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《國家寶藏》第一季有一個(gè)的視頻片段叫做：這種飛機(jī)渦輪葉片的材料，竟然比黃金還要貴！劇透一下：其實(shí)標(biāo)題中所說的“比黃金還要貴”的材料，是指高溫合金材料。在正式介紹鎳基高溫合金之前，大家可以看一下這個(gè)視頻，了解一下高溫合金材料的使用工況和制造方法：
影響高溫合金成本因素
在航空發(fā)動(dòng)機(jī)成本中，原材料成本占約 50%，而高溫合金為原材料主要構(gòu)成，約占材料成本約 36%。未來 10 年，我國軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)對于高溫合金的市場需求規(guī)模約 524 億元。未來 20 年，全球民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)對于高溫合金的市場需求規(guī)模約 2,592 億美元。由此可見，降低高溫合金成本具有重要意義。影響高溫合金的成本的因素主要有以下幾個(gè)方面：
1. 原材料
高溫合金的原材料包括價(jià)格昂貴的Re、Ru、Hf、Ta。其中Re、Ru在提高高溫合金持久性的同時(shí)也顯著的提高了高溫合金的成本。從第一代高溫合金到第三代高溫合金，Re的含量從0%增加到6%，該元素對提高合金的高溫強(qiáng)度和抗氧化性非常有效，但會(huì)損傷合金的高溫持久性能。因此，在保證甚至是提高合金性能的前提下，降低價(jià)格較高的原材料有利于降低高溫合金成本。
2. 成品率
鑄造葉片的成品率高低對成本影響也很重要。當(dāng)生產(chǎn)廠的設(shè)備條件定下以后，工藝可調(diào)幅度是有限的，所以提高葉片合格率需要側(cè)重于如何研究出可鑄性好的單晶合金：一是探明合金產(chǎn)生鑄造缺陷的原因；二是探明缺陷對力學(xué)性能的影響程度。
3. 使用壽命
延長單晶合金的使用壽命是也是降低成本的重要措施，而優(yōu)良的長時(shí)組織穩(wěn)定性和恢復(fù)組織與性能的熱處理是實(shí)現(xiàn)長壽命的重要途徑。
4. 數(shù)值模擬技術(shù)
高溫合金經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，積累了豐富的合金數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)能成功地設(shè)計(jì)出新型單晶合金。除了合金的成分設(shè)計(jì)以外，對單晶的凝固過程、元素偏析以及鑄造缺陷的形成進(jìn)行數(shù)值模擬，能夠使整個(gè)生產(chǎn)過程更加優(yōu)化．這樣就擺脫了僅僅依靠經(jīng)驗(yàn)和大量實(shí)驗(yàn)的傳統(tǒng)發(fā)展模式，大大縮短了研制周期和降低了研制成本。
鎳基高溫材料研究熱點(diǎn)變遷
先說一個(gè)基本規(guī)律：對于金屬材料來說，晶粒越大，它的高溫性能就會(huì)越好。在高溫下晶粒間的晶界是金屬材料的弱點(diǎn)。
鎳基高溫合金主要用于高溫渦輪葉片，所受的主要是拉應(yīng)力，離心力和震動(dòng)載荷。隨著渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的渦前溫度和功率的提升，由于晶界的存在，以往的多晶就不行了，于是就需要開發(fā)定向結(jié)晶的晶柱。沿晶柱軸向可以承受較強(qiáng)的拉力，并且裂紋不會(huì)橫向生長，但是一旦有了裂紋后晶柱整體的抗拉性能，特別是高溫抗蠕變性能會(huì)減弱。于是研究人員就想到如果沒有晶界(即單晶）就好了。整塊晶體缺陷少，并且在高溫下金屬材料的分子會(huì)不斷振動(dòng)自我修復(fù)，可以極大的提升葉片的壽命。并且單晶高溫合金具有較高的高溫強(qiáng)度、良好的抗氧化性和抗熱腐蝕性能、優(yōu)異的蠕變與疲勞抗力、良好的組織穩(wěn)定性和使用可靠性，采用定向凝固工藝消除晶界，單晶高溫合金明顯減少了降低熔點(diǎn)的晶界強(qiáng)化元素，使合金的初熔溫度提高，能夠在較高溫度范圍進(jìn)行固溶和時(shí)效處理，其高溫強(qiáng)度比等軸晶和定向柱晶高溫合金大幅度提高。
為什么要研究鎳基單晶高溫合金平臺(tái)內(nèi)的枝晶生長？
隨著渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)效率的增加，渦輪前端進(jìn)口溫度不斷提高。為了提高葉片的耐高溫性能，合金中的難熔合金元素含量逐漸增多，加上實(shí)際生產(chǎn)中葉片形狀極為復(fù)雜，使得葉片中出現(xiàn)凝固缺陷的傾向性增大。枝晶生長與凝固缺陷息息相關(guān)，而且凝固缺陷又會(huì)影響鎳基單晶高溫合金的性能。掌握定向凝固過程中的枝晶生長規(guī)律，對復(fù)雜結(jié)構(gòu)的鎳基單晶高溫合金葉片具有一定的指導(dǎo)意義。
鎳基單晶高溫合金平臺(tái)內(nèi)的枝晶生長研究
