后，相場法已廣泛應(yīng)用于多元多相工業(yè)合金在不同制備過程微結(jié)構(gòu)演變的模擬。

1.4 有限元

有限元法是20世紀(jì)60年代隨電子計算機的廣泛應(yīng)用而發(fā)展起來的一種數(shù)值方法，具有很強的通用性和靈活性。其基本思路是：將整個結(jié)構(gòu)看作由有限個力學(xué)小單元相互連接而形成的集合體，每個單元的力學(xué)特性組合在一起便可提供整體結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性[31]。目前國內(nèi)外有多款通用有限元程序，比較著名的有ABAQUS，ANSYS，ADINA和MARC等。

利用連續(xù)介質(zhì)有限元法，可以對鋁合金進行宏觀尺度和微觀尺度的力學(xué)分析。宏觀分析通常以實際加工或服役過程中的工件為研究對象。在這種情況下，非均質(zhì)材料被作為均質(zhì)材料處理，其力學(xué)性質(zhì)可以由力學(xué)實驗或公式計算獲得。微觀尺度有限元分析的對象是包含材料微觀結(jié)構(gòu)的特征體積單元(Representative Volume Element, RVE)。多相材料的力學(xué)性能受到其微觀組織結(jié)構(gòu)的影響。基于微觀結(jié)構(gòu)信息，結(jié)合連續(xù)介質(zhì)有限元法，人們可以模擬外場作用下材料在微觀尺度上的力學(xué)響應(yīng)，進而更好地理解和預(yù)測宏觀力學(xué)行為。材料微觀結(jié)構(gòu)信息可以來自實驗觀測(如經(jīng)過處理的金相照片)也可以由其他方法生成(如相場模擬或參數(shù)化建模)。因為基于微結(jié)構(gòu)的有限元模擬是一種以局部代表整體的方法，所以微觀結(jié)構(gòu)的選取需要具有代表性，即模擬所用的特征體積單元應(yīng)能反映材料微觀組織基本形貌和分布特征。將微觀結(jié)構(gòu)信息導(dǎo)入有限元分析工具并進行網(wǎng)格劃分、賦予各相以相應(yīng)的力學(xué)性能、對模型施加合適的邊界條件和載荷，即可進行有限元分析?；谖⒂^結(jié)構(gòu)的有限元法已被用于模擬鋁合金的應(yīng)力分布和應(yīng)變集中等行為[32-33]。

可以看出，上述各種材料計算方法都可以從不同尺度描述微結(jié)構(gòu)的演化軌跡，原子尺度模擬方法主要描述原子結(jié)構(gòu)與能量之間的關(guān)系，相場、元胞自動機等微結(jié)構(gòu)模擬方法側(cè)重于體系能量與微觀結(jié)構(gòu)演化之間的定量關(guān)系，連續(xù)介質(zhì)有限元方法則用于描述材料微觀結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)性能的關(guān)系。然而，無論是晶內(nèi)界面、平直界面或者擴散型界面都是推導(dǎo)或者提出某一特定理論的邊界條件，也就是對理論應(yīng)用范圍的約束條件，從這個角度來說各個方法又存在計算思路的一致性。在各種計算材料方法的集成中，CALPHAD方法可以將原子尺度計算獲得的能量信息轉(zhuǎn)化為微觀結(jié)構(gòu)演化數(shù)值模擬方法所需的輸入?yún)?shù)，而微觀結(jié)構(gòu)的模擬方法則可以直接作為連續(xù)介質(zhì)有限元方法的輸入。這些多層次/多尺度的組織(或相)計算方法為我們發(fā)展高強、高韌、耐損傷金屬材料提供了有借鑒價值的線索。

2 集成計算材料工程在鋁合金研發(fā)中的實驗方法

2.1 顯微結(jié)構(gòu)

對于鋁合金而言，特別是航空用的2xxx、6xxx以及7xxx系鋁合金，其生產(chǎn)工藝相當(dāng)復(fù)雜，從凝固到時效過程中每一個步驟都會對合金的最終性能產(chǎn)生非常大的影響，而性能的變化主要是由組織結(jié)構(gòu)的變化所引起的。所以為了使鋁合金產(chǎn)品性能的最優(yōu)化，必須對其生產(chǎn)工藝中各個階段組織結(jié)構(gòu)特征進行觀察分析。目前對鋁合金中組織結(jié)構(gòu)和微區(qū)成分分析所用的設(shè)備包括：金相顯微鏡(Metallographic Microscope)、掃描電鏡(Scanning Electron Microscope,SEM)、電子探針(Electron Probe Microanalyzer,EPMA)、透射電鏡(Transmission Electron Microscope,TEM)、三維原子探針(Three-Dimensional Atom Probe,3DAP)等。

