高性能鈦合金的關(guān)鍵“基因”及高通量實驗與計算技術(shù)的應(yīng)用

孫巧艷，杜 勇，劉立斌，胡青苗，肖 林，孫 軍

(1.西安交通大學(xué) 金屬材料強(qiáng)度國家重點實驗室，陜西 西安 710049)(2.中南大學(xué) 粉末冶金國家重點實驗室，湖南 長沙 410083)(3.中國科學(xué)院金屬研究所 沈陽材料科學(xué)國家實驗室，遼寧 沈陽 110016)

1 前 言

人類進(jìn)入20世紀(jì)以來，科學(xué)技術(shù)以前所未有的速度蓬勃發(fā)展。尤其是20世紀(jì)中葉及后期，電子計算機(jī)、超大規(guī)模集成電路技術(shù)不斷進(jìn)步，促使計算機(jī)的性能每18～24個月提升一倍，并保持價格不變(即摩爾定律)。計算機(jī)的普及對研究人員來講是莫大的福音，計算機(jī)的高速運(yùn)算(每秒億萬次的計算速度)將科研人員從枯燥、重復(fù)、耗時的計算中解脫出來，同時極大地提高了效率和準(zhǔn)確性，這為執(zhí)行需要大量計算的科研任務(wù)提供了技術(shù)支撐。基于此，1985年美國能源部提出“人類基因組計劃”(human genome project, HGP)草案，經(jīng)過5年的討論和論證，于1990年開始執(zhí)行，由美國、德國、日本、英國、法國、中國等6個國家的科學(xué)家共同完成。人類基因組計劃的核心任務(wù)是利用第一代基因測序技術(shù)，檢測人體約2.5萬個基因中30億個堿基對組成的核苷酸序列、人類基因的鑒定、人類基因組研究技術(shù)與信息系統(tǒng)等建立等方面，明確所有基因的結(jié)構(gòu)和功能，為人類疾病的預(yù)防和診治提供科學(xué)依據(jù)，更好地認(rèn)識和保護(hù)生命體。人類基因組計劃歷時16年(1990～2006)，確定了人類基因組的基因圖構(gòu)建和序列，完成了人類1號染色體的基因序列圖，使人類第一次在分子水平認(rèn)識自我。目前科研人員正在探索將基因技術(shù)用于威脅人類健康的重大疾病的治療，比如腫瘤以及各種與基因突變相關(guān)疾病的預(yù)防與治療，期望在人類抵抗疾病的免疫方面能有所突破。同時，近年來DNA技術(shù)已經(jīng)成為刑事案件、兒童拐賣案件偵破的關(guān)鍵技術(shù)，在維護(hù)社會安全與穩(wěn)定、保障人民群眾家庭幸福等方面發(fā)揮重要作用。

實際上我們對材料性能的要求類似于對人的品性與技能的要求。比如，我們希望一個人既有高超的專業(yè)技術(shù)，又能與他人很好得溝通協(xié)作，并且具有抵抗挫折的能力，即一個人應(yīng)該具有良好的綜合素質(zhì)。那么一個人從出生后就要經(jīng)歷學(xué)習(xí)和培訓(xùn)，以獲得特定的品質(zhì)和技能，最終服務(wù)社會。對于材料(比如金屬結(jié)構(gòu)材料)，我們要求合金具有高強(qiáng)度、高塑性、韌性，即材料也要具有良好的綜合性能。另外材料成本不能太高，否則大家用不起。煉鋼廠將鋼水澆鑄成鑄錠(相當(dāng)于人的初生)，鑄錠經(jīng)過鍛打、軋制、加工等各種處理，與人接受教育和培訓(xùn)相似，最后實現(xiàn)我們需要的各項性能指標(biāo)。圖1給出材料制備加工與人類成長經(jīng)歷的相似過程。

