高溫合金材料設(shè)計與制備的基礎(chǔ)研究

1、如有幫助，歡迎下載支持。項目名稱：高溫合金材料設(shè)計與制備的基礎(chǔ)研究首席科學(xué)家： 孫曉峰 中國科學(xué)院金屬研究所起止年限：2010年 1 月 -2014 年 8 月依托部門：中國科學(xué)院一、研究內(nèi)容1. 擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問題高溫合金中通常含有十幾種強化元素，合金化程度較高，強化機理復(fù)雜，有的強化元素之間還存在較強的交互作用， 認識復(fù)雜體系中合金化元素的作用機制是高溫合金成分優(yōu)化和發(fā)展先進合金的理論基礎(chǔ)， 但迄今為止， 部分元素的作用機制仍不清楚。高溫合金中的純凈化冶煉及凝固缺陷控制是改善材料綜合性能、提高產(chǎn)品合格率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，但我國的冶煉水平與歐美等發(fā)達國家存在較大差距， 對于凝固缺陷的形成機理尚不

2、明確， 實際工程中仍然靠經(jīng)驗和反復(fù)試制來解決問題， 此外， 在前期工作中發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有凝固理論中的枝晶生長機制尚不完善， 有待于進一步研究。 在熱加工方面， 粉末冶金與噴射成形為獲得均質(zhì)近終成形大型鑄鍛件提供了新的短流程、 低成本技術(shù)途徑， 然而， 對于熱加工過程中的塑性變形動力學(xué)、 原始顆粒邊界和夾雜物等缺陷的形成機理和控制方法等方面仍缺乏系統(tǒng)的理論研究工作。 抗高溫氧化腐蝕防護涂層為高溫合金構(gòu)件的長壽命服役提供了重要的保障，但由于高溫防護涂層服役環(huán)境的特殊性與防護涂層的多界面特性， 使得抗高溫腐蝕涂層的防護機理以及陶瓷涂層與金屬涂層界面的相容性等科學(xué)問題尚沒有得到有效的解決。 為了保證發(fā)動機的安

3、全可靠性， 高溫合金材料的性能評價方法和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)測試是發(fā)動機設(shè)計選材的重要依據(jù)， 國內(nèi)在高溫結(jié)構(gòu)材料的使用性能表征方法以及在服役環(huán)境下的損傷特征和壽命預(yù)測方面開展了一些研究工作， 但還沒有形成系統(tǒng)的理論體系。 針對上述高溫合金設(shè)計與制備中存在的問題，本項目擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問題如下：（ 1）復(fù)雜多元先進高溫合金成分設(shè)計及強韌化機理溶質(zhì)原子Co、 W 、 Mo 、 Re、 Ru 等及微量元素C、 B 、 Hf 等在先進單晶高溫合金中的原子占位、 偏聚與擴散行為； 強化相的晶體結(jié)構(gòu)、 析出規(guī)律及穩(wěn)定性對高溫合金組織及性能的影響；熱 - 力耦合作用下固相擴散誘發(fā)的合金微結(jié)構(gòu)演變動力學(xué)； 溶質(zhì)原子間的交

4、互作用； 多元強化合金的成分設(shè)計、 高溫度梯度定向凝固組織與性能調(diào)控。（ 2）高溫合金純凈化冶煉及凝固缺陷形成與控制高溫合金純凈化冶煉過程中雜質(zhì)元素去除熱力學(xué)和動力學(xué)， 高溫熔體中亞結(jié)構(gòu)的表征及演化動力學(xué)；熔體結(jié)構(gòu)及熔體熱歷史對凝固組織和缺陷的影響規(guī)律；多場耦合作用下胞狀枝晶生長機制及凝固組織演變過程； 多元復(fù)雜合金凝固過程動力學(xué)模型的建立、 多場耦合求解及凝固組織演變 “可視化 ”數(shù)值模擬； 高溫合金 缺陷形成機理與控制基礎(chǔ)理論。1如有幫助，歡迎下載支持。（ 3)熱加工過程中高溫合金的組織演變及性能調(diào)控高溫合金塑性加工過程中的微觀組織演變動力學(xué)及性能調(diào)控，高合金化難變形合金的熱塑性變形機理；

5、考慮第二相演變的組織預(yù)測模型；粗晶和混晶等典型 組織缺陷的控制。原始粉末顆粒邊界(PPB)的形成機理；粉末高溫合金中夾雜物 的演變規(guī)律；PPB和夾雜物導(dǎo)致粉末高溫合金的失效模式。合金霧化過程中熔滴 與霧化氣體之間兩相流流動的熱量與動量傳輸規(guī)律；噴射成形沉積坯凝固組織及 缺陷的形成和演變規(guī)律；電磁場作用下高溫合金熔體流動和枝晶生長規(guī)律；電場對高溫合金強化相溶解和析出的影響規(guī)律。（ 4)高溫合金的損傷機制及表面防護基礎(chǔ)理論高溫合金長期組織穩(wěn)定性以及長時服役條件下組織演變和性能變化規(guī)律；典型高溫合金部件的損傷和失效模型；高溫合金材料的壽命預(yù)測理論和方法。高溫 合金在服役環(huán)境中的氧化腐蝕機理；高溫合金

6、元素與金屬防護涂層之間的熱擴散 與阻擴散機制；涂層界面成分、界面結(jié)構(gòu)、界面熱物性在服役條件下的自適應(yīng)匹 配與相容性；新一代長壽命 自適應(yīng)型”超高溫防護涂層材料設(shè)計。2.主要研究內(nèi)容通過對高溫合金成分設(shè)計、強化機理、純凈化熔煉、凝固缺陷控制、塑性變 形加工、粉末冶金、噴射成形、高溫腐蝕與防護、損傷機理及壽命預(yù)測等問題開 展研究工作，建立高溫合金的成分設(shè)計 一一制備成形一一組織控制一一使役性能 之間的關(guān)系，形成先進高溫合金材料設(shè)計和制備加工的基礎(chǔ)理論體系。具體研究內(nèi)容分為以下幾個方面：（ 1)單晶高溫合金成分設(shè)計及強韌化機理研究合金元素在高溫合金中的分布、 擴散規(guī)律及交互作用，了、碳化物、TCP

7、等析出相的形成和變化規(guī)律，品界和相界幾何結(jié)構(gòu)、界面能與化學(xué)成分之間的關(guān) 系；闡明700-120CoC高溫下位錯和第二相粒子與固溶強化原子或原子團簇的交 互作用規(guī)律，從微觀和介觀尺度上揭示Re、Ru、W、Mo等合金元素強韌化的本質(zhì)；研究高溫合金微合金化的基本原理， 確定復(fù)雜多元體系中合金元素的最佳 匹配關(guān)系，完善非平衡凝固條件下高溫合金成分設(shè)計準則。（ 2)高溫合金純凈化冶煉及凝固成形與缺陷控制研究高溫合金熔體雜質(zhì)元素去除動力學(xué)和熱力學(xué)理論及合金與培竭、陶瓷等介質(zhì)界面冶金化學(xué)與熱力學(xué)行為，掌握熔體純凈度及高溫熔體處理對定向凝固液 /周界面行為和組織特征的影響規(guī)律；采用試驗與模擬相結(jié)合，研究多場耦

