高温合金材料设计与制备的基础研究 - 图文

项目名称： 高温合金材料设计与制备的基础研究 起止年限：依托部门：孙晓峰 中国科学院金属研究所 2010年1月-2014年8月 中国科学院

首席科学家：

一、研究内容

1. 拟解决的关键科学问题

高温合金中通常含有十几种强化元素，合金化程度较高，强化机理复杂，有的强化元素之间还存在较强的交互作用，认识复杂体系中合金化元素的作用机制是高温合金成分优化和发展先进合金的理论基础，但迄今为止，部分元素的作用机制仍不清楚。高温合金中的纯净化冶炼及凝固缺陷控制是改善材料综合性能、提高产品合格率的关键环节，但我国的冶炼水平与欧美等发达国家存在较大差距，对于凝固缺陷的形成机理尚不明确，实际工程中仍然靠经验和反复试制来解决问题，此外，在前期工作中发现现有凝固理论中的枝晶生长机制尚不完善，有待于进一步研究。在热加工方面，粉末冶金与喷射成形为获得均质近终成形大型铸锻件提供了新的短流程、低成本技术途径，然而，对于热加工过程中的塑性变形动力学、原始颗粒边界和夹杂物等缺陷的形成机理和控制方法等方面仍缺乏系统的理论研究工作。抗高温氧化腐蚀防护涂层为高温合金构件的长寿命服役提供了重要的保障，但由于高温防护涂层服役环境的特殊性与防护涂层的多界面特性，使得抗高温腐蚀涂层的防护机理以及陶瓷涂层与金属涂层界面的相容性等科学问题尚没有得到有效的解决。为了保证发动机的安全可靠性，高温合金材料的性能评价方法和基础数据测试是发动机设计选材的重要依据，国内在高温结构材料的使用性能表征方法以及在服役环境下的损伤特征和寿命预测方面开展了一些研究工作，但还没有形成系统的理论体系。针对上述高温合金设计与制备中存在的问题，本项目拟解决的关键科学问题如下： （1）复杂多元先进高温合金成分设计及强韧化机理

溶质原子Co、W、Mo、Re、Ru等及微量元素C、B、Hf等在先进单晶高温合金中的原子占位、偏聚与扩散行为；强化相的晶体结构、析出规律及稳定性对高温合金组织及性能的影响；热-力耦合作用下固相扩散诱发的合金微结构演变动力学；溶质原子间的交互作用；多元强化合金的成分设计、高温度梯度定向凝固组织与性能调控。

（2）高温合金纯净化冶炼及凝固缺陷形成与控制

高温合金纯净化冶炼过程中杂质元素去除热力学和动力学，高温熔体中亚结构的表征及演化动力学；熔体结构及熔体热历史对凝固组织和缺陷的影响规律；多场耦合作用下胞状枝晶生长机制及凝固组织演变过程；多元复杂合金凝固过程动力学模型的建立、多场耦合求解及凝固组织演变“可视化”数值模拟；高温合金缺陷形成机理与控制基础理论。

（3）热加工过程中高温合金的组织演变及性能调控

高温合金塑性加工过程中的微观组织演变动力学及性能调控，高合金化难变形合金的热塑性变形机理；考虑第二相演变的组织预测模型；粗晶和混晶等典型组织缺陷的控制。原始粉末颗粒边界(PPB)的形成机理；粉末高温合金中夹杂物的演变规律；PPB和夹杂物导致粉末高温合金的失效模式。合金雾化过程中熔滴与雾化气体之间两相流流动的热量与动量传输规律；喷射成形沉积坯凝固组织及缺陷的形成和演变规律；电磁场作用下高温合金熔体流动和枝晶生长规律；电场对高温合金强化相溶解和析出的影响规律。 （4）高温合金的损伤机制及表面防护基础理论

高温合金长期组织稳定性以及长时服役条件下组织演变和性能变化规律；典型高温合金部件的损伤和失效模型；高温合金材料的寿命预测理论和方法。高温合金在服役环境中的氧化腐蚀机理；高温合金元素与金属防护涂层之间的热扩散与阻扩散机制；涂层界面成分、界面结构、界面热物性在服役条件下的自适应匹配与相容性；新一代长寿命“自适应型”超高温防护涂层材料设计。