材料研究從宏觀到微觀轉(zhuǎn)變的過程中，光學(xué)顯微鏡起到了一個承接的作用，目前也并未被完全取代。例如，作者等就利用金相顯微鏡分別觀察了Al-Fe-Mg-Mn-Si合金的定向凝固組織[34]和Al-Mg-Si-Cu合金晶間抗腐蝕性能測試的腐蝕深度[35]。相對于金相顯微鏡，SEM在鋁合金的研發(fā)中應(yīng)用較多，特別是配備有電子背散射衍射(Electron Backscatter Diffraction,EBSD)探頭的SEM。Hall等在1994年就用SEM觀察了2124鋁合金的斷裂形貌[36]；2014年，作者等用SEM中的二次電子像和背散射電子像來輔助測定凝固態(tài)Al-Mg-Si-Cu合金中Q相和Si顆粒的體積分?jǐn)?shù)[37]；而Mukhopadhyay等更是借用EBSD對含Sc的Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金在不同變形條件下的再結(jié)晶行為進行了探索[38]。事實上，一臺配備有EDX探頭的SEM可以看作一臺簡易的EPMA，只是分析精度沒有專業(yè)的EPMA高。Huda等[39]就結(jié)合金相顯微鏡、SEM以及EPMA對Royal Malaysian Air Force (RMAF)提供的航空用2024-T3鋁合金中的微結(jié)構(gòu)進行了表征。

對于可時效強化的2xxx，6xxx以及7xxx系鋁合金，其時效析出粒子都非常小，特別是6xxx系鋁合金中的析出粒子，僅憑借SEM、EPMA等手段是無法對時效析出粒子進行表征的，所以必須借助于分辨率更高的TEM。Yang等[40]結(jié)合TEM和EBSD對擠壓過的Al-Mg-Si-Cu合金中由于晶體取向差誘發(fā)下的晶界析出粒子進行了研究，發(fā)現(xiàn)熱加工過程中織構(gòu)的形成與晶界上析出粒子息息相關(guān)。在該合金中比較多的是黃銅型織構(gòu){110}〈112〉，它可以引入很多小角度晶界，而再結(jié)晶立方織構(gòu){100}〈001〉主要會引入大角度晶界。在小角度晶界上的析出序列為β″前驅(qū)體→β′→β，在大角度晶界上為Q′→Q，而晶界上的Q′/Q相會降低合金晶間抗腐蝕性能，所以可以通過抑制該合金的再結(jié)晶織構(gòu)的形成來改善合金的晶間抗腐蝕性能。

3DAP在鋁合金的研究中也發(fā)揮了巨大作用。例如，Ogura等[41]為了闡釋Al-Zn-Mg(-Ag)合金中晶界無析出區(qū)(Precipitate Free Zones,PFZ)的形成機制，通過3DAP對晶界附近溶質(zhì)原子的分布進行了探索。研究發(fā)現(xiàn)，空位損耗是Al-Zn-Mg合金中PFZ形成的主要機制，而在含Ag的Al-Zn-Mg合金中PFZ形成的主要機制是溶質(zhì)損耗。

通過上述微結(jié)構(gòu)研究手段，可以對鋁合金的微觀結(jié)構(gòu)進行跨尺度的表征，從而得到合金中晶粒大小，織構(gòu)，第二相顆粒、納米析出相乃至GP區(qū)的晶體結(jié)構(gòu)特征、成分、尺寸、數(shù)密度、體積分?jǐn)?shù)等一些列參數(shù)，最終便可以基于“工藝-結(jié)構(gòu)-性能”相關(guān)性來優(yōu)化生產(chǎn)工藝從而調(diào)控合金的性能。

2.2 性能

材料的力學(xué)性能、耐腐蝕性能等由其微觀結(jié)構(gòu)決定，不同的微結(jié)構(gòu)參數(shù)對不同性能的影響大小迥異。鋁合金的強化受到晶界強化、固溶強化、位錯強化、析出強化、層錯強化及模量強化等多種機制的影響，其中晶界強化主要受晶粒尺寸的影響，固溶強化主要受固溶原子種類及其固溶度影響，位錯強化與基體材料的剪切模量、柏氏矢量以及強化粒子間距相關(guān)，析出強化作用取決于粒子尺寸及體積分?jǐn)?shù)，層錯強化機制受析出相尺寸、體積分?jǐn)?shù)及析出相與基體間的層錯能之差控制，模量強化作用大小取決于析出相尺寸、體積分?jǐn)?shù)以及析出相與基體間的剪切模量之差。根據(jù)Dixit等的強化模型，與析出相相關(guān)的后四種強化機制對總強度的貢獻占50%以上[42]。因而，對于析出相的形貌、尺寸、數(shù)密度及體積分?jǐn)?shù)的精確定量測量，對于獲得定量的微結(jié)構(gòu)-力學(xué)性能相關(guān)性、提升力學(xué)性能模型準(zhǔn)確性從而實現(xiàn)高效逆向設(shè)計非常重要，也越來越得到研究者們的重視。挪威科學(xué)家Marioara等采用電子能量損失譜(Electron Energy-Loss Spectrometry,EELS)來測量TEM中一個微區(qū)的厚度，結(jié)合微區(qū)析出相數(shù)量、形貌、尺寸等測量結(jié)果計算出析出相數(shù)密度及體積分?jǐn)?shù)。最近作者等通過CBED來更精確地測量微區(qū)厚度，從而得到了更精確的析出相數(shù)密度及體積分?jǐn)?shù)，并得到了三維原子探針技術(shù)的佐證[43]。