8、合作 用下復(fù)雜多元合金凝固過程中各相形核、 生長動力學(xué)和熱力學(xué)及微觀凝固組織演變過程， 探索凝固缺陷的形成機制并提出相應(yīng)控制方法， 為高溫合金復(fù)雜構(gòu)件凝 固成形工藝設(shè)計與缺陷控制提供理論基礎(chǔ)。（ 3）高合金化高溫合金塑性加工過程中的組織演變機理建立基于組織演變物理過程的高溫合金熱塑性變形本構(gòu)關(guān)系，對鍛造粗晶、混晶、 裂紋形成原理給出判斷準則和定量描述模型； 發(fā)展全過程、 多尺度的變形行為描述方法和熱-力 -組織多場耦合計算機模擬預(yù)測方法，形成塑性變形過程中的微觀組織演變控制理論， 為高溫合金鍛坯、 板材和管材制備， 以及大型鍛件的成形與組織和缺陷預(yù)測建立系統(tǒng)理論與方法；闡明高溫合金T +雙相組

9、織超塑性變形機理， 分析應(yīng)變誘導(dǎo)相變與相變誘導(dǎo)塑性機制及其交互作用， 為超塑性坯 料制備提供理論基礎(chǔ)。（ 4）粉末冶金高溫合金的組織演變和缺陷控制研究粉末顆粒表面元素的種類、 分布和狀態(tài)， 確定析出相的類型， 分析原始 粉末顆粒邊界（PPB）和夾雜物的形成、分布、微觀特征及演化規(guī)律；通過研究 合金中強碳化物形成元素Ti、Nb、Zr和Hf及工藝過程對原始粉末顆粒邊界周圍 析出相類型的影響，探索PPB 的控制方法，從微觀組織和斷口上認清PPB 的特征。研究 PPB 對合金的韌性、塑性以及強度的影響，以及夾雜物對合金低周疲勞性能的影響，采用數(shù)值模擬方法對PPB 和夾雜物導(dǎo)致粉末高溫合金失效的模式進行

10、分析，最終獲得具有高損傷容限性能的粉末高溫合金。（ 5）高溫合金液態(tài)成形先進制備技術(shù)基礎(chǔ)研究研究金屬熔滴飛行過程中兩相流流動的熱量和動量傳輸規(guī)律， 分析氬氣霧化高溫合金粉末的粒度與組織特征， 研究金屬熔滴的形態(tài)和凝固機理； 分析沉積坯的溫度變化規(guī)律， 確定噴射成形高溫合金細晶組織的形成機理及缺陷的形成和控制機理， 建立沉積坯生長過程的數(shù)學(xué)模型； 研究快速凝固條件下高溫合金的溶質(zhì)擴散、固溶、偏聚和相析出特性，完善高溫合金快速凝固基礎(chǔ)理論；對電磁場中的合金熔體和凝固過程進行數(shù)值模擬， 建立凝固過程中能量、 動量和質(zhì)量傳遞理論模型；研究電磁場對液/固界面、晶體形核和生長的影響以及溶質(zhì)原子在外加電磁場

11、中的擴散、遷移和偏析規(guī)律。（ 6）高溫合金的損傷機制、壽命預(yù)測及表面防護基礎(chǔ)研究研究高溫合金組織穩(wěn)定性和長時服役條件下組織演變和性能變化， 建立高溫合金材料的復(fù)合損傷模型，并提出基于高溫合金損傷行為的逆向材料設(shè)計理論體系；通過研究高溫合金在高溫拉伸、蠕變、疲勞、熱機械疲勞過程中微觀組織變形機制以及合金失效形式，在現(xiàn)有方法和理論的基礎(chǔ)上，建立和發(fā)展具有明確物理意義、 便于工程應(yīng)用的高溫合金安全服役壽命預(yù)測方法與理論； 研究多功能耦合的涂層體系及其在高溫服役環(huán)境中的高溫腐蝕熱力學(xué)與動力學(xué)， 以及涂層體系與高溫合金界面擴散動力學(xué)與界面阻擴散機制， 提出具有界面成分、 結(jié)構(gòu)、 熱物 性 “自適應(yīng) ”

12、功能的高溫防護涂層設(shè)計理論與方法。5如有幫助，歡迎下載支持。二、預(yù)期目標1 .總體目標：針對高溫合金材料設(shè)計與制備中的關(guān)鍵基礎(chǔ)科學(xué)問題， 開展成分設(shè)計和強韌 化基礎(chǔ)理論、純凈化冶煉及缺陷控制、先進加工制備技術(shù)理論體系、苛刻環(huán)境下 合金損傷機制及防護機理等方面研究工作，建立高溫合金成分設(shè)計、成形工藝、 組織調(diào)控和性能預(yù)測基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺，發(fā)展和完善高溫合金強韌化設(shè)計與純凈化冶 煉的理論與方法，突破制約高溫合金應(yīng)用和發(fā)展的缺陷控制與制備成形技術(shù)瓶 頸，發(fā)展新型短流程、低成本高溫合金制備加工技術(shù)，完善高溫合金構(gòu)件安全可 靠性評價的理論和方法，形成先進高溫合金制備與加工的基礎(chǔ)理論體系，并為我國造就和培養(yǎng)一

13、批具有創(chuàng)新思維的高溫合金學(xué)科帶頭人和專業(yè)人才，使中國高溫合金研究的總體水平進入國際先進行列。2 .五年預(yù)期目標：(1)確定復(fù)雜高溫合金體系中合金元素的匹配關(guān)系， 完善非平衡凝固條件下 高溫合金成分設(shè)計準則；發(fā)展承溫能力達到 1100c的第三代單品高溫合金，滿 足下一代推重比10-15發(fā)動機設(shè)計選材要求。(2)研究高溫合金熔體雜質(zhì)元素去除的熱力學(xué)與動力學(xué)，使高溫合金中O、N、S雜質(zhì)含量控制在5Ppm以下；闡明合金熔體結(jié)構(gòu)、熔體純凈度、凝固組織 與力學(xué)性能之間關(guān)系，建立多元復(fù)雜合金凝固過程的動力學(xué)模型， 探索凝固缺陷 的形成機制及科學(xué)控制策略，為高溫合金復(fù)雜構(gòu)件凝固成形工藝設(shè)計與缺陷控制 提供理論

14、基礎(chǔ)。(3)建立高溫合金塑性變形與合金組織性能的本構(gòu)關(guān)系，揭示塑性變形過程中組織演變的動力學(xué)控制機制，形成塑性變形過程中的微觀組織演變控制理論； 實現(xiàn)帕00mm盤形件的加工成形，為大飛機和工業(yè)燃機大尺寸渦輪盤研制奠定基 礎(chǔ)。(4)探索并建立原始粉末顆粒邊界(PPB)和非金屬夾雜物的控制方法，使 粉末高溫合金中的PPB數(shù)量減少50%,提高合金抗裂紋擴展能力，獲得具有高 損傷容限性能的粉末高溫合金。(5)建立和完善高溫合金液態(tài)金屬霧化和沉積過程的優(yōu)化控制模型，揭示高溫合金沉積坯組織形成機理和演變規(guī)律； 研究電磁場對鍥基高溫合金凝固過程的 交互作用機理，掌握電磁場控制凝固高溫合金的組織性能變化規(guī)律；