鑒于此，美國在2011年率先提出了“材料基因組計劃”(materials genome initiative, GMI)，明確提出“將先進(jìn)材料的發(fā)現(xiàn)、開發(fā)、制造和使用的速度提高一倍”[1]。美國的材料基因組計劃一經(jīng)公布，立即引起了國際廣泛關(guān)注，中國、歐盟、日本、印度等紛紛跟進(jìn)，先后提出了各自的材料基因組計劃[2-4]。目前，盡管各國材料基因組計劃的具體名稱有所不同，但是其任務(wù)相似，都是圍繞集成計算工具、實驗工具和數(shù)據(jù)庫來加快材料設(shè)計和應(yīng)用展開。實際上使用的材料多種多樣，比如電子材料、能源材料、生物材料、高性能合金等等，對于每一類材料，需要根據(jù)其具體的使用性能尋求各自的材料基因表達(dá)和內(nèi)涵。

圖1 材料的制備、應(yīng)用與人成長過程的相似性Fig.1 Similarity between materials and human

2 合金研發(fā)從傳統(tǒng)的試錯法到高通量設(shè)計的思路與案例

近年來國內(nèi)外專家和學(xué)者普遍意識到“一代材料、一代裝備”(也有說“一代材料、一代飛機(jī)”)，這些都凸顯材料成為高端裝備的關(guān)鍵因素?；仡櫿麄€工業(yè)技術(shù)及材料的發(fā)展和應(yīng)用歷程，新一代材料的研發(fā)確實需要較長周期，這個周期一般需要10年左右的時間。為什么需要這么長的周期呢？因為傳統(tǒng)研發(fā)新材料的方法是試錯法，也就是常說的“炒菜法”。科研人員基于自己的知識和相關(guān)經(jīng)驗積累，配制不同成分的材料(合金)，合金元素的選擇和添加就如同廚師炒菜添加調(diào)味料，很大程度上依賴于經(jīng)驗。冶煉合金本身就需要長時間，合金煉好以后，還要經(jīng)過后續(xù)的鍛造、冷加工、熱處理等工藝，最后才能測試合金的各種性能。如果這塊合金性能沒有達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，那就要調(diào)整合金元素含量和配比，重復(fù)以上過程了。即便材料的性能達(dá)到要求，還要向用戶(設(shè)計人員)推廣和介紹新材料，讓用戶了解新材料；同時還要試車，用新材料代替原材料制造零件，模擬設(shè)備運(yùn)行，檢測新材料是否安全可靠。新材料經(jīng)過這些環(huán)節(jié)考驗合格后，才有可能被設(shè)計人員認(rèn)可和使用。比如，球墨鑄鐵，從發(fā)現(xiàn)到開始應(yīng)用，經(jīng)歷了10年的時間；其他合金研發(fā)周期一般都在10～20年的時間。

高端裝備制造對高性能材料的需求迫切，尤其是對縮短研發(fā)時間與降低成本的需求，但是新材料研發(fā)有其固有的規(guī)律和時間要求。有什么辦法加快新材料的研發(fā)速度，降低合金的研發(fā)成本呢？答案是肯定的。美國國家研究理事會(NRC)最近發(fā)表的報告《輕質(zhì)化技術(shù)在軍用飛機(jī)、艦船和車輛中的應(yīng)用》中引用了兩個成功的合金設(shè)計實例。一個是由 Olson 領(lǐng)導(dǎo)設(shè)計、由QuesTek創(chuàng)新公司開發(fā)的Ferrium S53飛機(jī)起落架用鋼[5-6]；另一個是GE開發(fā)的燃?xì)鉁u輪機(jī)用GTD262高溫合金[7]。它的設(shè)計和開發(fā)從概念到生產(chǎn)只用了4年時間，研發(fā)所用經(jīng)費(fèi)是以前同類合金的開發(fā)成本的五分之一左右。為什么呢？因為他們在新合金成分設(shè)計時，先通過熱力學(xué)計算搞清楚了合金中的相結(jié)構(gòu)，另外，還結(jié)合已有的材料性能模型和數(shù)據(jù)庫，對材料的性能進(jìn)行了預(yù)測。此外，設(shè)計時考慮了合金的可鑄性、可焊性和抗氧化等因素，他們設(shè)計GTD262(一種鎳基高溫合金)的成分一次到位，中試和生產(chǎn)過程中也沒有出現(xiàn)任何問題。這樣避免了以前開發(fā)合金那樣要經(jīng)過幾次來來回回的重復(fù)實驗，因此節(jié)省了近一半的時間，也大大降低了研發(fā)成本。目前，GTD262高溫合金已成功用于航空發(fā)動機(jī)。