2. 主要研究内容

通过对高温合金成分设计、强化机理、纯净化熔炼、凝固缺陷控制、塑性变形加工、粉末冶金、喷射成形、高温腐蚀与防护、损伤机理及寿命预测等问题开展研究工作，建立高温合金的成分设计――制备成形――组织控制――使役性能之间的关系，形成先进高温合金材料设计和制备加工的基础理论体系。

具体研究内容分为以下几个方面： （1）单晶高温合金成分设计及强韧化机理

研究合金元素在高温合金中的分布、扩散规律及交互作用，??、碳化物、TCP等析出相的形成和变化规律，晶界和相界几何结构、界面能与化学成分之间的关系；阐明700-1200oC高温下位错和第二相粒子与固溶强化原子或原子团簇的交互作用规律，从微观和介观尺度上揭示Re、Ru、W、Mo等合金元素强韧化的本质；研究高温合金微合金化的基本原理，确定复杂多元体系中合金元素的最佳匹配关系，完善非平衡凝固条件下高温合金成分设计准则。

（2）高温合金纯净化冶炼及凝固成形与缺陷控制

研究高温合金熔体杂质元素去除动力学和热力学理论及合金与坩埚、陶瓷等介质界面冶金化学与热力学行为，掌握熔体纯净度及高温熔体处理对定向凝固液/固界面行为和组织特征的影响规律；采用试验与模拟相结合，研究多场耦合作用下复杂多元合金凝固过程中各相形核、生长动力学和热力学及微观凝固组织演

变过程，探索凝固缺陷的形成机制并提出相应控制方法，为高温合金复杂构件凝固成形工艺设计与缺陷控制提供理论基础。

（3）高合金化高温合金塑性加工过程中的组织演变机理

建立基于组织演变物理过程的高温合金热塑性变形本构关系，对锻造粗晶、混晶、裂纹形成原理给出判断准则和定量描述模型；发展全过程、多尺度的变形行为描述方法和热-力-组织多场耦合计算机模拟预测方法，形成塑性变形过程中的微观组织演变控制理论，为高温合金锻坯、板材和管材制备，以及大型锻件的成形与组织和缺陷预测建立系统理论与方法；阐明高温合金γ + γ′双相组织超塑性变形机理，分析应变诱导相变与相变诱导塑性机制及其交互作用，为超塑性坯料制备提供理论基础。

（4）粉末冶金高温合金的组织演变和缺陷控制

研究粉末颗粒表面元素的种类、分布和状态，确定析出相的类型，分析原始粉末颗粒边界（PPB）和夹杂物的形成、分布、微观特征及演化规律；通过研究合金中强碳化物形成元素Ti、Nb、Zr和Hf及工艺过程对原始粉末颗粒边界周围析出相类型的影响，探索PPB的控制方法，从微观组织和断口上认清PPB的特征。研究PPB对合金的韧性、塑性以及强度的影响，以及夹杂物对合金低周疲劳性能的影响，采用数值模拟方法对PPB和夹杂物导致粉末高温合金失效的模式进行分析，最终获得具有高损伤容限性能的粉末高温合金。 （5）高温合金液态成形先进制备技术基础研究

研究金属熔滴飞行过程中两相流流动的热量和动量传输规律，分析氩气雾化高温合金粉末的粒度与组织特征，研究金属熔滴的形态和凝固机理；分析沉积坯的温度变化规律，确定喷射成形高温合金细晶组织的形成机理及缺陷的形成和控制机理，建立沉积坯生长过程的数学模型；研究快速凝固条件下高温合金的溶质扩散、固溶、偏聚和相析出特性，完善高温合金快速凝固基础理论；对电磁场中的合金熔体和凝固过程进行数值模拟，建立凝固过程中能量、动量和质量传递理论模型；研究电磁场对液/固界面、晶体形核和生长的影响以及溶质原子在外加电磁场中的扩散、迁移和偏析规律。

（6）高温合金的损伤机制、寿命预测及表面防护基础研究

研究高温合金组织稳定性和长时服役条件下组织演变和性能变化，建立高温合金材料的复合损伤模型，并提出基于高温合金损伤行为的逆向材料设计理论体系；通过研究高温合金在高温拉伸、蠕变、疲劳、热机械疲劳过程中微观组织变形机制以及合金失效形式，在现有方法和理论的基础上，建立和发展具有明确物理意义、便于工程应用的高温合金安全服役寿命预测方法与理论；研究多功能耦