15、噴射成形高溫合金致密度達到 98.5%以上，經(jīng)熱等靜壓后致密度達到99.5%以上。（ 6） 揭示服役條件下高溫合金氧化腐蝕機理以及防護涂層高溫氧化熱力學(xué)與動力學(xué)規(guī)律， 為實現(xiàn)涂層界面的成分、 結(jié)構(gòu)、 熱物性在服役條件下的自適應(yīng)匹配提供理論支撐；突破涂層成分與結(jié)構(gòu)精確控制關(guān)鍵技術(shù)，使高溫防護涂層在1150空氣中、950燃氣腐蝕介質(zhì)中達到完全抗氧化級，滿足高溫合金使用要求。（ 7）建立服役條件下合金成分、制備工藝、組織結(jié)構(gòu)、使役性能之間相互關(guān)系， 揭示高溫合金損傷機制， 提出或發(fā)展具有明確物理意義、 便于工程應(yīng)用的高溫合金疲勞壽命預(yù)測方法。（ 8）發(fā)表論文240 篇以上，申報專利 20 項以上，培

16、養(yǎng)研究生60 人以上。7如有幫助，歡迎下載支持。三、研究方案1.學(xué)術(shù)思路本項目以鑄造局溫合金、變形圖溫合金和粉末局溫合金二類合金為重點，主要圍繞高溫合金的成分設(shè)計和強韌化基礎(chǔ)理論、純凈化冶煉及缺陷控制、材料加 工成形與組織性能調(diào)控、先進加工制備技術(shù)理論體系、苛刻環(huán)境下合金損傷機制 及防護機理等關(guān)鍵科學(xué)問題展開研究工作， 揭示高溫合金的成分設(shè)計一一制備成 形一一組織控制一一使役性能之間的關(guān)系，建立先進高溫合金材料設(shè)計與制備加 工的基礎(chǔ)理論體系。具總體研究方案如圖 1所示。圖1總體研究方案主要學(xué)術(shù)思路如下：(1)合金成分設(shè)計準則及強韌化機制的完善是發(fā)展新型高溫合金的重要理論 基礎(chǔ)。通過研究高溫合金

17、在高溫、復(fù)雜載荷下多組元合金元素間的交互作用， 確 定復(fù)雜高溫合金體系中合金元素的匹配關(guān)系，完善高溫合金在各種制備條件下的 強化理論和方法，完善非平衡凝固條件下高溫合金成分設(shè)計準則， 為發(fā)展新型高 溫合金奠定理論基礎(chǔ)。(2)高溫合金純凈化熔煉是獲得高性能結(jié)構(gòu)部件的基本前提，掌握復(fù)雜構(gòu)件凝固成形技術(shù)及缺陷形成機理是科學(xué)控制構(gòu)件精確成形的關(guān)鍵手段。通過研究高溫合金冶煉過程的純凈化技術(shù)和凝固過程中的微觀組織演變及其與工藝技術(shù)的 相關(guān)性，發(fā)展高溫合金純凈化冶煉技術(shù)和復(fù)雜多元合金凝固基礎(chǔ)理論，揭示凝固成形過程中缺陷形成機理，建立高溫合金復(fù)雜構(gòu)件精密成形科學(xué)控制方法。(3)高溫合金的加工制備是發(fā)展新合金、

18、促進傳統(tǒng)合金提高性能并降低成本 的關(guān)鍵技術(shù)。通過研究塑性變形過程中的微觀組織控制理論，提出改善高合金化 難變形合金熱塑性的方法；通過研究合金成分和工藝過程對原始粉末顆粒邊界（PPB）和夾雜物的影響，探索粉末高溫合金中PPB和夾雜物的形成機理和控制 方法；突破高溫合金的高純細粉制備、霧化沉積直接成形、電磁場控制凝固等技 術(shù)關(guān)鍵，為高純細品高溫合金液態(tài)成形先進制備技術(shù)的應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。（4）高溫合金腐蝕機理與防護涂層研究是關(guān)鍵熱端部件長壽命服役的技術(shù)保 障。通過研究多功能耦合涂層服役條件下的高溫氧化熱力學(xué)與動力學(xué)以及界面特 性，探索自適應(yīng)涂層制備技術(shù)與成分結(jié)構(gòu)精確控制技術(shù)，實現(xiàn)新一代自適應(yīng)型長壽

19、命、耐高溫防護涂層的多功能化。（5）高溫合金的損傷機理和壽命預(yù)測方法是先進動力推力系統(tǒng)關(guān)鍵構(gòu)件安全 服役的重要科學(xué)基礎(chǔ)。通過研究在高溫疲勞和熱機械疲勞載荷下不同高溫合金的 微觀組織演化、疲勞損傷微觀機制和疲勞斷裂過程，建立和發(fā)展具有明確物理意 義、便于工程應(yīng)用的安全服役壽命預(yù)測方法與理論，同時發(fā)展和完善基于高溫合金長時組織穩(wěn)定性和長時服役數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的高溫合金損傷模型。2.技術(shù)途徑本項目利用真空感應(yīng)冶煉爐、真空定向凝固（單晶）爐、高溫力學(xué)試驗機、 掃描電鏡（SEM）、透射電鏡（TEM）、電子探針（EPMA）、X射線衍射（XRD）、 熱模擬試驗機（Gleeble）、熱物理和熱力學(xué)測量儀器、場發(fā)射高

20、溫疲勞/環(huán)境掃描 電鏡原位觀察系統(tǒng)等材料制備、表征、測試和分析手段，對高溫合金的關(guān)鍵科學(xué) 問題開展基礎(chǔ)研究。主要技術(shù)途徑如下：（1）研究多組元復(fù)雜高溫合金體系中原子團簇的偏聚特征及其與位錯等缺陷 的交互作用，深入探討合金元素固溶度、溶質(zhì)分布、強化相結(jié)構(gòu)與形態(tài)等在非平 衡凝固與固態(tài)相變過程中的變化規(guī)律； 在原子尺度上闡明界面結(jié)構(gòu)、界面能、缺 陷結(jié)構(gòu)與化學(xué)成分之間的關(guān)系及其對合金力學(xué)性能的影響，從擴散控制的相變動 力學(xué)角度理解微結(jié)構(gòu)演變與材料宏觀性能之間的內(nèi)在聯(lián)系；通過第一原理計算， 探討固溶原子在了相中的點陣占位、畸變和有序無序轉(zhuǎn)變對,力,界面鍵結(jié)構(gòu)及鍵合 強度的影響，闡明位錯和第二相粒子在合金

21、強韌化中的本質(zhì)作用。（2）通過超純化熔煉和陶瓷過濾凈化技術(shù)， 研究夾雜物形成的熱力學(xué)條件和 動力學(xué)過程，分析高溫合金脫 。、脫N、脫S的機理，探索夾雜物控制手段；通 過高溫熔體處理，研究合金熔體亞結(jié)構(gòu)的形成、偏聚及均勻化，觀察過熱高溫合 金熔體結(jié)構(gòu)對固液界面形態(tài)、缺陷形成、枝晶偏析的影響規(guī)律，分析高溫合金中 的碳化物等強化相隨熔體處理溫度和凝固參數(shù)的變化規(guī)律。（3）通過試驗與模擬相結(jié)合，研究不同試驗條件（合金成分、凝固方式、溫9如有幫助，歡迎下載支持。度梯度、 冷卻速率等） 下高溫合金凝固成形過程中凝固缺陷類型、 微觀組織演變與合金性能的相關(guān)性， 建立多元復(fù)雜合金凝固過程的動力學(xué)模型， 探明多

