孫巧艷，杜 勇，劉立斌，胡青苗，肖 林，孫 軍

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

1 前 言

人類進入20世紀以來，科學技術以前所未有的速度蓬勃發(fā)展。尤其是20世紀中葉及后期，電子計算機、超大規(guī)模集成電路技術不斷進步，促使計算機的性能每18～24個月提升一倍，并保持價格不變(即摩爾定律)。計算機的普及對研究人員來講是莫大的福音，計算機的高速運算(每秒億萬次的計算速度)將科研人員從枯燥、重復、耗時的計算中解脫出來，同時極大地提高了效率和準確性，這為執(zhí)行需要大量計算的科研任務提供了技術支撐?；诖?，1985年美國能源部提出“人類基因組計劃”(human genome project, HGP)草案，經過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個國家的科學家共同完成。人類基因組計劃的核心任務是利用第一代基因測序技術，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與信息系統(tǒng)等建立等方面，明確所有基因的結構和功能，為人類疾病的預防和診治提供科學依據，更好地認識和保護生命體。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識自我。目前科研人員正在探索將基因技術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疾病的預防與治療，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技術已經成為刑事案件、兒童拐賣案件偵破的關鍵技術，在維護社會安全與穩(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，又能與他人很好得溝通協(xié)作，并且具有抵抗挫折的能力，即一個人應該具有良好的綜合素質。那么一個人從出生后就要經歷學習和培訓，以獲得特定的品質和技能，最終服務社會。對于材料(比如金屬結構材料)，我們要求合金具有高強度、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(相當于人的初生)，鑄錠經過鍛打、軋制、加工等各種處理，與人接受教育和培訓相似，最后實現(xiàn)我們需要的各項性能指標。圖1給出材料制備加工與人類成長經歷的相似過程。

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公布，立即引起了國際廣泛關注，中國、歐盟、日本、印度等紛紛跟進，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，但是其任務相似，都是圍繞集成計算工具、實驗工具和數據庫來加快材料設計和應用展開。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，需要根據其具體的使用性能尋求各自的材料基因表達和內涵。

圖1 材料的制備、應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計的思路與案例

近年來國內外專家和學者普遍意識到“一代材料、一代裝備”(也有說“一代材料、一代飛機”)，這些都凸顯材料成為高端裝備的關鍵因素?；仡櫿麄€工業(yè)技術及材料的發(fā)展和應用歷程，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”?？蒲腥藛T基于自己的知識和相關經驗積累，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味料，很大程度上依賴于經驗。冶煉合金本身就需要長時間，合金煉好以后，還要經過后續(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到預期目標，那就要調整合金元素含量和配比，重復以上過程了。即便材料的性能達到要求，還要向用戶(設計人員)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，模擬設備運行，檢測新材料是否安全可靠。新材料經過這些環(huán)節(jié)考驗合格后，才有可能被設計人員認可和使用。比如，球墨鑄鐵，從發(fā)現(xiàn)到開始應用，經歷了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《輕質化技術在軍用飛機、艦船和車輛中的應用》中引用了兩個成功的合金設計實例。一個是由 Olson 領導設計、由QuesTek創(chuàng)新公司開發(fā)的Ferrium S53飛機起落架用鋼[5-6]；另一個是GE開發(fā)的燃氣渦輪機用GTD262高溫合金[7]。它的設計和開發(fā)從概念到生產只用了4年時間，研發(fā)所用經費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計時，先通過熱力學計算搞清楚了合金中的相結構，另外，還結合已有的材料性能模型和數據庫，對材料的性能進行了預測。此外，設計時考慮了合金的可鑄性、可焊性和抗氧化等因素，他們設計GTD262(一種鎳基高溫合金)的成分一次到位，中試和生產過程中也沒有出現(xiàn)任何問題。這樣避免了以前開發(fā)合金那樣要經過幾次來來回回的重復實驗，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。

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

3 高性能合金的力學性能及其關鍵“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蒙皮、結構件等，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)動機高溫部分零件，比如發(fā)動機葉片等。這些合金通常稱為結構材料，即用于制造承受力的零件和構件的材料。對于結構材料，如果從使用性能方面來講，主要考察其強度、塑性和韌性，高溫合金還要考察高溫下的持久強度、塑性和韌性。強度是結構材料最重要的性能指標，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，選擇強度高的合金，零件尺寸可以減小，零件自重??；合金韌性好，則意味著材料抵抗損傷能力強，即零件中即使有微小裂紋，這個微小裂紋擴展很困難，或者這個微小裂紋需要擴展較長距離才能引起零件斷裂。韌性好的材料，微小裂紋在構件中緩慢擴展中就會被檢查到，使人們能夠及時更換零件，保證設備安全運行。因此，產品設計人員為重要零件選擇材料時，強度和韌性是必須考慮的力學性能指標。