合的涂层体系及其在高温服役环境中的高温腐蚀热力学与动力学，以及涂层体系与高温合金界面扩散动力学与界面阻扩散机制，提出具有界面成分、结构、热物性“自适应”功能的高温防护涂层设计理论与方法。

二、预期目标

1. 总体目标：

针对高温合金材料设计与制备中的关键基础科学问题，开展成分设计和强韧化基础理论、纯净化冶炼及缺陷控制、先进加工制备技术理论体系、苛刻环境下合金损伤机制及防护机理等方面研究工作，建立高温合金成分设计、成形工艺、组织调控和性能预测基础数据平台，发展和完善高温合金强韧化设计与纯净化冶炼的理论与方法，突破制约高温合金应用和发展的缺陷控制与制备成形技术瓶颈，发展新型短流程、低成本高温合金制备加工技术，完善高温合金构件安全可靠性评价的理论和方法，形成先进高温合金制备与加工的基础理论体系，并为我国造就和培养一批具有创新思维的高温合金学科带头人和专业人才，使中国高温合金研究的总体水平进入国际先进行列。

2. 五年预期目标：

（1）确定复杂高温合金体系中合金元素的匹配关系，完善非平衡凝固条件下高温合金成分设计准则；发展承温能力达到1100℃的第三代单晶高温合金，满足下一代推重比10-15发动机设计选材要求。

（2）研究高温合金熔体杂质元素去除的热力学与动力学，使高温合金中O、N、S杂质含量控制在5ppm以下；阐明合金熔体结构、熔体纯净度、凝固组织与力学性能之间关系，建立多元复杂合金凝固过程的动力学模型，探索凝固缺陷的形成机制及科学控制策略，为高温合金复杂构件凝固成形工艺设计与缺陷控制提供理论基础。

（3）建立高温合金塑性变形与合金组织性能的本构关系，揭示塑性变形过程中组织演变的动力学控制机制，形成塑性变形过程中的微观组织演变控制理论；实现?800mm盘形件的加工成形，为大飞机和工业燃机大尺寸涡轮盘研制奠定基础。

（4）探索并建立原始粉末颗粒边界（PPB）和非金属夹杂物的控制方法，使粉末高温合金中的PPB数量减少50%，提高合金抗裂纹扩展能力，获得具有高损伤容限性能的粉末高温合金。

（5）建立和完善高温合金液态金属雾化和沉积过程的优化控制模型，揭示高温合金沉积坯组织形成机理和演变规律；研究电磁场对镍基高温合金凝固过程的交互作用机理，掌握电磁场控制凝固高温合金的组织性能变化规律；喷射成形高

温合金致密度达到98.5%以上，经热等静压后致密度达到99.5%以上。 （6）揭示服役条件下高温合金氧化腐蚀机理以及防护涂层高温氧化热力学与动力学规律，为实现涂层界面的成分、结构、热物性在服役条件下的自适应匹配提供理论支撑；突破涂层成分与结构精确控制关键技术，使高温防护涂层在1150℃空气中、950℃燃气＋腐蚀介质中达到完全抗氧化级，满足高温合金使用要求。

（7）建立服役条件下合金成分、制备工艺、组织结构、使役性能之间相互关系，揭示高温合金损伤机制，提出或发展具有明确物理意义、便于工程应用的高温合金疲劳寿命预测方法。

（8）发表论文240篇以上，申报专利20项以上，培养研究生60人以上。

三、研究方案

1. 学术思路

本项目以铸造高温合金、变形高温合金和粉末高温合金三类合金为重点，主要围绕高温合金的成分设计和强韧化基础理论、纯净化冶炼及缺陷控制、材料加工成形与组织性能调控、先进加工制备技术理论体系、苛刻环境下合金损伤机制及防护机理等关键科学问题展开研究工作，揭示高温合金的成分设计——制备成形——组织控制——使役性能之间的关系，建立先进高温合金材料设计与制备加工的基础理论体系。其总体研究方案如图1所示。