22、場耦合作用下高溫合金微觀組織演變過程， 揭示凝固成形過程中缺陷形成機理及控制方法，為高溫合金復(fù)雜構(gòu)件凝固成形提供理論基礎(chǔ)。（ 4） 緊密結(jié)合我國工業(yè)部門的高溫合金鍛件、板帶和管材熱加工工藝流程開展研究工作，在真空雙聯(lián)/真空三聯(lián)冶煉-鑄錠均勻化退火-鍛造開坯-部件成 形-熱機械處理-熱處理-組織性能檢驗諸環(huán)節(jié)開展檢測、取樣、數(shù)據(jù)積累與分 析工作， 在熱模擬試驗機、 大型等溫鍛造液壓機和快速鍛造液壓機上開展系統(tǒng)的塑性變形理論研究工作，進而揭示塑性變形過程中組織演變的動力學(xué)控制機制，建立高溫合金塑性變形本構(gòu)關(guān)系， 發(fā)展全過程、 多尺度的變形行為描述方法， 形 成塑性變形過程中的微觀組織演變控制理論。

23、（ 5）采用俄歇電子能譜和X 射線光電子能譜等表面分析技術(shù)研究粉末顆粒表面的偏析，通過熱力學(xué)計算分析原始粉末顆粒邊界（PPB）析出相的形成；用 金屬原位統(tǒng)計分布分析技術(shù)和大樣電解技術(shù)，定性和定量表征母合金中的夾雜物， 研究在熱等靜壓和變形條件下夾雜物的形態(tài)變化； 用數(shù)值模擬方法計算PPB和夾雜物導(dǎo)致粉末高溫合金失效的模式， 并用掃描電鏡原位拉伸或疲勞實驗進行模擬驗證。（ 6） 研究高溫合金液態(tài)金屬霧化與沉積過程兩相流流動規(guī)律和沉積坯生長過程， 確定金屬熔滴凝固組織和高溫合金沉積坯等軸細晶組織及缺陷的形成機理和演變規(guī)律； 分析熱加工工藝對霧化沉積高溫合金組織與性能的影響， 實現(xiàn)液態(tài)金屬霧化制備過

24、程的優(yōu)化控制； 結(jié)合電磁控制凝固實驗， 研究電磁場與高溫合金熔體之間的交互作用機制、電磁場對液/ 固界面、形核、晶體生長和第二相析出的影響，以及溶質(zhì)原子在外加電磁場中的擴散、遷移和偏析規(guī)律。（ 7） 通過對高溫合金在服役條件的高溫氧化腐蝕機理研究， 設(shè)計并采用電子束物理氣相沉積（EB-PVD）制備具有阻擴散、與基體具有良好界面匹配的抗高溫氧化腐蝕防護涂層； 采用服役環(huán)境模擬試驗裝置， 研究涂層的界面擴散動力學(xué)以及高溫氧化熱力學(xué)與動力學(xué)， 分析服役過程中涂層組織退化規(guī)律及失效機制； 采用 SEM 、 TEM 和力學(xué)性能測試設(shè)備研究界面擴散導(dǎo)致的涂層組織結(jié)構(gòu)演變和有害相析出等界面反應(yīng)規(guī)律；在此基礎(chǔ)

25、上，提出具有界面成分、結(jié)構(gòu)、熱物性自適應(yīng)功能的高溫防護涂層設(shè)計理論與方法。（ 8） 通過研究高溫合金高溫疲勞與熱機械疲勞性能、 宏觀疲勞斷裂過程、 微 觀組織演化規(guī)律和疲勞損傷微觀機制，結(jié)合現(xiàn)有高溫合金材料疲勞壽命評價方法， 提出或發(fā)展具有明確物理意義、 簡單實用的高溫合金疲勞壽命預(yù)測新方法與新理論； 在服役環(huán)境和加載條件下研究構(gòu)件的失效機理， 揭示長期高溫服役條件下合金性能退化的原因；通過模擬高溫疲勞與熱機械疲勞條件下材料的退化過程， 與實際構(gòu)件的破壞方式對比， 揭示高溫合金材料與實際構(gòu)件高溫疲勞破壞的本質(zhì)規(guī)律。3. 創(chuàng)新點與特色創(chuàng)新點：（ 1） 通過單晶合金成分設(shè)計和強韌化機理研究， 揭示

26、高溫度梯度定向凝固中關(guān)鍵合金元素的凝固偏析行為，研制無 Re 或低 Re 單晶高溫合金，為發(fā)展高強 度、低密度、低成本單晶高溫合金建立理論基礎(chǔ)。（ 2） 揭示高溫合金復(fù)雜構(gòu)件凝固成形過程的科學(xué)規(guī)律， 完善高溫合金冶金缺陷形成與控制的理論模型，為發(fā)展復(fù)雜結(jié)構(gòu)鑄件精確成形提供科學(xué)依據(jù)。（ 3）通過液態(tài)金屬霧化沉積過程的優(yōu)化設(shè)計，結(jié)合凝固過程的電磁場控制，實現(xiàn)高溫合金氬氣霧化高純細粉和等軸細晶錠坯的制備， 解決高合金化材料難以 成形和均質(zhì)化問題，發(fā)展高溫合金制備技術(shù)原型。（ 4） 通過熱模擬試驗建立基于物理過程的高溫合金變形本構(gòu)關(guān)系， 結(jié)合變形過程中強化相與基體相的組織演化模型， 預(yù)測高速變形軟化和

27、異常晶粒長大 （粗晶及混晶）過程，實現(xiàn)熱-力-組織多場耦合的全過程、多尺度有限元模擬。特色：（ 5） 建立高溫合金成分設(shè)計、 制備加工和組織性能基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫， 發(fā)展先進定 向凝固技術(shù)， 為研制新型高溫合金材料和發(fā)展高溫合金制備原型技術(shù)建立基礎(chǔ)數(shù) 據(jù)和技術(shù)平臺。（ 6） 綜合研究凝固成形過程的多場耦合作用對復(fù)雜構(gòu)件形狀尺寸和凝固組織的影響規(guī)律， 通過建立數(shù)學(xué)模型和實驗驗證相結(jié)合， 形成科學(xué)有效的凝固缺陷控 制方法。（ 7） 通過多重循環(huán)熱加工工藝來改善鑄錠熱塑性， 實現(xiàn)鑄態(tài)組織破碎； 應(yīng)用 高溫合金T +組相組織超塑性變形原理，實現(xiàn)高合金化難變形合金超塑性坯料 的制備。（ 8） 通過對典型高溫合金

28、材料與關(guān)鍵部件的失效分析， 為我國高溫合金的材料設(shè)計及壽命預(yù)測提供實驗數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。（ 9） 通過對服役條件下高溫合金氧化腐蝕機理研究， 發(fā)展新一代自適應(yīng)型長壽命多功能高溫防護涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計與材料制備的理論和方法。4. 可行性分析（ 1） 本項目由中國科學(xué)院金屬研究所、 北京航空材料研究院、 鋼鐵研究總院、北京科技大學(xué)、 北京航空航天大學(xué)、 西北工業(yè)大學(xué)和東北大學(xué)等國內(nèi)高溫合金研究優(yōu)勢單位聯(lián)合申請， 各單位在高溫合金材料設(shè)計與制備領(lǐng)域都有很好的研究基礎(chǔ)。（ 2） 項目申請單位進行了大量的調(diào)研和討論， 針對高溫合金材料設(shè)計與制備中的基礎(chǔ)科學(xué)問題，制定了切實可行的研究計劃。（ 3） 項目申請單位近

29、年來承擔了多項與高溫合金材料設(shè)計與制備有關(guān)的國家自然科學(xué)基金、 863 計劃、國家攻關(guān)項目等課題，并取得了豐碩的研究成果，為開展本項目奠定了良好的工作基礎(chǔ)。（ 4）在國家有關(guān)部委的支持下，項目參加單位在材料制備、加工、分析、評價等方面建立了完善的試驗設(shè)備和檢測手段，并形成了各自的優(yōu)勢和特色。（ 5） 項目參加單位注重基礎(chǔ)理論和應(yīng)用研究均衡發(fā)展， 不僅在高溫合金材料制備加工基礎(chǔ)理論方面取得良好進展， 同時在高溫合金開發(fā)應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化方面也取得了顯著的成果。（ 6） 項目申請單位與國內(nèi)高溫合金用戶建立了良好的合作關(guān)系， 這不僅為本項目提供了需求牽引動力，也為項目成果的驗證和應(yīng)用搭建了技術(shù)平臺。5.