強化就是提高合金的強度的手段和措施，比如固溶強化、形變強化、細晶強化、第二相強化；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，強度與韌性往往是相反的變化規(guī)律，強度和韌性是一對此消彼長的變量。對于同一個合金，提高強度并不困難，提高韌性也不困難，難的是讓強度和韌性同時提高。這是目前合金強化韌化面臨的基礎科學問題，國際上還沒有很好的辦法解決這個矛盾問題。近幾年，經過科研人員的努力，已在某些合金和金屬中取得了一些進展和突破，實現(xiàn)了合金的強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度與韌性的基因呢？合金不存在人類的雙螺旋結構的基因，但是合金的性能與原子結構、成分等關系類似于人的特性與基因的關系。比如固溶原子、合金的晶體結構及晶體缺陷、合金中的相結構、合金的微觀組織結構，這些因素最后確定了合金的性能(強度與韌性等)。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聯(lián)，我們認為這些因素有機地構成了合金的基因組。到目前為止，從固溶原子-晶體結構-相結構-微觀組織-力學性能這條路還未打通，尤其是相結構到力學性能這一段，還需要大量的工作和數據補充。如圖2所示，我們需要每一階段都可以定量、準確地表達?？蒲泄ぷ髦饕獜淖蟮接?，建立成分、相與組織結構、力學性能的定量表征關系；工程應用，則是從右向左，根據合金的力學性能要求反推出微觀組織結構，進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系的是相和微觀組織，微觀組織由一種相或者多個相構成，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，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構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，比如Fe3C、Ni3Al等。對于鈦合金來講，室溫下的固相是α、β相，α是密排六方晶體結構，β是

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

體心立方晶體結構，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度，比如固溶強化(由固溶原子引起)、加工硬化(位錯數量增加)和細晶強化(增加界面數量)。

強化的本質是什么呢？對于金屬材料來講，強化的本質是增加位錯運動的阻力。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，對合金的強度和塑性都有重要的影響。位錯在金屬晶體中可以運動，位錯的運動導致金屬屈服而發(fā)生塑性變形?；谖诲e理論，增加位錯運動的阻力的因素可以強化金屬，減低位錯運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動的阻力，使位錯運動困難，強化效果依據對位錯阻力大小而定。但是對于金屬來講，位錯運動很困難，強度很高，這樣帶來的另一個結果就是金屬很難發(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，我們需要位錯運動有阻力(高強度)，必須可以運動，適當高應力作用下運動，發(fā)生塑性變形，消耗外力做功，這樣合金才會表現(xiàn)出強度、塑性與韌性的匹配，才是性能優(yōu)良的工程合金?？梢?，晶體缺陷也是決定高性能合金的關鍵基因。

4 確定合金“基因”的技術手段

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備。近年來各種先進的材料表征、分析技術，尤其是高精度微米和微區(qū)表征設備的開發(fā)和應用(比如高分辨場發(fā)射掃描電鏡、聚焦離子束技術和飛秒激光技術等)，為快速獲得材料的性能數據提供了保證?；诖耍蒲腥藛T相繼開發(fā)了高通量測試材料相與組織結構的測試表征技術[8]。另一方面，計算材料學近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群的并行計算，獲得從材料成分到晶體結構、相以及物質的彈性熱容等參數，也能對合金的強化作用給出定性的解釋[9-10]。但是，到目前強度、韌性、塑性都不能直接從合金成分計算出。因此，合金力學性能數據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)的高通量實驗技術和計算方法。

4.1 測試多元合金相圖的擴散多元節(jié)方法

相是合金性能的關鍵基因之一，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，平面內就是合金體系在特定的溫度、成分下存在的相?？梢?，相圖是我們設計合金的重要工具。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據匯總在一起，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，非常耗費時間。

合金相圖的繪制有沒有快捷又準確的方法呢？有！就是擴散多元節(jié)方法。擴散多元節(jié)法是在二元擴散偶的基礎上發(fā)展而來。圖3a的示意圖給出了Ti-Cr-Ti3Al-Ti2Si擴散多元節(jié)，圖3b是用擴散多元節(jié)中的三元結處得到的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，由此證實了擴散多元節(jié)法在相圖繪制方面的可靠性和高效率。

圖3 擴散多元節(jié)法在鈦合金相圖中的應用[8]：(a)Ti-Cr-TiAl3-TiSi2擴散多元節(jié)示意圖，(b)擴散多元節(jié)三元結處獲得的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