以上兩個新材料設(shè)計和應(yīng)用的成功案例給我們很好的啟發(fā)，也就是借助于熱力學(xué)計算和現(xiàn)有的材料性能數(shù)據(jù)的積累與模型，幫助人們加快材料研發(fā)的速度，降低研發(fā)成本。

3 高性能合金的力學(xué)性能及其關(guān)鍵“基因”

航空航天工業(yè)的發(fā)展離不開高性能合金，這些合金包括鋁合金、鈦合金和高溫合金(鎳基合金)。鋁合金主要用于飛機(jī)蒙皮、結(jié)構(gòu)件等，主要是室溫和較低溫度下的受力零件；鈦合金主要用于550 ℃及以下溫度、承受較高載荷的零件，高溫合金主要用于航空發(fā)動機(jī)高溫部分零件，比如發(fā)動機(jī)葉片等。這些合金通常稱為結(jié)構(gòu)材料，即用于制造承受力的零件和構(gòu)件的材料。對于結(jié)構(gòu)材料，如果從使用性能方面來講，主要考察其強(qiáng)度、塑性和韌性，高溫合金還要考察高溫下的持久強(qiáng)度、塑性和韌性。強(qiáng)度是結(jié)構(gòu)材料最重要的性能指標(biāo)，它衡量材料抵抗變形和破壞的能力。塑性是材料斷裂前發(fā)生不可恢復(fù)變形的能力，韌性是材料在變形和破壞中吸收外力做功的能力。合金強(qiáng)度高，則意味著在相同尺寸下零件能承受更高的載荷，如果載荷相同，選擇強(qiáng)度高的合金，零件尺寸可以減小，零件自重小；合金韌性好，則意味著材料抵抗損傷能力強(qiáng)，即零件中即使有微小裂紋，這個微小裂紋擴(kuò)展很困難，或者這個微小裂紋需要擴(kuò)展較長距離才能引起零件斷裂。韌性好的材料，微小裂紋在構(gòu)件中緩慢擴(kuò)展中就會被檢查到，使人們能夠及時更換零件，保證設(shè)備安全運(yùn)行。因此，產(chǎn)品設(shè)計人員為重要零件選擇材料時，強(qiáng)度和韌性是必須考慮的力學(xué)性能指標(biāo)。

強(qiáng)化就是提高合金的強(qiáng)度的手段和措施，比如固溶強(qiáng)化、形變強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、第二相強(qiáng)化；韌化就是提高材料的韌性的手段和措施，韌化主要通過合金的微觀組織形貌設(shè)計實現(xiàn)、也可以添加對韌性有益的部分合金元素。合金的塑性與韌性通常呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律，但是，強(qiáng)度與韌性往往是相反的變化規(guī)律，強(qiáng)度和韌性是一對此消彼長的變量。對于同一個合金，提高強(qiáng)度并不困難，提高韌性也不困難，難的是讓強(qiáng)度和韌性同時提高。這是目前合金強(qiáng)化韌化面臨的基礎(chǔ)科學(xué)問題，國際上還沒有很好的辦法解決這個矛盾問題。近幾年，經(jīng)過科研人員的努力，已在某些合金和金屬中取得了一些進(jìn)展和突破，實現(xiàn)了合金的強(qiáng)度和塑性的同時提高。這些方法和措施比較適合具體成分和組織或者工藝，還難以推廣到其他合金。