30、各課題間相互關(guān)系本項目課題設(shè)置主要圍繞高溫合金的成分設(shè)計和強韌化基礎(chǔ)理論、 純凈化冶煉及缺陷控制、 材料加工成形與組織性能調(diào)控、 先進加工制備技術(shù)理論體系、 苛刻環(huán)境下合金損傷機制及防護機理等關(guān)鍵科學(xué)問題展開， 建立高溫合金的合金設(shè)計 制備成形 組織控制 使役性能之間的關(guān)系。 以鑄造高溫合金、 變形高溫合金和粉末高溫合金三類合金體系為載體， 重點研究高溫合金材料設(shè)計與制備中的重大基礎(chǔ)問題。根據(jù)本項目的總體思路和預(yù)期目標，設(shè)置如下六個課題：（ 1）單晶高溫合金成分設(shè)計及強韌化基礎(chǔ)研究（ 2）高溫合金純凈化冶煉及凝固缺陷控制（ 3）高合金化高溫合金塑性加工過程中的組織演變機理（ 4）高溫合金粉末冶

31、金成形基礎(chǔ)研究（ 5）高溫合金液態(tài)成形先進制備技術(shù)基礎(chǔ)研究（ 6）高溫合金的損傷機制及表面防護基礎(chǔ)研究11如有幫助，歡迎下載支持。本項目的課題設(shè)置思路及其關(guān)聯(lián)性如圖 2所示，其中，成分設(shè)計及強韌化機 理研究是高溫合金發(fā)展的重要理論基礎(chǔ)；純凈化冶煉、凝固成形及缺陷控制是改 善材料綜合性能、提高產(chǎn)品合格率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)；塑性變形是提高材料性能和實現(xiàn) 部件成形的重要手段；粉末冶金與噴射成形為獲得均質(zhì)近終成形大型鑄鍛件提供 了新的短流程、低成本技術(shù)途徑；抗高溫氧化腐蝕防護涂層為高溫合金構(gòu)件的長 壽命服役提供了重要的保障；失效機理及壽命預(yù)測為高溫合金構(gòu)件的安全可靠服 役提供了科學(xué)的理論依據(jù)。因此，本項目課題

32、的設(shè)置既相互獨立又相互關(guān)聯(lián)， 構(gòu) 成了一個完整的高溫合金材料設(shè)計與制備基礎(chǔ)理論體系， 可以為我國高溫合金產(chǎn) 業(yè)的進一步發(fā)展提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)儲備。課題1、單晶高溫合金成分設(shè)計及強韌化基礎(chǔ)研究預(yù)期目標：揭示先進單晶高溫合金中主要固溶強化元素 W、Mo、Re、Ru等與微量元素 C、B、Hf等的偏析行為、分布特征、擴散規(guī)律及其對合金中第二相（ 丫相、碳 化物、TCP相等）析出行為和高溫變形過程中組織變化的影響， 深入認識元素問 的交互作用，進一步完善合金的強韌化基礎(chǔ)理論； 針對不同的應(yīng)用環(huán)境，確定不同合金元素的最佳匹配關(guān)系，充分發(fā)揮合金元素的強化作用，為高溫合金的成分 優(yōu)化設(shè)計奠定理論基礎(chǔ)；通過系統(tǒng)

33、研究單晶高溫合金中Re、Ru的強化機制以及與其它元素的相互作用，尋求減少和替代 Re的途徑，探索低成本、高性能高溫 合金的設(shè)計思路；澄清高溫合金中微合金化改性的科學(xué)本質(zhì)。發(fā)表論文40篇以上，其中SCI、EI源刊物論文20篇以上；申報國家(國防) 專利3至5項。培養(yǎng)高溫合金制備加工專業(yè)領(lǐng)域博士和碩士研究生10人以上。研究內(nèi)容：(1)通過研究先進單品合金中 Re、Ru、W、Ta、Mo、Co、Cr等主要合金 化元素和C、B、Hf、稀土等微量元素的強化機理及元素間的交互作用，確定復(fù) 雜多元體系中合金元素的最佳匹配關(guān)系。(2)對比傳統(tǒng)定向凝固與高溫度梯度液態(tài)金屬冷卻定向凝固技術(shù)，研究關(guān) 鍵強化元素的凝固

34、偏析行為及其在熱處理、高溫長期時效中的擴散與偏聚，提出 高溫度梯度下先進單品合金的設(shè)計思路。(3)深入探討合金元素固溶度、溶質(zhì)分布、強化相與有害析出相等在非平 衡凝固與固態(tài)相變過程中的變化規(guī)律，在原子尺度上闡明界面幾何結(jié)構(gòu)、界面能、 缺陷結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分之間的關(guān)系。(4)探討溫度-力場作用下位錯運動模式及其與微結(jié)構(gòu)演變之間的關(guān)系。(5)通過第一原理計算，深入考察品格錯配度與合金化對 ？/y界面電子結(jié)構(gòu) 的影響，探討固溶原子在午相中的點陣占位、畸變和有序無序轉(zhuǎn)變對力y界面鍵結(jié) 構(gòu)、鍵合強度的影響以及間隙原子對界面脆化性質(zhì)的影響。(6)從微觀和介觀尺度上闡明位錯和第二相粒子等與合金強化元素的交互作用

35、規(guī)律，完善高溫合金的強化理論。經(jīng)費比例：20%承擔單位：中國科學(xué)院金屬研究所、北京科技大學(xué)課題負責(zé)人：張健學(xué)術(shù)骨干：程明、董建新、馮強、李金國、鄭為為、孫文儒、張麥倉、趙九洲、周蘭章、周亦胄課題2、高溫合金純凈化冶煉及凝固缺陷控制預(yù)期目標：揭示高溫合金復(fù)雜構(gòu)件凝固成形過程的科學(xué)規(guī)律，完善高溫合金冶金缺陷形成與控制的理論模型，發(fā)展高溫合金純凈化冶煉基礎(chǔ)理論和技術(shù)原型， 為高溫合 金鑄件精確成形提供科學(xué)依據(jù)。具體目標如下：13如有幫助，歡迎下載支持。（ 1） 揭示高溫合金冶煉過程中， 去除有害元素和雜質(zhì)的熱力學(xué)反應(yīng)和動力學(xué)過程，提出冶煉過程中非金屬夾雜的有效控制方法，并使合金中 O、 N 、 S