中國科學(xué)院金屬研究所的研究團(tuán)隊(duì)采用光學(xué)顯微鏡(OM)、電子探針微量分析儀(EPMA)、差熱掃描量熱儀(DSC)，Thermo-Cal軟件和Pro-CAST軟件對鎳基單晶鑄件(SX)不同截面上的枝晶形態(tài)進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，不同代次的鎳基單晶鑄件平臺(tái)外側(cè)的枝晶形態(tài)相似。即初晶相通過發(fā)展二次枝晶的形式占據(jù)了整個(gè)平臺(tái)的底部，從二次枝晶中發(fā)展出的三次枝晶一直填充滿整個(gè)平臺(tái)。隨著鎳基單晶鑄件代次的增加，由于難熔合金元素含量的增加和定向凝固中偏析的出現(xiàn)，平臺(tái)內(nèi)部的熔體過冷度顯著增加，高階枝晶尖端的生長速度也顯著增加。此外，高代次的鎳基單晶合金的的平臺(tái)內(nèi)側(cè)表現(xiàn)出較強(qiáng)的枝晶分枝能力。
文中部分圖表
數(shù)值模擬技術(shù)在高溫合金研究中的應(yīng)用
一直以來，由于生產(chǎn)工藝的復(fù)雜性和不穩(wěn)定性，以及研制周期長，費(fèi)用昂貴和成品率低，我國單晶葉片的研制過程緩慢，制約了單晶高溫合金在先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的實(shí)際應(yīng)用。針對這一技術(shù)瓶頸問題，將數(shù)值模擬技術(shù)引入到高溫合金渦輪葉片的制造過程中，有效模擬定向凝固葉片的凝固微觀組織演變過程，分析固液界面前沿的溶質(zhì)擴(kuò)散、熔體流動(dòng)和溫度分布規(guī)律，預(yù)測晶體缺陷的產(chǎn)生，最終實(shí)現(xiàn)優(yōu)化生產(chǎn)工藝，縮短試制周期、降低試制成本、提高單晶葉片的質(zhì)量和成品率的目的，還加速新產(chǎn)品研發(fā)，推動(dòng)鑄造技術(shù)走高端化的道路。
上述研究結(jié)果對研究高溫合金枝晶生長特征及缺陷預(yù)測具有有參考價(jià)值。在研究過程中，科研人員采用Thermo-Cal 軟件對不同代次的鎳基單晶高溫合金在定向凝固過程中的固液界面溫度進(jìn)行計(jì)算，并采用Pro-cast軟件對溫度場進(jìn)行了模擬。將計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)應(yīng)用到研究當(dāng)中，所得的結(jié)果對于生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義，可以達(dá)到優(yōu)化生產(chǎn)工藝，降低成本，提高單晶葉片質(zhì)量的目的。
文中部分圖表
數(shù)值模擬技術(shù)在高溫合金領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)
盡管數(shù)值模擬技術(shù)有著諸多的優(yōu)點(diǎn)，但是為了使高溫合金在航空工業(yè)領(lǐng)域得到更好的應(yīng)用，仍然有一些問題需要解決：
1. 多尺度、多物理量、成形制造全流程模擬的集成
對于高溫合金定向凝固葉片的多尺度耦合模擬可以從時(shí)間尺度和空間尺度兩個(gè)方面來理解：
時(shí)間尺度：
（1）定向凝固工藝 - 微觀組織 - 力學(xué)/使用性能之間的耦合關(guān)系模擬；
（2）不同成形工藝之間、即制造全流程的耦合，對葉片的制造而言，存在著鑄造（定向凝固）- 熱處理 - 激光打孔 - 陶瓷涂層等復(fù)雜制造工藝。
空間尺度：
主要是從微觀尺度 - 介觀尺度 - 宏觀尺度上的耦合模擬，不同尺度對應(yīng)著不同的模擬手段和方法、工具，模擬手段 / 工具之間的耦合及數(shù)據(jù)調(diào)用、邊界條件信息傳遞等則是存在的主要問題。
多物理場耦合是指在高溫合金渦輪葉片定向凝固過程中涉及到的多物理場之間相互作用，這些物理場主要包括：流場、溫度場、溶質(zhì)場、組織場、應(yīng)力 / 應(yīng)變場等。這些物理場中有些是一一對應(yīng)關(guān)系，有一些是兩兩之間的相互影響，也有一些是三者或三者以上的耦合關(guān)系，如何建立耦合關(guān)系模型，并尋找合理的解耦方法是研究的重點(diǎn)。
2. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫
材料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、微結(jié)構(gòu)以及性能模型既有基于理論的，也有基于現(xiàn)象的，但無論哪種模型都不是十分完善，都需要更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來修正，同時(shí)，模型也需要覆蓋更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。研究表明，數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化工具 50％ - 80％的開發(fā)費(fèi)用與實(shí)驗(yàn)研究有關(guān)。實(shí)驗(yàn)手段不僅是建立理論模型的前提，也可以彌補(bǔ)理論上的不足。實(shí)驗(yàn)的重要性還在于可以確保模擬軟件的準(zhǔn)確性。
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