如何理解高性能合金的強(qiáng)度與韌性的基因呢？合金不存在人類的雙螺旋結(jié)構(gòu)的基因，但是合金的性能與原子結(jié)構(gòu)、成分等關(guān)系類似于人的特性與基因的關(guān)系。比如固溶原子、合金的晶體結(jié)構(gòu)及晶體缺陷、合金中的相結(jié)構(gòu)、合金的微觀組織結(jié)構(gòu)，這些因素最后確定了合金的性能(強(qiáng)度與韌性等)。以上每一個因素都是影響合金性能的基因，另外這些因素之間存在特定的關(guān)聯(lián)，我們認(rèn)為這些因素有機(jī)地構(gòu)成了合金的基因組。到目前為止，從固溶原子-晶體結(jié)構(gòu)-相結(jié)構(gòu)-微觀組織-力學(xué)性能這條路還未打通，尤其是相結(jié)構(gòu)到力學(xué)性能這一段，還需要大量的工作和數(shù)據(jù)補(bǔ)充。如圖2所示，我們需要每一階段都可以定量、準(zhǔn)確地表達(dá)?？蒲泄ぷ髦饕獜淖蟮接?，建立成分、相與組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能的定量表征關(guān)系；工程應(yīng)用，則是從右向左，根據(jù)合金的力學(xué)性能要求反推出微觀組織結(jié)構(gòu)，進(jìn)而反推出合金的成分。

合金的性能從源頭來講取決于合金的成分，但是與性能有直接關(guān)系的是相和微觀組織，微觀組織由一種相或者多個相構(gòu)成，相與微觀組織取決于合金成分。什么是合金的相呢？相是物質(zhì)存在的物理狀態(tài)。比如水，有固相、液相和氣相，在一個大氣壓下，零度以下水就是固相(冰)，零度～100 °C之間為液相(水)，高于100 ℃，水就變成氣相。我們目前使用的工程合金都是固態(tài)物質(zhì)，因此合金中的相都是固相。對于合金中的固相一般是固溶體和化合物。固溶體就是固體溶液，一種原子固溶于另一種原子晶體結(jié)構(gòu)中形成的成分均勻的固相；化合物是兩種或者兩種以上元素形成的具有一定原子比的物質(zhì)，比如Fe3C、Ni3Al等。對于鈦合金來講，室溫下的固相是α、β相，α是密排六方晶體結(jié)構(gòu)，β是

圖2 材料成分-相/微觀組織-性能的關(guān)系[1]Fig.2 Relationship among composition-phase/microstructure-property of materials[1]

體心立方晶體結(jié)構(gòu)，我們在熔煉鈦合金中加入合金元素，比如Al,V,Mo,Fe,Zr,Nb等，絕大多數(shù)固溶在α和β相中，還有少量形成化合物，比如Ti3Al、Ti5Si3等。室溫下的各種相在熱加工、熱處理過程中通過擴(kuò)散、形核與長大，或單獨存在，或者與其他相組合形成合金的最基本的構(gòu)成單元，即微觀組織的組成物。相與微觀組織是直接影響合金性能的關(guān)鍵因素。

常用的金屬材料都是晶體，我們使用的金屬材料都是多晶體，一塊金屬由成千上萬個小晶粒組成。研究發(fā)現(xiàn)金屬晶體中存在缺陷，也就是金屬晶體中局部原子排列混亂的區(qū)域，即晶體缺陷。按照空間尺寸大小，晶體缺陷分為點缺陷、線缺陷和面缺陷。點缺陷是晶體中的空位和固溶原子，線缺陷是位錯，面缺陷是晶界、亞晶界和相界面。這3種缺陷都可以提高合金的強(qiáng)度，比如固溶強(qiáng)化(由固溶原子引起)、加工硬化(位錯數(shù)量增加)和細(xì)晶強(qiáng)化(增加界面數(shù)量)。