36、雜質(zhì)含量控制在5ppm 以下；（ 2）表征高溫熔體中亞結(jié)構(gòu)演化動力學(xué)，闡明熔體結(jié)構(gòu)和特性對高溫合金凝固行為的影響規(guī)律，發(fā)展高溫合金純凈化冶煉的基礎(chǔ)理論和技術(shù)原型；（ 3）探明高溫合金凝固成形過程的熱力學(xué)和動力學(xué)機理及微觀組織演變特征，掌握疏松、偏析、雀斑等凝固缺陷形成與演變規(guī)律，提出凝固缺陷的控制方法，大幅度提高鑄件合格率；（ 4）構(gòu)筑高溫合金凝固組織形成的數(shù)學(xué)模型，并用于指導(dǎo)凝固組織控制和鑄件成形；（ 5）闡明合金熔體結(jié)構(gòu)、熔體純凈度和凝固組織與力學(xué)性能之間關(guān)系，為進一步提升高溫合金性能和復(fù)雜構(gòu)件精確成形奠定理論基礎(chǔ)。（ 6）發(fā)表學(xué)術(shù)論文40 篇以上，申報專利 4 項以上，培養(yǎng)博士、碩士研究

37、生15 名以上。研究內(nèi)容：1. 高溫合金純凈化冶煉的基礎(chǔ)研究（ 1）高溫合金熔體在真空感應(yīng)冶煉過程中與坩堝、過濾器以及活性添加材料之間的熱力學(xué)、動力學(xué)過程及冶金化學(xué)行為研究。（2）過熱環(huán)境下高溫合金熔體中O、N、S等的熱力學(xué)與凝固行為研究。（3）真空電子束冶煉環(huán)境下高溫合金熔體中O、N、S等的熱力學(xué)與動力學(xué)行為研究。（4）真空冶煉環(huán)境中高溫合金脫。、脫N、脫S機理及有害雜質(zhì)元素的控制方法研究。（ 5）高溫合金純凈化冶煉技術(shù)基礎(chǔ)的試驗驗證和完善研究。2. 高溫合金凝固缺陷控制的基礎(chǔ)研究（ 1）定向凝固過程高溫合金過熱處理的熔體行為研究。不同溫度高溫合金熔體中亞結(jié)構(gòu)的表征、 熔體結(jié)構(gòu)隨溫度變化的演

38、化動力學(xué)及熔體結(jié)構(gòu)對凝固行為的影響，建立合金熔體狀態(tài)與凝固組織的相關(guān)性。（ 2）定向凝固過程中高溫合金熔體與鑄型和陶瓷型芯界面行為的熱力學(xué)和動力學(xué)機理及其對凝固組織的影響研究。（ 3）定向凝固過程中高溫合金充填及凝固過程中流場、溫度場和應(yīng)力場的變化規(guī)律研究。 考察合金成分、 凝固參數(shù)、 鑄件結(jié)構(gòu)以及外場等因素對合金凝固過程中的各相競爭形核、生長和凝固組織演變過程的影響規(guī)律。(4)多場耦合作用下合金/陶瓷界面的熱力學(xué)行為及熔體晶體生長機制研究。探 索偏析、疏松、取向偏離、雀斑鏈、小角度晶界、冉結(jié)晶等缺陷形成機制和控制 方法。(5)合金熔體結(jié)構(gòu)、熔體純凈度、凝固組織與力學(xué)性能間相互關(guān)系研究。(6)

39、高溫合金定向凝固組織演化數(shù)學(xué)模型研究，并通過典型構(gòu)件來驗證和完善 數(shù)學(xué)模型。經(jīng)費比例：15%承擔單位：中國航空工業(yè)第一集團公司北京航空材料研究院、西北工業(yè)大學(xué) 課題負責(zé)人：湯鑫學(xué)術(shù)骨干：曹臘梅、李雙明、李相輝、劉林、沈軍、薛明、張勇 課題3、高合金化高溫合金塑性加工過程中的組織演變機理預(yù)期目標：通過本研究工作解決若干與高合金化高性能高溫合金鑄態(tài)組織破碎、 細晶坯 料制備和大尺寸部件成形相關(guān)的塑性加工基礎(chǔ)理論問題， 為推動以燃氣渦輪發(fā)動 機渦輪盤為代表的能源動力工業(yè)關(guān)鍵材料與部件向高性能、 高可靠性、大型化和 長壽命的方向發(fā)展提供理論支撐，發(fā)展技術(shù)原型?？茖W(xué)層面：揭示高合金化高溫合金塑性變形過程

40、中流變行為與組織演變的基本特征，確定微觀組織演變的動力學(xué)控制機制，為發(fā)展全過程、多尺度、完全基于狀態(tài)變量 的熱-力-組織多場耦合物理與數(shù)值模型奠定理論基礎(chǔ)， 形成系統(tǒng)的塑性變形條件 下微觀組織演變與控制理論，驗證 丫 相體積分數(shù)4060喻金超塑性坯料制備 原理,獲得平均晶粒直徑小于10Nm的雙相細品組織。技術(shù)層面：發(fā)展高合金化高溫合金塑性加工先進技術(shù),解決與 GH4742等難加工合金直 徑500mmz上鑄錠鑄態(tài)組織破碎、直徑800mmz上渦輪盤鍛件鍛造成型相關(guān)的關(guān) 鍵工藝問題，為最終實現(xiàn)重型燃機急需的大尺寸高性能渦輪盤鍛件國產(chǎn)化提供技 術(shù)支撐；通過優(yōu)化塑性成形工藝實現(xiàn)航空發(fā)動機用GH416吸其

41、改進型合金蠕變強度標準偏差范圍減小20%,有效提高部件性能裕度。發(fā)表論文40篇以上，其中SCI、EI源刊物論文20篇以上；申報國家(國防) 專利3至5項。培養(yǎng)高溫合金制備加工專業(yè)領(lǐng)域博士和碩士研究生10人以上。研究內(nèi)容：(1)研究具有重要和廣泛應(yīng)用的傳統(tǒng)合金、新型高合金化高性能合金的熱變形行為， 揭示塑性變形過程中組織演變的動力學(xué)控制機制， 建立基于組織演變物理過程的高溫合金熱塑性變形本構(gòu)關(guān)系。 已有的研究表明高合金化高溫合金塑性變形過程中的流變行為具有極高的溫度與應(yīng)變速率敏感性、 變形激活能呈現(xiàn)高度非線性特征， 針對上述特征開展系統(tǒng)的實驗研究工作， 在獲取流變行為精確數(shù) 據(jù)的基礎(chǔ)上建立本構(gòu)關(guān)

42、系，確定熱塑性變形狀態(tài)變量。（2）發(fā)展描述塑性變形過程中6相、丫 和丫 相沉淀析出行為的動力學(xué)方法，闡明沉淀相與動態(tài)再結(jié)晶過程交互作用的機理。掌握GH416吸其改進型合金塑性加工過程中的再結(jié)晶行為，重點是如何通過調(diào)整6相的形貌、尺寸與分布來控制奧氏體晶粒尺寸。（ 3）掌握針對高溫合金熱塑性加工過程中微觀組織演變進行全過程、多尺度模擬計算所需的基本原理與方法， 在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)對高溫合金塑性變形過程中產(chǎn)生變形失穩(wěn)、 晶粒異常長大等現(xiàn)象進行準確預(yù)報。 鑒于傳統(tǒng)的繪制再結(jié)晶圖及基于唯象理論的有限元模擬方法已經(jīng)不能滿足未來對高溫合金微觀組織準確預(yù)測和缺陷預(yù)報的要求， 需要建立基于動力學(xué)過程的、 從頭算起