耐腐蝕性能則更多地取決于合金元素的介觀偏析，尤其是像Cu這樣與Al存在較大電極電位差的元素。比如，Prillhofer等[44]通過對比不同的Cu含量的板材經(jīng)預(yù)時效及時效熱處理后的抗腐蝕性，發(fā)現(xiàn)Cu含量高的Al-Mg-Si合金在時效熱處理后的耐腐蝕性能差，表現(xiàn)為強烈的晶間腐蝕。Zander等[45]發(fā)現(xiàn)Al-Mg-Si-Cu合金的固溶態(tài)最耐腐蝕，并通過聚焦離子束技術(shù)(Focused Ion Beam,FIB)對時效態(tài)合金(172 ℃，12 h)中的腐蝕坑(晶界)精確取樣進行HAADF及高分辨EDX觀察后，發(fā)現(xiàn)晶間腐蝕跟晶界處聚集的富Cu顆粒有關(guān)，這是因為富Cu顆粒電極電位高，充當(dāng)陰極，與Al構(gòu)成原電池，加速了腐蝕進程。楊文超等[46]通過EBSD、高分辨TEM(High Resolution TEM,HRTEM)對擠壓態(tài)Al-Mg-Si-Cu合金的時效微結(jié)構(gòu)(175 ℃欠時效30 min)中的小角度及大角度晶界分別進行研究后發(fā)現(xiàn)，小角度晶界上的析出相主要為β′，而大角度晶界處的析出相為含Cu的Q′。由于后者容易引起晶間腐蝕，因而通過避免再結(jié)晶織構(gòu)的出現(xiàn)來減少大角度晶界，有望提高合金耐蝕性。然而，這一結(jié)論與Holmestad等[47]的HRTEM結(jié)果相反，后者通過HRTEM研究，發(fā)現(xiàn)Al-Mg-Si-Cu合金(155 ℃欠時效12 h)中大角度晶界處與小角度晶界處的析出相均為Q′，而且通過HREDX發(fā)現(xiàn)晶界處除了析出相還均勻分布著一個富Cu膜。而Larsen等[48]的HREDX結(jié)果同樣確認(rèn)了另一個欠時效Al-Mg-Si-Cu合金(185 ℃，42 min)中晶界富Cu膜的存在，且發(fā)現(xiàn)在過時效狀態(tài)下，隨著晶界處Q′相的析出及長大，富Cu膜被消耗，隨之而來的是合金耐蝕性的提升。類似的富Cu膜在Al-Zn-Mg-Cu合金中亦有報道[49]。而作者等最近的工作亦間接印證了富Cu膜對Al-Mg-Si-Cu合金耐蝕性的影響，通過HRTEM及SAED分析，發(fā)現(xiàn)在時效前進行沖壓變形能在晶粒中引入大量位錯，促進析出相的形核使其較早析出強化相β″，由于β″被證實為含Cu，因而β″的形核及長大必然消耗大量Cu元素從而減輕了Cu在晶界富集的程度，相應(yīng)地合金耐蝕性得到改善。綜上所述，在添加Cu元素的鋁合金時效早期，富Cu膜在晶界處的生成是普遍現(xiàn)象，也是欠時效鋁合金耐蝕性較差的一個原因，隨著時效的繼續(xù)進行，晶界上析出相的不斷生成及長大消耗了大量的溶質(zhì)元素，因而富Cu膜被消耗從而合金耐蝕性改善。在低Cu添加量下，小角度晶界上有可能生成貧Cu析出相，從而有可能使合金耐蝕性不受影響。如何調(diào)整合金成分尤其是Cu含量，使合金在適當(dāng)?shù)墓に囅?，既能提升析出速率從而提高強度，又不表現(xiàn)出較大的耐蝕性惡化，是鋁合金綜合性能協(xié)同提升的一個挑戰(zhàn)。

3 集成計算材料工程在鋁合金研發(fā)中的數(shù)據(jù)庫

3.1 相圖熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫

經(jīng)過相圖計算領(lǐng)域的學(xué)者約30年的努力，已經(jīng)建立了各種多元鋁合金熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫。其中最具影響力的商用鋁合金熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫有3個:TT-AL[50]、PanAl[51]及TCAL[52]。其中TCAL[50, 52]是中南大學(xué)杜勇研發(fā)團隊與瑞典Thermo-Calc公司合力開發(fā)。該數(shù)據(jù)庫目前包含34個元素，445個固溶體和金屬間化合物相，是目前國際上包含元素和相最多的多元鋁合金熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫。一般來說，為了獲得熱力學(xué)參數(shù)，需要輸入相圖熱力學(xué)實驗數(shù)據(jù)，高精度的熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫是基于合理的熱力學(xué)模型和精確可靠的相圖熱力學(xué)實驗數(shù)據(jù)。純組元、二元系和三元系是建立熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)，精準(zhǔn)可靠的二元系和三元系熱力學(xué)參數(shù)可外推描述多元系的相平衡[53]。該數(shù)據(jù)庫中純組元的參數(shù)取自歐洲熱數(shù)據(jù)科學(xué)組織的純組元熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫[54]，并對關(guān)鍵二元系和三元系進行了精確的實驗測定和計算。具體構(gòu)筑方法在前文中已經(jīng)做過了詳細(xì)闡述，即采用了實驗與計算相結(jié)合的思路，如多相鋁合金相平衡的顯微結(jié)構(gòu)測定和第一性原理計算。