強(qiáng)化的本質(zhì)是什么呢？對于金屬材料來講，強(qiáng)化的本質(zhì)是增加位錯運(yùn)動的阻力。位錯是線缺陷，這是所有金屬材料中最普遍存在的晶體缺陷，對合金的強(qiáng)度和塑性都有重要的影響。位錯在金屬晶體中可以運(yùn)動，位錯的運(yùn)動導(dǎo)致金屬屈服而發(fā)生塑性變形?；谖诲e理論，增加位錯運(yùn)動的阻力的因素可以強(qiáng)化金屬，減低位錯運(yùn)動阻力的因素使金屬的塑性變形更為容易。晶體中缺陷都會增加位錯運(yùn)動的阻力，使位錯運(yùn)動困難，強(qiáng)化效果依據(jù)對位錯阻力大小而定。但是對于金屬來講，位錯運(yùn)動很困難，強(qiáng)度很高，這樣帶來的另一個結(jié)果就是金屬很難發(fā)生塑性變形，無法消耗外力做功。如果我們持續(xù)增加外力，金屬很容易突然斷裂，這對零件安全工作非常有害。對于高性能合金來講，我們需要位錯運(yùn)動有阻力(高強(qiáng)度)，必須可以運(yùn)動，適當(dāng)高應(yīng)力作用下運(yùn)動，發(fā)生塑性變形，消耗外力做功，這樣合金才會表現(xiàn)出強(qiáng)度、塑性與韌性的匹配，才是性能優(yōu)良的工程合金?？梢姡w缺陷也是決定高性能合金的關(guān)鍵基因。

4 確定合金“基因”的技術(shù)手段

人類基因組計劃的實施為材料基因組計劃提供了非常有益的借鑒，即高通量的試驗測試技術(shù)與工具以及高通量的計算方法。材料的微觀組織與相的尺寸在微米到納米尺度，需要高精度的表征設(shè)備。近年來各種先進(jìn)的材料表征、分析技術(shù)，尤其是高精度微米和微區(qū)表征設(shè)備的開發(fā)和應(yīng)用(比如高分辨場發(fā)射掃描電鏡、聚焦離子束技術(shù)和飛秒激光技術(shù)等)，為快速獲得材料的性能數(shù)據(jù)提供了保證?；诖?，科研人員相繼開發(fā)了高通量測試材料相與組織結(jié)構(gòu)的測試表征技術(shù)[8]。另一方面，計算材料學(xué)近10年有了長足發(fā)展?，F(xiàn)在，科研人員能夠通過高性能計算和計算機(jī)群的并行計算，獲得從材料成分到晶體結(jié)構(gòu)、相以及物質(zhì)的彈性熱容等參數(shù)，也能對合金的強(qiáng)化作用給出定性的解釋[9-10]。但是，到目前強(qiáng)度、韌性、塑性都不能直接從合金成分計算出。因此，合金力學(xué)性能數(shù)據(jù)必須依靠試驗測試獲得。

這里主要介紹幾種用于高性能合金研發(fā)的高通量實驗技術(shù)和計算方法。

4.1 測試多元合金相圖的擴(kuò)散多元節(jié)方法

相是合金性能的關(guān)鍵基因之一，如何獲知合金中的相呢？對于具體的合金體系，相的種類和數(shù)量隨著合金元素的改變發(fā)生變化，這就需要對合金中存在的相畫一張地圖，即相圖。相圖一般是二維平面圖，橫軸是成分，縱軸是溫度，平面內(nèi)就是合金體系在特定的溫度、成分下存在的相。可見，相圖是我們設(shè)計合金的重要工具。因此，要獲得一種合金的相圖，我們需要配制一系列成分的合金，然后通過加熱和冷卻測試給定成分合金中的相隨著溫度變化的變化，將一系列成分合金的相的數(shù)據(jù)匯總在一起，就可以繪制出相圖。可見，這種繪制相圖的方法非常耗時，對于任何給定體系合金，需要十幾種甚至上百種成分含量合金的配制和熔煉，然后再測試每一種成分合金的相，非常耗費(fèi)時間。