43、的微觀組織模擬平 臺，為滿足上述需要進行系統(tǒng)的數(shù)據(jù)積累工作。（ 4）研究高合金化高溫合金在固溶處理、控制冷卻、熱變形多重循環(huán)過程中T '相形態(tài)與分布的變化規(guī)律，及其對合金熱加工塑性的影響。（5）研究塑性變形過程中丫 相不連續(xù)沉淀行為，以及在兩相區(qū)變形細化 難變形合金晶粒的方法；研究應(yīng)變誘導(dǎo)丫 相析出原理，揭示T + Y '雙相組織超塑性成形過程中的組織轉(zhuǎn)變動力學(xué)問題。（ 6）探索外場處理對控制高溫合金微觀組織、提高熱變形塑性的原理與方法。經(jīng)費比例：15%承擔單位：鋼鐵研究總院、東北大學(xué)課題負責(zé)人： 張北江學(xué)術(shù)骨干：崔文芳、鄧群、杜金輝、呂旭東、王磊、胥國華、趙光普課題4、粉末冶

44、金高溫合金的組織演變及缺陷控制預(yù)期目標：闡明原始顆粒邊界（PPB）上的析出相形成的微觀機制和夾雜物的演化規(guī)律， 分析PPB和夾雜物導(dǎo)致粉末高溫合金的失效模式，探索并建立 PPB和夾雜物的 控制方法， PPB 數(shù)量減少50%。發(fā)表論文 30 篇以上，申報國家（國防 ）專利3項以上。 培養(yǎng)粉末高溫合金研究17如有幫助，歡迎下載支持。領(lǐng)域博士和碩士研究生3 人以上。研究內(nèi)容：(1) 研究粉末顆粒表面的成分偏析，鑒定粉末顆粒表面元素的種類和分布，判定析出相的類型，分析熱等靜壓過程中原始粉末顆粒邊界(PPB)的形成。(2) 通過研究合金中強碳化物形成元素 Zr 和 Hf 及熱等靜壓工藝和熱處理工藝對 P

45、PB 上析出相類型的影響，從微觀組織和斷口上認清PPB 的特征，探索用實驗可測的參數(shù)來表征PPB。(3) 研究 PPB 對合金的韌性、塑性以及強度的影響，確定合金性能與PPB的關(guān)系。(4) 確定母合金和粉末中夾雜物的分布、類型和尺寸，研究夾雜物在熱等靜壓和變形條件下的形態(tài)變化。(5) 研究夾雜物對合金低周疲勞性能的影響。(6) 研究 PPB 和夾雜物導(dǎo)致粉末高溫合金失效的模式。(7) 用宏觀和微觀相結(jié)合的方法分析粉末高溫合金中夾雜物 /基體界面能。經(jīng)費比例：15%承擔單位：鋼鐵研究總院、中國航空工業(yè)第一集團公司北京航空材料研究院課題負責(zé)人： 張義文學(xué)術(shù)骨干：劉建濤、陶宇、汪煜、張國星、周曉明、

46、鄒金文課題 5、高溫合金液態(tài)成形先進制備技術(shù)基礎(chǔ)研究預(yù)期目標：建立霧化過程中金屬熔滴與霧化氣體之間熱量與動量傳輸?shù)睦碚撃Ｐ鸵约俺练e坯件組織和缺陷的形成機理與控制模型， 以優(yōu)化的液態(tài)金屬霧化和沉積工藝制備氬氣霧化高溫合金細粉及高溫合金沉積坯。 噴射成形高溫合金整體致密， 致密度98.5%經(jīng)熱等靜壓致密度99.53%拉伸等主要力學(xué)性能優(yōu)于常規(guī)變形工藝。 建立高溫合金電磁場控制凝固過程中能量、 動量和質(zhì)量傳遞理論模型， 揭示電磁場控制高溫合金凝固組織的作用機理， 優(yōu)化電磁工藝參數(shù)， 為研發(fā)高溫合金電磁場控制制備技術(shù)奠定基礎(chǔ)。發(fā)表學(xué)術(shù)論文30 篇以上，申請專利 2 項，培養(yǎng)博士生和碩士生各 2 名。研

47、究內(nèi)容：（ 1） 研究液態(tài)金屬霧化過程兩相流流動的熱量和動量傳輸規(guī)律，確定高溫合金熔滴射流到達沉積坯表面時的速度、溫度、凝固程度等。（ 2） 分析氬氣霧化高溫合金粉末的粒度與組織特征，優(yōu)化氬氣霧化工藝參數(shù)，研究高溫合金高純細粉的氬氣霧化制備技術(shù)。（ 3） 研究沉積坯的溫度變化規(guī)律和組織特征，揭示噴射成形高溫合金組織的形成機理及缺陷的形成和控制機理。（ 4） 研究熱等靜壓、熱變形、熱處理等熱工藝參數(shù)對沉積坯組織的影響，揭示噴射成形高溫合金沉積坯組織的演變規(guī)律。（ 5） 通過數(shù)值模擬，結(jié)合電磁控制凝固實驗，建立凝固過程中能量傳遞、動量傳遞和質(zhì)量傳遞理論模型，研究電磁場與高溫合金熔體之間的交互作用機

48、 制。（ 6） 研究凝固過程中電磁場對固/液界面形貌及對晶體形核和生長的影響，枝晶生長與第二相析出分布的規(guī)律， 以及溶質(zhì)原子在外加電磁場中的擴散、 遷移 和偏析規(guī)律。經(jīng)費比例： 15%承擔單位： 中國航空工業(yè)第一集團公司北京航空材料研究院、 中國科學(xué)院金屬研 究所課題負責(zé)人： 張國慶學(xué)術(shù)骨干： 李應(yīng)舉、李周、劉娜、許文勇、袁華、羅天驕、付俊偉課題 6、高溫合金的損傷機制及表面防護基礎(chǔ)研究預(yù)期目標：（ 1）通過開展典型高溫合金材料的高溫疲勞和熱機械疲勞實驗，研究其微觀損傷機制、 微觀結(jié)構(gòu)演化和疲勞斷裂過程， 揭示高溫合金高溫疲勞與熱機械疲勞損傷機制與壽命之間的關(guān)系， 提出具有明確物理意義并具有較

49、高預(yù)測精度的高 溫合金疲勞壽命預(yù)測模型。（ 2）闡明服役條件下高溫合金氧化腐蝕機理，揭示防護涂層高溫氧化熱力學(xué)與動力學(xué)規(guī)律， 提出新一代自適應(yīng)型長壽命多功能高溫防護涂層材料與結(jié)構(gòu)設(shè) 計理論與制備方法。（ 3）高溫防護涂層在1150空氣中、950燃氣腐蝕介質(zhì)中達到完全抗氧化級。（ 4）發(fā)表論文50篇，申報專利5項，培養(yǎng)博士和碩士研究生10名。研究內(nèi)容：（1）研究DD98琳高溫合金材料在長期服役條件下的組織演變規(guī)律，提出高溫合金組織穩(wěn)定性的共性理論體系， 建立高溫合金損傷行為的逆向材料設(shè)計理論 方法。（ 2）通過對高溫合金機械疲勞、疲勞-蠕變交互作用和熱機械疲勞性能的測試、表征與評價，研究高溫合金