合金成分设计 强韧化机理 寿命预测方法 缺陷控制 关键 技术 工艺 基础 基础 理论 性能评价方法 大尺寸盘件成形 纯净化熔炼技术 损伤机制 塑性变形机理 为高温合金制备与加工提供理论依据和技术保障 复杂构件凝固成形 图1 总体研究方案

主要学术思路如下：

（1）合金成分设计准则及强韧化机制的完善是发展新型高温合金的重要理论基础。通过研究高温合金在高温、复杂载荷下多组元合金元素间的交互作用，确定复杂高温合金体系中合金元素的匹配关系，完善高温合金在各种制备条件下的强化理论和方法，完善非平衡凝固条件下高温合金成分设计准则，为发展新型高温合金奠定理论基础。

（2）高温合金纯净化熔炼是获得高性能结构部件的基本前提，掌握复杂构件凝固成形技术及缺陷形成机理是科学控制构件精确成形的关键手段。通过研究高温合金冶炼过程的纯净化技术和凝固过程中的微观组织演变及其与工艺技术的相关性，发展高温合金纯净化冶炼技术和复杂多元合金凝固基础理论，揭示凝固成形过程中缺陷形成机理，建立高温合金复杂构件精密成形科学控制方法。 （3）高温合金的加工制备是发展新合金、促进传统合金提高性能并降低成本的关键技术。通过研究塑性变形过程中的微观组织控制理论，提出改善高合金化难变形合金热塑性的方法；通过研究合金成分和工艺过程对原始粉末颗粒边界

（PPB）和夹杂物的影响，探索粉末高温合金中PPB和夹杂物的形成机理和控制方法；突破高温合金的高纯细粉制备、雾化沉积直接成形、电磁场控制凝固等技术关键，为高纯细晶高温合金液态成形先进制备技术的应用奠定理论基础。 （4）高温合金腐蚀机理与防护涂层研究是关键热端部件长寿命服役的技术保障。通过研究多功能耦合涂层服役条件下的高温氧化热力学与动力学以及界面特性，探索自适应涂层制备技术与成分结构精确控制技术，实现新一代自适应型长寿命、耐高温防护涂层的多功能化。

（5）高温合金的损伤机理和寿命预测方法是先进动力推力系统关键构件安全服役的重要科学基础。通过研究在高温疲劳和热机械疲劳载荷下不同高温合金的微观组织演化、疲劳损伤微观机制和疲劳断裂过程，建立和发展具有明确物理意义、便于工程应用的安全服役寿命预测方法与理论，同时发展和完善基于高温合金长时组织稳定性和长时服役数据基础上的高温合金损伤模型。

2. 技术途径

本项目利用真空感应冶炼炉、真空定向凝固（单晶）炉、高温力学试验机、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、电子探针（EPMA）、X射线衍射（XRD）、热模拟试验机（Gleeble）、热物理和热力学测量仪器、场发射高温疲劳/环境扫描电镜原位观察系统等材料制备、表征、测试和分析手段，对高温合金的关键科学问题开展基础研究。

主要技术途径如下：

（1）研究多组元复杂高温合金体系中原子团簇的偏聚特征及其与位错等缺陷的交互作用，深入探讨合金元素固溶度、溶质分布、强化相结构与形态等在非平衡凝固与固态相变过程中的变化规律；在原子尺度上阐明界面结构、界面能、缺陷结构与化学成分之间的关系及其对合金力学性能的影响，从扩散控制的相变动力学角度理解微结构演变与材料宏观性能之间的内在联系；通过第一原理计算，探讨固溶原子在??相中的点阵占位、畸变和有序无序转变对?/??界面键结构及键合强度的影响，阐明位错和第二相粒子在合金强韧化中的本质作用。

（2）通过超纯化熔炼和陶瓷过滤净化技术，研究夹杂物形成的热力学条件和动力学过程，分析高温合金脱O、脱N、脱S的机理，探索夹杂物控制手段；通过高温熔体处理，研究合金熔体亚结构的形成、偏聚及均匀化，观察过热高温合金熔体结构对固液界面形态、缺陷形成、枝晶偏析的影响规律，分析高温合金中的碳化物等强化相随熔体处理温度和凝固参数的变化规律。