上述所建立的高質(zhì)量相圖熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫是實現(xiàn)多元多相鋁合金制備過程微觀結(jié)構(gòu)演變定量描述的有效途徑。相圖熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫不但可以成功利用溫度成分關(guān)系來預(yù)測關(guān)鍵成分的析出序列，指導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)，還可以在構(gòu)筑擴散系數(shù)、黏度及摩爾體積等CALPHAD類型的熱物性質(zhì)數(shù)據(jù)庫方向起到關(guān)鍵作用，如圖2所示。

3.2 熱物性數(shù)據(jù)庫

除相圖熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫外，黏度、熱導(dǎo)率、體積等描述鋁合金凝固和均勻化退火過程等熱處理過程中組織結(jié)構(gòu)演變的重要熱物性參數(shù)。黏度是液體內(nèi)摩擦力的表征，它描述妨礙液體流動的能力。液體的溫度，化學(xué)成分和液體中的夾雜物能顯著地影響?zhàn)ざ萚55]?？刂畦T錠的質(zhì)量，減少鑄錠開裂、縮孔、分層等缺陷需要精準(zhǔn)的黏度數(shù)據(jù)。熱導(dǎo)率，是材料的一種基本輸運性質(zhì)，它反映物質(zhì)的熱傳導(dǎo)能力。熱導(dǎo)率是鋁合金中的一個重要的熱物性參數(shù)，較高的熱導(dǎo)率會促使鋁合金在凝固和加工過程中散熱均勻，從而消除對力學(xué)性能有害的“熱蝕現(xiàn)象”，同時可以降低鋁合金基體中的熱應(yīng)力，并提高其抗疲勞性能[56-57]。摩爾體積是材料的基本物理性質(zhì)，其變化伴隨在凝固及后續(xù)熱處理過程中，并顯著影響材料的性能。

精準(zhǔn)的熱物性參數(shù)是獲得可靠計算模擬的重要前提。近十多年來，用第一性原理和分子動力學(xué)模擬等原子尺度方法來計算純元素或簡單二元系的黏度和熱導(dǎo)率逐漸成熟，但原子尺度模擬方法很難獲得多元多相合金的熱物理性能。CALPHAD方法基于二元合金體系參數(shù)，可以描述三元甚至多元多相體系的相圖熱力學(xué)信息，彈性性質(zhì)以及點陣常數(shù)等。目前，CALPHAD數(shù)據(jù)庫已逐漸成為多種微觀組織演化模擬方法的重要輸入?yún)?shù)來源。例如，介觀尺度的蒙特卡洛和相場方法，宏觀尺度的有限元方法，計算時都可以通過CALPHAD數(shù)據(jù)庫輸入擴散系數(shù)、熱導(dǎo)率、熱容、摩爾體積、黏度、密度等熱物性參數(shù)。采用計算模擬并輔以關(guān)鍵實驗，描述鋁合金制備過程中組織結(jié)構(gòu)演變規(guī)律并建立結(jié)構(gòu)-性能相關(guān)性，可以優(yōu)化合金成分和工藝參數(shù)獲得性能所需的微觀結(jié)構(gòu)。

目前，國內(nèi)外科學(xué)家采用CALPHAD方法對鋁合金材料熱物性開展了大量研究[58-62]。其中，中南大學(xué)杜勇研發(fā)團隊已經(jīng)初步開展了關(guān)于鋁合金黏度[63]、熱導(dǎo)率[64]、體積[65]等熱物性數(shù)據(jù)庫的建立及耦合相場模擬[66]的相關(guān)工作，如圖3～6。建立熱物理性質(zhì)數(shù)據(jù)庫并同已建立的熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫結(jié)合起來，實現(xiàn)凝固、均勻化退火等過程組織演化的定量模擬，必將為鋁合金微結(jié)構(gòu)的精確控制以及性能提升打下重要的理論基礎(chǔ)。

3.3 性能數(shù)據(jù)庫

除了上面所述的相熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫，擴散系數(shù)、黏度、熱導(dǎo)率、摩爾體積數(shù)據(jù)庫外，界面能、彈性常數(shù)數(shù)據(jù)庫、單相的各種性能數(shù)據(jù)庫及合金的強度、斷裂韌度等數(shù)據(jù)庫也是集成計算材料工程所需數(shù)據(jù)庫的重要組成部分。由于實驗和計算條件的限制，有關(guān)鋁合金的這些數(shù)據(jù)庫的信息很缺乏。