我們要設計、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高效獲得合金組成相的性能數據庫。什么是高通量測試技術呢？其含義是高效獲得測試對象的性能數據。將上面提到的擴散多元節(jié)和高精度微米尺度的測試技術相結合，就可以實現(xiàn)合金組成相的性能的高通量測試。擴散多元節(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率、熱膨脹系數，在一個擴散多元節(jié)上可以測出多個成分和相的性能，結果與大塊材料的性能數據一致，效率提高幾十倍[11-12]。其他性能，包括彈性常數、居里溫度、比熱容等物理性能都可以用飛秒激光技術高速確定；還可以測試微尺度相的光學性質、介電常數、電導率等。比較復雜的是材料的力學性能，因為力學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測試分析技術，可實現(xiàn)在擴散多元節(jié)上不同區(qū)域性能的測試，比如納米壓痕技術可以測試微米尺度的硬度和模量數據。強度的測試需要用聚焦離子束在微米區(qū)域加工柱狀試樣，進行壓縮和拉伸或者彎曲，測試合金組成相的強度等數據[13-16]。目前韌性還無法通過微區(qū)測試技術獲得，因為韌性對材料的尺寸要求嚴格，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

計算材料學的快速發(fā)展為高通量計算提供了技術和方法的支持。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構的計算，還可以計算晶體的一些常數，如彈性常數、彈性模量、體模量等參數，并對合金的固溶強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散系數的計算，包括自擴散系數、互擴散系數等，因為擴散系數是研究合金相變(在合金中發(fā)生的一種相變成另一種相的轉變) 的重要參數[17-18]。分子動力學計算可以給出合金幾個納米到幾十納米尺度的力學性能、相變過程、晶體缺陷及其運動規(guī)律，但是受到計算機性能的限制，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、體積分數、穩(wěn)定溫度范圍、相變溫度等，還可以計算相場動力學模擬需要的相變驅動力、擴散過程的熱力學參數，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方法經過長期發(fā)展和完善，已經成為國際著名航空發(fā)動機制造單位與材料研究機構的重要計算工具[8]。

前面講到，與合金力學性能直接相關的是相和微觀組織。那么微觀組織怎么形成的？合金的微觀組織由相構成的，合金在溫度變化時發(fā)生相變，相變的結果就是形成了由生成的相組成特定的微觀形貌的組織結構，稱其為微觀組織。微觀組織可以由一個相構成，也可以由多個相構成，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。這些微觀組織越細小，合金的強度與塑性越好，即細晶強化效果。能不能用計算機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模擬。相場動力學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行假設，允許微觀組織形貌變化，可以用于預測復雜的微觀組織。最早相場動力學用來模擬晶粒長大，現(xiàn)在可以模擬復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，使計算的結果與實際更為接近。由于相場計算需要大量的熱力學參數，比如Gibbs自由能、晶格常數、界面能、各向異性的彈性常數以及這些性能隨著成分與溫度的變化。這些參數來源于CALPHAD計算結果、第一性原理計算或者實驗結果。實際工程使用的合金均是多元合金，具有復雜的相組成和微觀組織結構，采用單一的計算或者實驗技術很難準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結合并與高通量實驗技術耦合，構建了鋁合金熱力學數據庫，預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行優(yōu)化設計，取得了理想的結果[19-20]。這些可喜的研究進展對于高性能鈦合金的研發(fā)具有重要的借鑒作用。

有限元是工程上應用最為廣泛的一種數值分析方法。隨著計算機技術的迅速發(fā)展，在工程領域中，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值技術，研究者發(fā)現(xiàn)這些偏微分方程可以用來描述流動、電磁場以及結構力學等。目前有限元在材料加工方面已經得到實際應用，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工業(yè)的各種成形工藝和熱處理工藝。研究人員在計算機上可以模擬金屬、合金的整個加工過程，顯示金屬在加工中的應力應變分布，幫助工程師和設計人員選擇合適的加工參數和模具，顯著提高工模具設計效率，降低生產和材料成本，并縮短新產品的研究開發(fā)周期。最近有研究者利用有限元方法依靠微觀組織結構來模擬合金性能，以達到材料微觀組織結構的性能導向型設計與預測的目的[21]。這些研究進展為高性能鈦合金的快速設計與加工提供了重要的借鑒作用。

5 結 語

“一代材料、一代裝備”，高性能鈦合金是我國航空航天等領域的重要結構材料，其力學性能(強度、塑性與韌性)是保障構件安全可靠性的關鍵。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)進度。盡管目前科技人員還無法準確計算多相組成合金的強度、塑性和韌性等力學性能指標，但是研究工作已經取得了一些積極的結果。通過第一性原理計算可以構建從成分到相的預測，擴散多元節(jié)的高通量實驗方法確定相與成分的關系，相場動力學計算可以預測微觀組織結構，將成分與微觀組織結構關聯(lián)起來，再結合微區(qū)精確性能測試表征技術可以獲得合金微觀組織的性能數據。對以上各環(huán)節(jié)研究數據進行有機結合和統(tǒng)一，并基于鈦合金大數據技術的發(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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