（3）通过试验与模拟相结合，研究不同试验条件（合金成分、凝固方式、温

度梯度、冷却速率等）下高温合金凝固成形过程中凝固缺陷类型、微观组织演变与合金性能的相关性，建立多元复杂合金凝固过程的动力学模型，探明多场耦合作用下高温合金微观组织演变过程，揭示凝固成形过程中缺陷形成机理及控制方法，为高温合金复杂构件凝固成形提供理论基础。

（4）紧密结合我国工业部门的高温合金锻件、板带和管材热加工工艺流程开展研究工作，在真空双联/真空三联冶炼→铸锭均匀化退火→锻造开坯→部件成形→热机械处理→热处理→组织性能检验诸环节开展检测、取样、数据积累与分析工作，在热模拟试验机、大型等温锻造液压机和快速锻造液压机上开展系统的塑性变形理论研究工作，进而揭示塑性变形过程中组织演变的动力学控制机制，建立高温合金塑性变形本构关系，发展全过程、多尺度的变形行为描述方法，形成塑性变形过程中的微观组织演变控制理论。

（5）采用俄歇电子能谱和X射线光电子能谱等表面分析技术研究粉末颗粒表面的偏析，通过热力学计算分析原始粉末颗粒边界（PPB）析出相的形成；用金属原位统计分布分析技术和大样电解技术，定性和定量表征母合金中的夹杂物，研究在热等静压和变形条件下夹杂物的形态变化；用数值模拟方法计算PPB和夹杂物导致粉末高温合金失效的模式，并用扫描电镜原位拉伸或疲劳实验进行模拟验证。

（6）研究高温合金液态金属雾化与沉积过程两相流流动规律和沉积坯生长过程，确定金属熔滴凝固组织和高温合金沉积坯等轴细晶组织及缺陷的形成机理和演变规律；分析热加工工艺对雾化沉积高温合金组织与性能的影响，实现液态金属雾化制备过程的优化控制；结合电磁控制凝固实验，研究电磁场与高温合金熔体之间的交互作用机制、电磁场对液/固界面、形核、晶体生长和第二相析出的影响，以及溶质原子在外加电磁场中的扩散、迁移和偏析规律。

（7）通过对高温合金在服役条件的高温氧化腐蚀机理研究，设计并采用电子束物理气相沉积(EB-PVD)制备具有阻扩散、与基体具有良好界面匹配的抗高温氧化腐蚀防护涂层；采用服役环境模拟试验装置，研究涂层的界面扩散动力学以及高温氧化热力学与动力学，分析服役过程中涂层组织退化规律及失效机制；采用SEM、TEM和力学性能测试设备研究界面扩散导致的涂层组织结构演变和有害相析出等界面反应规律；在此基础上，提出具有界面成分、结构、热物性自适应功能的高温防护涂层设计理论与方法。

（8）通过研究高温合金高温疲劳与热机械疲劳性能、宏观疲劳断裂过程、微观组织演化规律和疲劳损伤微观机制，结合现有高温合金材料疲劳寿命评价方法，提出或发展具有明确物理意义、简单实用的高温合金疲劳寿命预测新方法与

新理论；在服役环境和加载条件下研究构件的失效机理，揭示长期高温服役条件下合金性能退化的原因；通过模拟高温疲劳与热机械疲劳条件下材料的退化过程，与实际构件的破坏方式对比，揭示高温合金材料与实际构件高温疲劳破坏的本质规律。

3. 创新点与特色

创新点：

（1）通过单晶合金成分设计和强韧化机理研究，揭示高温度梯度定向凝固中关键合金元素的凝固偏析行为，研制无Re或低Re单晶高温合金，为发展高强度、低密度、低成本单晶高温合金建立理论基础。

（2）揭示高温合金复杂构件凝固成形过程的科学规律，完善高温合金冶金缺陷形成与控制的理论模型，为发展复杂结构铸件精确成形提供科学依据。 （3）通过液态金属雾化沉积过程的优化设计，结合凝固过程的电磁场控制，实现高温合金氩气雾化高纯细粉和等轴细晶锭坯的制备，解决高合金化材料难以成形和均质化问题，发展高温合金制备技术原型。

（4）通过热模拟试验建立基于物理过程的高温合金变形本构关系，结合变形过程中强化相与基体相的组织演化模型，预测高速变形软化和异常晶粒长大（粗晶及混晶）过程，实现热-力-组织多场耦合的全过程、多尺度有限元模拟。

