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《國(guó)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(guó)軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)于高溫合金的市場(chǎng)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(duì)于高溫合金的市場(chǎng)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(duì)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(duì)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(duì)力學(xué)性能的影響程度。
3. 使用壽命
延長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)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(duì)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(zhǎng)，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(zhǎng)？
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(zhǎng)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(zhǎng)規(guī)律，對(duì)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(zhǎng)研究
中國(guó)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(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)，費(fèi)用昂貴和成品率低，我國(guó)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(duì)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(cè)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(duì)研究高溫合金枝晶生長(zhǎng)特征及缺陷預(yù)測(cè)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(duì)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(duì)溫度場(chǎng)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(chǎng)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(chǎng)之間相互作用，這些物理場(chǎng)主要包括：流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、溶質(zhì)場(chǎng)、組織場(chǎng)、應(yīng)力 / 應(yīng)變場(chǎng)等。這些物理場(chǎng)中有些是一一對(duì)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(kù)
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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