【正文】 為和組織特征的影響規(guī)律；采用試驗與模擬相結(jié)合，研究多場耦合作用下復雜多元合金凝固過程中各相形核、生長動力學和熱力學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控制方法，為高溫合金復雜構(gòu)件凝固成形工藝設(shè)計與缺陷控制提供理論基礎(chǔ)。高溫合金在服役環(huán)境中的氧化腐蝕機理；高溫合金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匹配與相容性；新一代長壽命“自適應型”超高溫防護涂層材料設(shè)計。（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及性能調(diào)控，高合金化難變形合金的熱塑性變形機理；考慮第二相演變的組織預測模型；粗晶和混晶等典型組織缺陷的控制?？垢邷匮趸g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問題尚沒有得到有效的解決。高溫合金材料設(shè)計與制備的基礎(chǔ)探討作者：日期：項目名稱：高溫合金材料設(shè)計與制備的基礎(chǔ)研究首席科學家：孫曉峰 中國科學院金屬研究所起止年限：2010年1月2014年8月依托部門：中國科學院一、研究內(nèi)容1. 擬解決的關(guān)鍵科學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，強化機理復雜，有的強化元素之間還存在較強的交互作用，認識復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。為了保證發(fā)動機的安全可靠性，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。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和夾雜物導致粉末高溫合金的失效模式。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、損傷機理及壽命預測等問題開展研究工作，建立高溫合金的成分設(shè)計――制備成形――組織控制――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。（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測建立系統(tǒng)理論與方法；闡明高溫合金γ + γ′雙相組織超塑性變形機理，分析應變誘導相變與相變誘導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)。（6）高溫合金的損傷機制、壽命預測及表面防護基礎(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、便于工程應用的高溫合金安全服役壽命預測方法與理論；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與動力學，以及涂層體系與高溫合金界面擴散動力學與界面阻擴散機制，提出具有界面成分、結(jié)構(gòu)、熱物性“自適應”功能的高溫防護涂層設(shè)計理論與方法。 （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)f800mm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)。（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、便于工程應用的高溫合金疲勞壽命預測方法。為高溫合金制備與加工提供理論依據(jù)和技術(shù)保障壽命預測方法缺陷控制強韌化機理性能評價方法大尺寸盤件成形塑性變形機理損傷機制關(guān)鍵技術(shù)純凈化熔煉技術(shù)工藝基礎(chǔ)復雜構(gòu)件凝固成形合金成分設(shè)計基礎(chǔ)理論圖1 總體研究方案主要學術(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)。（3）高溫合金的加工制備是發(fā)展新合金、促進傳統(tǒng)合金提高性能并降低成本的關(guān)鍵技術(shù)。（5）高溫合金的損傷機理和壽命預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基礎(chǔ)。相中的點陣占位、畸變和有序無序轉(zhuǎn)變對g/g162。（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。（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。（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，預測高速變形軟化和異常晶粒長大（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。（4）通過對典型高溫合金材料與關(guān)鍵部件的失效分析，為我國高溫合金的材料設(shè)計及壽命預測提供實驗數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。（3）項目申請單位近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)。5. 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。課題單晶高溫合金成分設(shè)計及強韌化基礎(chǔ)研究預期目標：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（g162。研究內(nèi)容：（1）通過研究先進單晶合金中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，確定復雜多元體系中合金元素的最佳匹配關(guān)系。（5）通過第一原理計算，深入考察晶格錯配度與合金化對g/g162。（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規(guī)律，完善高溫合金的強化理論。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、動力學過程及冶金化學行為研究。（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。（3）定向凝固過程中高溫合金充填及凝固過程中流場、溫度場和應力場的變化規(guī)律研究。（5）合金熔體結(jié)構(gòu)、熔體純凈度、凝固組織與力學性能間相互關(guān)系研究。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500mm以上鑄錠鑄態(tài)組織破碎、直徑800mm以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GH4169及其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。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)系，確定熱塑性變形狀態(tài)變量。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測和缺陷預報的要求，需要建立基于動力學過程的、從頭算起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。經(jīng)費比例：15%承擔單位：鋼鐵研究總院、東北大學課題負責人：張北江學術(shù)骨干：崔文芳、鄧群、杜金輝、呂旭東、王磊、胥國華、趙光普課題粉末冶金高溫合金的組織演變及缺陷控制預期目標：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%。(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PPB上析出相類型的影響，從微觀組織和斷口上認