特色：

（1）建立高温合金成分设计、制备加工和组织性能基础数据库，发展先进定向凝固技术，为研制新型高温合金材料和发展高温合金制备原型技术建立基础数据和技术平台。

（2）综合研究凝固成形过程的多场耦合作用对复杂构件形状尺寸和凝固组织的影响规律，通过建立数学模型和实验验证相结合，形成科学有效的凝固缺陷控制方法。

（3）通过多重循环热加工工艺来改善铸锭热塑性，实现铸态组织破碎；应用高温合金γ + γ′双相组织超塑性变形原理，实现高合金化难变形合金超塑性坯料的制备。

（4）通过对典型高温合金材料与关键部件的失效分析，为我国高温合金的材料设计及寿命预测提供实验数据和理论依据。

（5）通过对服役条件下高温合金氧化腐蚀机理研究，发展新一代自适应型长寿命多功能高温防护涂层结构设计与材料制备的理论和方法。

4. 可行性分析

（1）本项目由中国科学院金属研究所、北京航空材料研究院、钢铁研究总院、北京科技大学、北京航空航天大学、西北工业大学和东北大学等国内高温合金研究优势单位联合申请，各单位在高温合金材料设计与制备领域都有很好的研究基础。

（2）项目申请单位进行了大量的调研和讨论，针对高温合金材料设计与制备中的基础科学问题，制定了切实可行的研究计划。

（3）项目申请单位近年来承担了多项与高温合金材料设计与制备有关的国家自然科学基金、863计划、国家攻关项目等课题，并取得了丰硕的研究成果，为开展本项目奠定了良好的工作基础。

（4）在国家有关部委的支持下，项目参加单位在材料制备、加工、分析、评价等方面建立了完善的试验设备和检测手段，并形成了各自的优势和特色。 （5）项目参加单位注重基础理论和应用研究均衡发展，不仅在高温合金材料制备加工基础理论方面取得良好进展，同时在高温合金开发应用和产业化方面也取得了显著的成果。

（6）项目申请单位与国内高温合金用户建立了良好的合作关系，这不仅为本项目提供了需求牵引动力，也为项目成果的验证和应用搭建了技术平台。

5. 各课题间相互关系

本项目课题设置主要围绕高温合金的成分设计和强韧化基础理论、纯净化冶炼及缺陷控制、材料加工成形与组织性能调控、先进加工制备技术理论体系、苛刻环境下合金损伤机制及防护机理等关键科学问题展开，建立高温合金的合金设计——制备成形——组织控制——使役性能之间的关系。以铸造高温合金、变形高温合金和粉末高温合金三类合金体系为载体，重点研究高温合金材料设计与制备中的重大基础问题。

根据本项目的总体思路和预期目标，设置如下六个课题： （1）单晶高温合金成分设计及强韧化基础研究 （2）高温合金纯净化冶炼及凝固缺陷控制

（3）高合金化高温合金塑性加工过程中的组织演变机理 （4）高温合金粉末冶金成形基础研究 （5）高温合金液态成形先进制备技术基础研究 （6）高温合金的损伤机制及表面防护基础研究

课题之间的关联性：

图2 课题设置思路及关联性示意图

完善 理论 突破技术瓶颈，发展技术原型 完善 理论 发展 先进 合金 获得 优质 材料 先进成型工艺 合金组织调控 挖掘合金潜力 减少环境损伤，实现寿命预测 课题一 课题二 冶金控制 课题三 课题四 课题五 课题六 使役性能 合金设计 制备成形与组织控制 本项目的课题设置思路及其关联性如图2所示，其中，成分设计及强韧化机理研究是高温合金发展的重要理论基础；纯净化冶炼、凝固成形及缺陷控制是改善材料综合性能、提高产品合格率的关键环节；塑性变形是提高材料性能和实现部件成形的重要手段；粉末冶金与喷射成形为获得均质近终成形大型铸锻件提供了新的短流程、低成本技术途径；抗高温氧化腐蚀防护涂层为高温合金构件的长寿命服役提供了重要的保障；失效机理及寿命预测为高温合金构件的安全可靠服役提供了科学的理论依据。因此，本项目课题的设置既相互独立又相互关联，构成了一个完整的高温合金材料设计与制备基础理论体系，可以为我国高温合金产业的进一步发展提供理论基础和技术储备。