4 研發(fā)鋁合金的集成計算材料工程框架

集成計算材料工程將通過計算工具所獲得的材料信息與產(chǎn)品性能分析和制造工藝模擬集成在一起，目的在于高效設(shè)計新材料，或者進一步提升已用材料的綜合性能。集成計算材料工程涉及用戶需要、設(shè)計制備和工業(yè)生產(chǎn)這三個層面。各層面之間的關(guān)系如圖7和圖8所示，下文給出了各層面的詳細(xì)介紹。通過結(jié)合多尺度模擬和實驗方法及其與數(shù)據(jù)庫的系統(tǒng)集成，可將鋁合金的開發(fā)逐步由“經(jīng)驗指導(dǎo)實驗”向“理論預(yù)測、實驗驗證”的材料研究新模式轉(zhuǎn)變。

4.1 用戶需要

研發(fā)鋁合金的集成計算材料工程的第一層面為用戶需要。由于鋁合金是工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一類有色金屬結(jié)構(gòu)材料，在航空、航天、汽車、機械制造、船舶及化學(xué)工業(yè)等不同的服役環(huán)境下，對鋁合金的性能有著不同的需求。因此，在鋁合金設(shè)計和制備前，需要確定鋁合金的使用平臺，并相應(yīng)地確定合金的幾何形狀，進而根據(jù)用戶的實際使用要求提出性能指標(biāo)。

4.2 設(shè)計制備

根據(jù)用戶需求進行鋁合金的設(shè)計制備，即研發(fā)鋁合金的集成計算材料工程的第二層面。該層面包含4個模塊，即成分設(shè)計、制備工藝設(shè)計、顯微結(jié)構(gòu)預(yù)測、性能預(yù)測，這4個模塊覆蓋了鋁合金研發(fā)的各個方面，對于設(shè)計制備高性能的鋁合金均具有重要的意義。每個模塊均通過理論建模結(jié)合關(guān)鍵實驗驗證確保計算的準(zhǔn)確性和可行性。同時，各個模塊之間通過參數(shù)數(shù)據(jù)的內(nèi)在聯(lián)系實現(xiàn)完整、全面和準(zhǔn)確得多尺度鋁合金研發(fā)。在鋁合金設(shè)計制備中，成分-結(jié)構(gòu)-性能這三者之間的關(guān)系應(yīng)該形成良好的循環(huán)，及時調(diào)整，互為補充。基于精準(zhǔn)的材料數(shù)據(jù)庫的集成計算材料工程是實現(xiàn)鋁合金的設(shè)計制備的關(guān)鍵技術(shù)手段。它將計算熱力學(xué)、動力學(xué)、相場模擬和有限元模擬等軟件通過編程集成起來，與關(guān)鍵實驗相結(jié)合并進行實時數(shù)據(jù)交流和分析，將可靠的材料數(shù)據(jù)庫用于針對用戶需求的材料計算設(shè)計。

4.2.1 成分設(shè)計

鋁合金的成分設(shè)計旨在根據(jù)用戶需求確定合適的成分，使得設(shè)計的成分在合適的相區(qū)內(nèi)，且需避免有害相的出現(xiàn)。實現(xiàn)準(zhǔn)確的成分設(shè)計，需要基于精準(zhǔn)可靠的熱力學(xué)和動力學(xué)數(shù)據(jù)庫。

通過熱力學(xué)計算，可獲得不同成分下合金的相組成、液相點溫度以及固溶度等信息，這對鋁合金成分的設(shè)計至關(guān)重要。通過動力學(xué)計算，可預(yù)測鋁合金中不同元素在不同相中的擴散速率、模擬眾多工藝參數(shù)(元素含量、凝固和熱處理的時間和溫度等)對鋁合金相組成和成分分布的影響。

4.2.2 顯微結(jié)構(gòu)預(yù)測

鋁合金的顯微結(jié)構(gòu)主要由合金成分以及制備工藝決定，而顯微結(jié)構(gòu)又決定其性能。顯微結(jié)構(gòu)主要包括成分分布、晶粒大小和形貌、合金相組成以及界面等等。要合理描述鋁合金在制備過程中的微觀組織結(jié)構(gòu)演變，一方面需結(jié)合第一性原理、熱力學(xué)、動力學(xué)和相場等計算方法，基于精準(zhǔn)的熱力學(xué)、動力學(xué)和熱物性數(shù)據(jù)庫建立準(zhǔn)確可靠的預(yù)測顯微結(jié)構(gòu)的相場模型等，另一方面采用OM，SEM，TEM，EPMA，EBSD和3DAP等方法對鋁合金的顯微結(jié)構(gòu)進行細(xì)致深入的實驗分析，驗證并優(yōu)化顯微結(jié)構(gòu)預(yù)測模型。基于經(jīng)過驗證和優(yōu)化的相場模型預(yù)測顯微結(jié)構(gòu)，可對鋁合金顯微結(jié)構(gòu)進行準(zhǔn)確調(diào)控。

對于設(shè)計的合金成分，需觀察獲得的組織結(jié)構(gòu)是否為所需組織，如果是則可繼續(xù)向性能循環(huán)，若不是則根據(jù)計算模擬再調(diào)整合金成分和制備工藝來獲取所需組織結(jié)構(gòu)。