合金相圖的繪制有沒有快捷又準(zhǔn)確的方法呢？有！就是擴(kuò)散多元節(jié)方法。擴(kuò)散多元節(jié)法是在二元擴(kuò)散偶的基礎(chǔ)上發(fā)展而來。圖3a的示意圖給出了Ti-Cr-Ti3Al-Ti2Si擴(kuò)散多元節(jié)，圖3b是用擴(kuò)散多元節(jié)中的三元結(jié)處得到的1000 ℃等溫截面圖，圖3c是按照傳統(tǒng)相圖測試方法用100多個試樣測試的1000 ℃的等溫截面圖。圖3b和圖3c給出的物相一致，由此證實了擴(kuò)散多元節(jié)法在相圖繪制方面的可靠性和高效率。

圖3 擴(kuò)散多元節(jié)法在鈦合金相圖中的應(yīng)用[8]：(a)Ti-Cr-TiAl3-TiSi2擴(kuò)散多元節(jié)示意圖，(b)擴(kuò)散多元節(jié)三元結(jié)處獲得的Ti-Al-Cr 體系1000 ℃等溫截面，(c)從100多個平衡合金中獲得的Ti-Al-Cr體系1000 ℃的等溫截面Fig.3 Application of the diffusion multiples in titanium alloys[8]:(a) the Ti-Cr-TiAl3-TiSi2 diffusion multiples, (b) isothermal section of 1000 ℃ from the diffusion multiples, (c) isothermal section of 1000 ℃ from measuring about 100 samples

4.2 用于合金組成相的性能測試的高通量技術(shù)

我們要設(shè)計、研發(fā)高性能合金，僅僅知道合金的組成相還是不夠的，還要獲得這些相的性能特點。在此基礎(chǔ)上，我們才能優(yōu)化合金成分，獲得需要的優(yōu)異性能。如果還是按照傳統(tǒng)思維和方式去配制合金、獲得所需要的相、再測試其性能的話，效率低，耗時長。為了加速高性能合金的研發(fā)速度，需要高通量測試技術(shù)高效獲得合金組成相的性能數(shù)據(jù)庫。什么是高通量測試技術(shù)呢？其含義是高效獲得測試對象的性能數(shù)據(jù)。將上面提到的擴(kuò)散多元節(jié)和高精度微米尺度的測試技術(shù)相結(jié)合，就可以實現(xiàn)合金組成相的性能的高通量測試。擴(kuò)散多元節(jié)隨著成分的變化有不同的相，尺寸在幾十到幾百微米范圍。最近研究人員發(fā)展了飛秒激光測試材料的熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)，在一個擴(kuò)散多元節(jié)上可以測出多個成分和相的性能，結(jié)果與大塊材料的性能數(shù)據(jù)一致，效率提高幾十倍[11-12]。其他性能，包括彈性常數(shù)、居里溫度、比熱容等物理性能都可以用飛秒激光技術(shù)高速確定；還可以測試微尺度相的光學(xué)性質(zhì)、介電常數(shù)、電導(dǎo)率等。比較復(fù)雜的是材料的力學(xué)性能，因為力學(xué)性能測試需要特殊要求的試樣，比如狗骨頭狀的拉伸試樣、具有一定尺寸比懸臂梁試樣等等?，F(xiàn)在已有微米納米力學(xué)測試分析技術(shù)，可實現(xiàn)在擴(kuò)散多元節(jié)上不同區(qū)域性能的測試，比如納米壓痕技術(shù)可以測試微米尺度的硬度和模量數(shù)據(jù)。強(qiáng)度的測試需要用聚焦離子束在微米區(qū)域加工柱狀試樣，進(jìn)行壓縮和拉伸或者彎曲，測試合金組成相的強(qiáng)度等數(shù)據(jù)[13-16]。目前韌性還無法通過微區(qū)測試技術(shù)獲得，因為韌性對材料的尺寸要求嚴(yán)格，微米區(qū)域很難滿足試樣韌性測試的需求。