50、的損傷機制并構(gòu)建壽命預(yù)測模型。（ 3） 通過研究高溫合金材料中不同形狀和尺寸夾雜物以及表面和晶界氧化物在疲勞和疲勞蠕變過程中的作用， 結(jié)合疲勞裂紋萌生和擴展過程的原位觀察， 揭 示高溫合金材料的微觀損傷機制和性能弱化規(guī)律。（ 4） 通過對高溫合金疲勞損傷微觀機制的深入研究， 提出并完善疲勞壽命預(yù)測方法與理論，將其拓展應(yīng)用于高溫合金構(gòu)件失效機理分析。（ 5） 研究高溫合金在模擬服役工況條件下的高溫氧化腐蝕機理， 確定合金元素對熔鹽腐蝕速率的影響規(guī)律。（ 6） 發(fā)展具有阻擴散、 抗高溫氧化腐蝕以及界面相容的多功能耦合的涂層體系，研究涂層的高溫氧化熱力學(xué)與動力學(xué)以及服役過程中涂層組織演化規(guī)律。（ 7

51、） 研究多功能耦合金屬涂層與高溫合金界面擴散動力學(xué)， 分析界面擴散導(dǎo)致基體高溫合金組織結(jié)構(gòu)演變、 有害相析出等界面反應(yīng)的規(guī)律及其對高溫合金力學(xué)性能的影響。（ 8） 研究超高溫陶瓷隔熱涂層的彈性模量及熱膨脹系數(shù)等熱物性參量在高溫使用過程中的變化規(guī)律及其對界面應(yīng)力與相容性的影響規(guī)律，提出具有界面成分、界面結(jié)構(gòu)、界面熱物性 “自適應(yīng) ”功能的高溫防護涂層設(shè)計理論與制備方法。經(jīng)費比例：20%承擔單位：中國科學(xué)院金屬研究所、北京航空航天大學(xué)課題負責(zé)人： 孫曉峰學(xué)術(shù)骨干：段啟強、宮聲凱、郭洪波、李樹索、馬岳、王啟民、辛麗、屈伸、朱銀蓮21如有幫助，歡迎下載支持。四、年度計劃年度研究內(nèi)容預(yù)期目標2010(1

52、)合金成分設(shè)計：研究合金兀素偏析行為、 分布特征、擴散規(guī)律及其對合金第二相析出行 為的影響，分析合金元素固溶度、溶質(zhì)分布、 強化相與有害析出相等在非平衡凝固與固態(tài) 相變過程中的變化規(guī)律，觀測界面幾何結(jié)構(gòu)、 界面能、缺陷結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分之間的關(guān)系。(2)合金冶煉鑄造：高溫熔體處理對合金純 凈度的影響；采用雙晶試樣研究晶粒競爭生長 機制，測定變截面定向凝固試樣的溶質(zhì)場與溫 度場分布并進行計算機數(shù)值模擬；研究過熱熔 體的結(jié)構(gòu)特性以及影響流場因素和流場分布 的規(guī)律。(3)合金制備成形：研究合金熱塑性變形行 為，獲得相關(guān)合金在不同溫度與應(yīng)變速率條件 下的流變應(yīng)力數(shù)據(jù)，初步建立高合金化高溫合 金熱塑性變形本

53、構(gòu)關(guān)系； 分析粉末顆粒表面兀 素的種類、分布和狀態(tài)，判定析出相的類型， 通過熱力學(xué)計算分析熱等靜壓過程中PPB的形成過程；研究雙掃描霧化噴射成形高溫合金 熔滴射流與霧化介質(zhì)之間的熱量和動量傳輸 規(guī)律，揭示高溫合金熔體在電磁場作用下的受 力、流動、形狀約束等特點和規(guī)律，為利用磁 場控制金屬的凝固過程和組織結(jié)構(gòu)提供理論 指導(dǎo)。(4)合金使役性能：測試 DD98M、ReneS DD32等高溫合金的典型力學(xué)性能，研究高溫 合金高溫疲勞過程中的微觀結(jié)構(gòu)演化過程、表面微觀損傷方式、疲勞裂紋萌生與發(fā)展以及最 后斷裂過程；研究DD98M等高溫合金在模擬 服役工況條件卜產(chǎn)生的高溫氧化腐蝕機理，研究電子束物理氣相

54、沉積高溫防護涂層制備過 程中高能束流與涂層物質(zhì)的相互作用機制。(1) 了解合金兀素偏析行為、 分布特征及其對第二相析出行 為的影響，闡明界面幾何結(jié)構(gòu)、 界面能、缺陷結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分之 間的關(guān)系，深入認識兀素間交互 作用。(2)搞清合金熔體性質(zhì)特點和 基本凝固特性，明確增竭、過濾 器和鑄型材料的熱物理化學(xué)性 質(zhì)，為純凈化冶煉、凝固組織和 凝固缺陷控制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；建 立晶粒競爭生長機制，為控制小 角度晶界、取向偏離等缺陷提供 科學(xué)基礎(chǔ)。(3)完成幾種典型高合金化難 變形合金的熱壓縮試驗研究，獲取熱塑性變形流變應(yīng)力數(shù)據(jù)以 及熱變形激活能、奧氏體基體再 結(jié)晶溫度、沉淀強化相溶解析出 溫度和長大速率等關(guān)

55、鍵數(shù)據(jù)；確 定粉末顆粒表面和熱等靜壓錠 坯中PPB上析出相的類型，闡明 PPB的形成機理，確定最佳高溫 合金粉末制備工2 ；制備出達到 技術(shù)指標和使用要求的僦氣霧 化局溫合金粉末，揭木高溫合金 熔體在電磁場作用下的受力、流動、形狀約束等特點和規(guī)律。(4)完成DD98M等高溫合金典 型力學(xué)性能測試；揭示 DD98M 等合金高溫氧化腐蝕機理，完成 涂層成分優(yōu)化設(shè)計。(5)發(fā)表論文45篇。年度研究內(nèi)容預(yù)期目標2011(1)合金成分設(shè)計：研究單晶合金在高溫載 荷卜的變形機制，不同合金兀素對變形機制的 影響，分析合金元素的強韌化機理；研究微觀偏析、第二相、微觀缺陷等對高溫變形過程中 組織演化的影響規(guī)律；

56、觀察溫度 -力場作用卜 位錯形成及運動模式及其與微結(jié)構(gòu)演變之間 的關(guān)系；開展相關(guān)計算，完善先進單晶合金成 分優(yōu)化設(shè)計理論。(2)合金冶煉鑄造：研究高溫合金熔體與增 期材料之間的反應(yīng)熱力學(xué)和動力學(xué)過程；合金枝晶生長行為以及凝固參數(shù)影響研究，結(jié)合熔體流動特點，研究雀斑、雜晶等缺陷形成特點 與規(guī)律；對流對凝固界面、枝晶生長特性等的 作用規(guī)律研究。(3 )合金制備成形：測試高合金化難變形合 金的熱塑性變形流變應(yīng)力數(shù)據(jù)，結(jié)合對塑性變 形條件下微觀組織演變過程的分析，揭示合金變形行為隨合金化程度、沉淀強化相體積分數(shù) 提圖而艾化的規(guī)律；分析PPB上析出相在小同溫度卜的演化，研究合金中強碳化物形成元 素Zr和Hf及工藝過程對 PPB析出相類型的 影響，以及PPB對合金的韌性、塑性以及強 度的影響；開展務(wù)化過程兩相流熱里和動里傳 輸規(guī)律研究，運用電磁流體力學(xué)理論、合金凝 固理論、能量傳遞原理和質(zhì)量傳遞原理對合金 的凝固過程進行數(shù)值模擬研究。(4)合金使役性能：高溫合金機械疲勞、疲 勞-蠕變交互作用和熱機械疲勞性能的測試、 表征與評價，高溫合金材料中不