4.2.3 性能預(yù)測

鋁合金的性能主要包括物理性能(密度、黏度、熱膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率等)和力學(xué)性能(硬度、韌性、強度、疲勞等)。第一性原理可用于計算鋁合金材料不同結(jié)構(gòu)的彈性模量、泊松比和磁性等，這些信息可為有限元模擬提供基本的輸入信息。有限元模擬可基于相場模擬或者實驗測定的組織結(jié)構(gòu)進行建模，然后將顯微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)耦合到一起，進而結(jié)合材料性能數(shù)據(jù)庫預(yù)測鋁合金整體的力學(xué)性質(zhì)。通過對鋁合金性能的實驗測定，可修正并建立結(jié)構(gòu)和性能關(guān)系的定量預(yù)測模型。如果合金的物理性能滿足要求，但其力學(xué)性能不滿足，則可追溯到合金的成分，組織或是工藝進行調(diào)整。

4.2.4 制備工藝

鋁合金常常需要經(jīng)過復(fù)雜的凝固、變形、熱處理等制備工藝才能制成產(chǎn)品。材料的成分-結(jié)構(gòu)-性能三個部分與制備工藝過程息息相關(guān)。要合理地設(shè)計這些工序則要求對鋁合金制備過程的各參數(shù)(包括：凝固速率、變形量、變形時間、熱處理溫度和相應(yīng)的保溫時間等)與制備產(chǎn)物之間關(guān)系進行定量描述。要建立定量描述關(guān)系，必須詳細(xì)地記錄材料的整個制造和加工過程、樣品制備、測試方法和條件等，并最終集成所有數(shù)據(jù)建立各個部分的關(guān)聯(lián)性。

4.3 工業(yè)生產(chǎn)

在集成計算材料工程設(shè)計制備出滿足用戶需求的鋁合金產(chǎn)品后，需要進入第三層面，即工業(yè)生產(chǎn)。從實驗到工業(yè)生產(chǎn)并不是簡單的放大，其中涉及諸多的生產(chǎn)環(huán)節(jié)。為了不盲目生產(chǎn)，首先需進行鋁合金原型的試制和測試，該過程是對合金的整體性評估。整體評估要求對成分設(shè)計、顯微結(jié)構(gòu)預(yù)測、性能預(yù)測以及制備工藝4個模塊進行整體的分析評估，建立完整的評價標(biāo)準(zhǔn)及手冊，并收集鋁合金實際應(yīng)用中的數(shù)據(jù)。整體評估的輸出可反饋給各個設(shè)計、預(yù)測的模塊，并進行整體的優(yōu)化調(diào)整。在整體評估中，需密切跟蹤監(jiān)視產(chǎn)品的服役性能，采集數(shù)據(jù)并反饋給整體評估，在此基礎(chǔ)上對各個模塊進行進一步優(yōu)化?；谡w評估及服役反饋信息，選擇最合適的工藝參數(shù)，批量制備最終的工業(yè)產(chǎn)品。其中，由于成分、制備工藝、顯微結(jié)構(gòu)和性能之間互相影響，因此各個模塊之間是互為輸入的。這就要求每個模塊有各自獨立的數(shù)據(jù)庫，而各個模塊之間要有相互的數(shù)據(jù)接口。而要實現(xiàn)這一框架，需要在很大的范圍內(nèi)進行數(shù)據(jù)共享、評價，建立完整可靠的數(shù)據(jù)庫。

5 集成計算材料工程研發(fā)鋁合金的應(yīng)用實例

以下主要介紹通過集成材料工程來設(shè)計、制備2個鋁合金的應(yīng)用實例。

5.1 國外一個典型航空用鋁合金的研發(fā)

我們將展示美國弗尼吉亞大學(xué)Starke課題組[67]“能適應(yīng)2.2馬赫的高速運輸機機身用抗蠕變鋁合金”的研發(fā)案例。本案例結(jié)合了CALPHAD方法，第一性原理計算，模擬和實驗研究等方法。

5.1.1 合金體系的選擇

合金設(shè)計的第一步是選擇可以獲得特定微結(jié)構(gòu)和性能的體系。這主要通過文獻查閱和經(jīng)驗數(shù)據(jù)的評估完成。Zhu，Starke等選擇了Al-Zn-Mg-Ag合金。因為文獻評估顯示在Al-Cu-Mg-X 2xxx系鋁合金中，強化相特別是{100}α-Al2Cu 相(θ′/θ)比Al-Zn-Mg-X7xxx合金在相應(yīng)的溫度更加穩(wěn)定。在高Cu ∶Mg(10 ∶1質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)比的Al-Cu-Mg-X合金中加入少量的Ag(0.4質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)相比于原三元系合金可以明顯提高時效硬化強度[68-71]。強度顯著增加的原因是六方板狀析出相—Ω相沿{111}α慣析面的統(tǒng)一彌散形成[72-73]。一些詳細(xì)的研究顯示Ω相的內(nèi)在結(jié)構(gòu)與平衡θ相非常相似[74-75]。添加Ag形成的Ag-Mg團簇可以為Ω相提供形核位置[76]。