4.3 合金組成相與性能的高通量計算方法

計算材料學(xué)的快速發(fā)展為高通量計算提供了技術(shù)和方法的支持。在不同的時間及空間尺度上，有不同的計算方法，如圖4所示。

第一性原理計算主要用于從成分到晶體結(jié)構(gòu)的計算，還可以計算晶體的一些常數(shù)，如彈性常數(shù)、彈性模量、體模量等參數(shù)，并對合金的固溶強(qiáng)化效果給出定性的規(guī)律。還有研究人員將第一性原理用于晶體中擴(kuò)散系數(shù)的計算，包括自擴(kuò)散系數(shù)、互擴(kuò)散系數(shù)等，因為擴(kuò)散系數(shù)是研究合金相變(在合金中發(fā)生的一種相變成另一種相的轉(zhuǎn)變) 的重要參數(shù)[17-18]。分子動力學(xué)計算可以給出合金幾個納米到幾十納米尺度的力學(xué)性能、相變過程、晶體缺陷及其運(yùn)動規(guī)律，但是受到計算機(jī)性能的限制，其計算尺寸最大不超過幾百納米。

圖4 常用計算與模擬方法的空間/時間尺度Fig.4 Space/time scales of computation and simulation methods

對于高性能合金，相變對其微觀組織影響很大。如何用計算的方法研究相變呢？現(xiàn)在已經(jīng)有了很成熟的方法，就是CALPHAD方法。這個方法主要用于計算多元合金在不同溫度下各個相的成分、體積分?jǐn)?shù)、穩(wěn)定溫度范圍、相變溫度等，還可以計算相場動力學(xué)模擬需要的相變驅(qū)動力、擴(kuò)散過程的熱力學(xué)參數(shù)，也用于計算凝固過程的潛熱、比熱、液相溫度、固相溫度等等。CALPHAD方法經(jīng)過長期發(fā)展和完善，已經(jīng)成為國際著名航空發(fā)動機(jī)制造單位與材料研究機(jī)構(gòu)的重要計算工具[8]。

前面講到，與合金力學(xué)性能直接相關(guān)的是相和微觀組織。那么微觀組織怎么形成的？合金的微觀組織由相構(gòu)成的，合金在溫度變化時發(fā)生相變，相變的結(jié)果就是形成了由生成的相組成特定的微觀形貌的組織結(jié)構(gòu)，稱其為微觀組織。微觀組織可以由一個相構(gòu)成，也可以由多個相構(gòu)成，微觀組織可以在顯微鏡下直接觀察到，并呈現(xiàn)一定的形貌，或球形、或者塊狀、或者片狀交替等等。這些微觀組織越細(xì)小，合金的強(qiáng)度與塑性越好，即細(xì)晶強(qiáng)化效果。能不能用計算機(jī)模擬相變和微觀組織呢？答案是肯定的，采用的方法是相場動力學(xué)模擬。相場動力學(xué)模擬基于相變路徑沿最低能量路徑，其優(yōu)點是不需要對合金的初始組織進(jìn)行假設(shè)，允許微觀組織形貌變化，可以用于預(yù)測復(fù)雜的微觀組織。最早相場動力學(xué)用來模擬晶粒長大，現(xiàn)在可以模擬復(fù)雜體系相變過程及其微觀組織。有研究人員將晶體缺陷引入相場模擬中，使計算的結(jié)果與實際更為接近。由于相場計算需要大量的熱力學(xué)參數(shù)，比如Gibbs自由能、晶格常數(shù)、界面能、各向異性的彈性常數(shù)以及這些性能隨著成分與溫度的變化。這些參數(shù)來源于CALPHAD計算結(jié)果、第一性原理計算或者實驗結(jié)果。實際工程使用的合金均是多元合金，具有復(fù)雜的相組成和微觀組織結(jié)構(gòu)，采用單一的計算或者實驗技術(shù)很難準(zhǔn)確描述合金的相變與組織演化，研究人員采用多種計算模擬技術(shù)結(jié)合并與高通量實驗技術(shù)耦合，構(gòu)建了鋁合金熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫，預(yù)測了鋁合金凝固組織的演化規(guī)律；采用相場模擬計算對鎳基高溫合金的加工工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，取得了理想的結(jié)果[19-20]。這些可喜的研究進(jìn)展對于高性能鈦合金的研發(fā)具有重要的借鑒作用。