但是Ω相的長程穩(wěn)定性對S析出相(Al2CuMg)的存在較為敏感[77-78]。如果合金成分位于平衡的(α+θ+S)相區(qū)，S相的存在會導(dǎo)致Mg化學(xué)勢梯度的產(chǎn)生。重要的是，S相的存在阻止了板狀Ω相與基體形成共格界面所需的Mg的獲得?？梢?，S相對于Ω相的穩(wěn)定性和粗化抗性是有害的。所以，設(shè)計此四元合金的首要目標(biāo)是在較大溫度范圍內(nèi)合金位于(α+θ)相區(qū)，因此我們必須對Al-Cu-Mg三元合金和Al-Cu-Mg-Ag四元合金的相區(qū)有一個全面的了解。

5.1.2 Al-Cu-Mg-(Ag)相圖的建立

相圖主要依靠CALPHAD方法建立，目的在于明確(α+θ)相區(qū)，避開S相。

5.1.3 析出相結(jié)構(gòu)/工藝的選擇

一旦體系和相區(qū)確定后，就可以建模和模擬想要的微結(jié)構(gòu)。盡管位錯滑移模型考慮了固溶強化，但在大多數(shù)時效強化的研究中，固溶強化的效果比較小，可以忽略。Zhu，Starke等應(yīng)用了位錯滑移模型[79]和FEM分析[80]對多種析出相及其結(jié)構(gòu)進行了評估。結(jié)果顯示，強化效果不僅和析出相本身的強度及摩爾體積有關(guān)，還和形貌如形狀，密度，空間分布，取向分布有關(guān)。

為了能夠應(yīng)用在包含多種強化顆粒的時效強化合金中，Zhu，Starke等提出一種計算機模擬技術(shù)來研究不同顆?；旌衔锆B加的強化效果。這項技術(shù)基于Morris[81]的circle-rolling方法?；旌项w粒的強化應(yīng)力τp通過位錯在一個剪切應(yīng)力τ的作用下在一個滑移面穿過顆粒并沿一個滑移方向滑移的過程來定義。Al-Cu-Mg-Ag合金體系有兩種非剪切的板狀顆粒，Ω相和θ相。疊加效果可以通過以下方程來描述：

(5-1)

式中：nA和nB分別是AB顆粒的密度分?jǐn)?shù)；τA和τB分別是純AB顆粒的強化應(yīng)力；α在1～2之間變化。對于Al-Cu-Mg合金中的Ω+θ′混合物，模擬顯示大的Ω相顆粒根據(jù)顆粒環(huán)境既可以降低又可以增加強化效果。因此Zhu，Starke等提出一個結(jié)構(gòu)比較因子來描述這種變化的影響：

(5-2)

式中：系數(shù)ξ表示板狀顆粒取向的影響；DA是平均直徑；γA是A顆粒的長寬比；VmA和θA分別是A顆粒的摩爾體積和相對于滑移面的二面角。圖9顯示{100}α和{111}α面析出相的最佳比率是κAB的函數(shù)并且會造成合金強度(τ)是降低或增加。基于此模擬，采用T8X熱處理方法(人工時效后機械拉伸)來獲得Al-Cu-Mg-Ag合金的最佳結(jié)構(gòu)和性能[82]。

5.1.4 第一性原理計算，界面能和相穩(wěn)定性

相區(qū)和最佳析出相的結(jié)構(gòu)確定后，第一性原理計算可以用來計算和確認(rèn)Ω相的晶體結(jié)構(gòu)和界面能隨溶質(zhì)組元濃度變化的變化(圖10)。相結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要性自不必多說。共格或半共格體系第二相與基體的界面能是一個評估第二相相穩(wěn)定及粗化速率的重要參量，因為界面能能夠決定合金的抗蠕變能力。這些計算將會幫助選擇可以減慢析出相粗化的溶質(zhì)組元濃度，這比實驗的試錯法要快很多。

5.1.5 熱處理過程模擬

一旦想要的析出相結(jié)構(gòu)確定后，合金設(shè)計的下一個目標(biāo)便是發(fā)現(xiàn)和優(yōu)化制備(熱處理)過程以便實現(xiàn)生產(chǎn)。Zhu，Starke等采用的是基于Longer-Schwartz模型的數(shù)值模擬方法。析出相假設(shè)為均勻的并且單溶質(zhì)擴散控制，形核，生長，粗化三個階段處理為相伴的過程；但是Zhu，Starke等并沒有給出Al-Cu-Mg-Ag四元合金的模擬結(jié)果。在此，對于熱處理過程，我們推薦相場模擬方法，對于變形過程，我們推薦有限元模擬。

綜上，Starke等結(jié)合實驗，CALPHAD，第一性原理計算，數(shù)值模擬等方法，成功設(shè)計出了提高Al-Cu-Mg-Ag鍛造鋁合金的性能成分和工藝，使之能滿足2.2馬赫的高速運輸機機身的要求，加快了材料研發(fā)的進度。

5.2 國內(nèi)基于集成計算材料工程研發(fā)6xxx系鋁合金的成果

同樣基于集成計算材料工程，杜勇、李凱、張利軍、劉樹紅等通過與中鋁科學(xué)技術(shù)研究院趙丕植等的共同努力，結(jié)合凝固模擬、相平衡計算、硬度及強度測試、TEM組織觀察，系統(tǒng)研究了時效組織的影響因素和影響規(guī)律，通過優(yōu)化合金成分及均勻化、預(yù)時效相關(guān)參數(shù)，開發(fā)出一種強度較高(σ0.2為232 MPa，見圖11(a))、成形性好(伸長率22%，見圖11(b))的新型鋁合金并得到產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