有限元是工程上應(yīng)用最為廣泛的一種數(shù)值分析方法。隨著計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，在工程領(lǐng)域中，有限元分析(FEA)越來越多地用于仿真模擬，求解真實的工程問題。作為一種求解偏微分方程邊值問題的近似數(shù)值技術(shù)，研究者發(fā)現(xiàn)這些偏微分方程可以用來描述流動、電磁場以及結(jié)構(gòu)力學(xué)等。目前有限元在材料加工方面已經(jīng)得到實際應(yīng)用，其中DEFORM是一套基于有限元的工藝仿真系統(tǒng)，用于分析金屬成形及其相關(guān)工業(yè)的各種成形工藝和熱處理工藝。研究人員在計算機(jī)上可以模擬金屬、合金的整個加工過程，顯示金屬在加工中的應(yīng)力應(yīng)變分布，幫助工程師和設(shè)計人員選擇合適的加工參數(shù)和模具，顯著提高工模具設(shè)計效率，降低生產(chǎn)和材料成本，并縮短新產(chǎn)品的研究開發(fā)周期。最近有研究者利用有限元方法依靠微觀組織結(jié)構(gòu)來模擬合金性能，以達(dá)到材料微觀組織結(jié)構(gòu)的性能導(dǎo)向型設(shè)計與預(yù)測的目的[21]。這些研究進(jìn)展為高性能鈦合金的快速設(shè)計與加工提供了重要的借鑒作用。

5 結(jié) 語

“一代材料、一代裝備”，高性能鈦合金是我國航空航天等領(lǐng)域的重要結(jié)構(gòu)材料，其力學(xué)性能(強(qiáng)度、塑性與韌性)是保障構(gòu)件安全可靠性的關(guān)鍵。目前，圍繞“成分—組織—性能”主線，在材料基因組計劃的推動下，研究人員正在采用高通量計算和實驗技術(shù)突破高性能鈦合金研發(fā)的瓶頸，加速新型鈦合金研發(fā)進(jìn)度。盡管目前科技人員還無法準(zhǔn)確計算多相組成合金的強(qiáng)度、塑性和韌性等力學(xué)性能指標(biāo)，但是研究工作已經(jīng)取得了一些積極的結(jié)果。通過第一性原理計算可以構(gòu)建從成分到相的預(yù)測，擴(kuò)散多元節(jié)的高通量實驗方法確定相與成分的關(guān)系，相場動力學(xué)計算可以預(yù)測微觀組織結(jié)構(gòu)，將成分與微觀組織結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)起來，再結(jié)合微區(qū)精確性能測試表征技術(shù)可以獲得合金微觀組織的性能數(shù)據(jù)。對以上各環(huán)節(jié)研究數(shù)據(jù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合和統(tǒng)一，并基于鈦合金大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展成果，有助于實現(xiàn)提升高性能鈦合金的研發(fā)速度、降低研發(fā)成本。

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