6 結(jié)束語

集成計算材料工程將變革傳統(tǒng)經(jīng)驗試錯法的合金研發(fā)模式，成為多尺度計算模擬工具、實驗工具和數(shù)據(jù)庫相互融合、協(xié)同知識創(chuàng)新的基礎(chǔ)性研發(fā)平臺。計算模擬為新型鋁合金的研發(fā)提供指導(dǎo)，實驗工具與計算模擬相輔相成，互為補充，互相驗證。通過計算模擬與關(guān)鍵實驗數(shù)據(jù)相結(jié)合的研究方法，建立經(jīng)過優(yōu)化的材料數(shù)據(jù)庫。計算模擬的成功與否完全取決于這些數(shù)據(jù)庫的準(zhǔn)確度。通過兩個應(yīng)用實例，確認(rèn)了集成多尺度計算模擬及實驗工具的集成計算材料工程方法是鋁合金設(shè)計與開發(fā)的有效途徑。

然而，計算模擬當(dāng)前的主要問題是還不具備多空間和時間尺度的仿真計算能力，沒有一種廣泛普適的方法真正實現(xiàn)從原子尺度到微觀尺度到介觀尺度到宏觀尺度的模型和方法集成。此外，計算模擬要達(dá)到工程應(yīng)用的精度和尺度，數(shù)據(jù)庫的建立既要依據(jù)實驗室條件下的結(jié)果，也要在大工業(yè)生產(chǎn)中得到驗證。工程上應(yīng)用的材料是多組元多相的復(fù)雜體系，其生產(chǎn)和服役溫度跨度較大，外部條件千變?nèi)f化，這對計算工具和數(shù)據(jù)庫的要求很高。因此，建立擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的鋁合金設(shè)計數(shù)據(jù)庫(包括熱力學(xué)、動力學(xué)、不同溫度下材料的物理性能和力學(xué)性能等)和材料信息數(shù)據(jù)庫是當(dāng)務(wù)之急，將成為我國開發(fā)新一代鋁合金的重要手段和創(chuàng)新知識的重要源泉。另一方面，相圖熱力學(xué)、擴散動力學(xué)數(shù)據(jù)庫及熱物性數(shù)據(jù)庫結(jié)合相場和有限元等方法，定量描述鋁合金“制備工藝-顯微結(jié)構(gòu)-性能”的關(guān)系必將是鋁合金未來重要的研發(fā)方向。

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(責(zé)任編輯：張 崢)

Integrated Computational Materials Engineering (ICME) for Developing Aluminum Alloys

DU Yong1,2,3, LI Kai1,2,3, ZHAO Pizhi4, YANG Mingjun1,2,3, CHENG Kaiming1,2，5, WEI Ming1,2, KONG Yi1,2, LIU Siliang1,2,3, XU Huixia1,2, TA Na1,2, XU Kai1,2, ZHANG Fan1,2, LI Han1,2,5, JIN Zhanpeng1,2,5

(1. State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, China; 2. Sino-German Cooperation Group “Microstructure in Al alloys”, Central South University, Changsha 410083, China; 3. Institute for Materials Microstructure, Central South University, Changsha 410083, China；4. CHINALCO Research Institute of Science and Technology, Beijing 102209, China；5. School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

The ICME (Integrated Computational Materials Engineering) for aluminum alloys was applied to combine key experiments with multi-scale numerical simulations from nano (10-10-10-8m) to micro (10-8-10-4m) to meso (10-4-10-2m) and to macro (10-2-10 m) during the whole R&D (research and development) process of aluminum alloys. Using integrated analysis of the composition-processing-structure-properties, the methodology for developing aluminum alloys was promoted from trial and error to scientific design, SO the R & D of aluminum alloys was significantly speed up and the cost was reduced. In this paper, multi-scale simulation approaches including Ab-initio, CALPHAD (CALculation of PHAse Diagram), phase field, and finite element method together with experimental methods characterizing structure and properties are elaborated. The function of each method in the R & D of aluminum alloys is carefully discussed. Based on ICME, the framework for R & D of aluminum alloys, involving end-user demand, product design and industrial design, is established. Two application examples are presented to describe the important role of ICME during the development stage of aluminum alloys, which provides an innovative pattern for R & D of advanced aluminum alloys.

aluminum alloys; ICME; multi-scale numerical simulations; database; application

2016-10-20；

2016-12-06

國家自然科學(xué)基金項目(51531009，51501230和51671219)；博士后科學(xué)基金(2016M600634)

杜勇(1964—)，男，博士，教授，主要從事相圖計算、微結(jié)構(gòu)模擬、合金設(shè)計等研究，(E-mail)yong-du@csu.edu.cn。

10.11868/j.issn.100-5053.2016.100004

TB30；TG146.2

A

1005-5053(2017)01-0001-17