课题1、单晶高温合金成分设计及强韧化基础研究 预期目标：

揭示先进单晶高温合金中主要固溶强化元素W、Mo、Re、Ru等与微量元素C、B、Hf等的偏析行为、分布特征、扩散规律及其对合金中第二相（??相、碳化物、TCP相等）析出行为和高温变形过程中组织变化的影响，深入认识元素间的交互作用，进一步完善合金的强韧化基础理论；针对不同的应用环境，确定不

同合金元素的最佳匹配关系，充分发挥合金元素的强化作用，为高温合金的成分优化设计奠定理论基础；通过系统研究单晶高温合金中Re、Ru的强化机制以及与其它元素的相互作用，寻求减少和替代Re的途径，探索低成本、高性能高温合金的设计思路；澄清高温合金中微合金化改性的科学本质。

发表论文40篇以上，其中SCI、EI源刊物论文20篇以上；申报国家（国防）专利3至5项。培养高温合金制备加工专业领域博士和硕士研究生10人以上。 研究内容：

（1）通过研究先进单晶合金中Re、Ru、W、Ta、Mo、Co、Cr等主要合金化元素和C、B、Hf、稀土等微量元素的强化机理及元素间的交互作用，确定复杂多元体系中合金元素的最佳匹配关系。

（2）对比传统定向凝固与高温度梯度液态金属冷却定向凝固技术，研究关键强化元素的凝固偏析行为及其在热处理、高温长期时效中的扩散与偏聚，提出高温度梯度下先进单晶合金的设计思路。

（3）深入探讨合金元素固溶度、溶质分布、强化相与有害析出相等在非平衡凝固与固态相变过程中的变化规律，在原子尺度上阐明界面几何结构、界面能、缺陷结构和化学成分之间的关系。

（4）探讨温度-力场作用下位错运动模式及其与微结构演变之间的关系。 （5）通过第一原理计算，深入考察晶格错配度与合金化对?/??界面电子结构的影响，探讨固溶原子在??相中的点阵占位、畸变和有序无序转变对?/??界面键结构、键合强度的影响以及间隙原子对界面脆化性质的影响。

（6）从微观和介观尺度上阐明位错和第二相粒子等与合金强化元素的交互作用规律，完善高温合金的强化理论。 经费比例：20%

承担单位：中国科学院金属研究所、北京科技大学 课题负责人：张健

学术骨干：程明、董建新、冯强、李金国、郑为为、孙文儒、张麦仓、赵九洲、周兰章、周亦胄

课题2、高温合金纯净化冶炼及凝固缺陷控制 预期目标：

揭示高温合金复杂构件凝固成形过程的科学规律，完善高温合金冶金缺陷形成与控制的理论模型，发展高温合金纯净化冶炼基础理论和技术原型，为高温合金铸件精确成形提供科学依据。具体目标如下：

（1）揭示高温合金冶炼过程中，去除有害元素和杂质的热力学反应和动力学过程，提出冶炼过程中非金属夹杂的有效控制方法，并使合金中O、N、S杂质含量控制在5ppm以下；

（2）表征高温熔体中亚结构演化动力学，阐明熔体结构和特性对高温合金凝固行为的影响规律，发展高温合金纯净化冶炼的基础理论和技术原型；

（3）探明高温合金凝固成形过程的热力学和动力学机理及微观组织演变特征，掌握疏松、偏析、雀斑等凝固缺陷形成与演变规律，提出凝固缺陷的控制方法，大幅度提高铸件合格率；

（4）构筑高温合金凝固组织形成的数学模型，并用于指导凝固组织控制和铸件成形；

（5）阐明合金熔体结构、熔体纯净度和凝固组织与力学性能之间关系，为进一步提升高温合金性能和复杂构件精确成形奠定理论基础。

（6）发表学术论文40篇以上，申报专利4项以上，培养博士、硕士研究生15名以上。 研究内容：

1. 高温合金纯净化冶炼的基础研究

（1）高温合金熔体在真空感应冶炼过程中与坩埚、过滤器以及活性添加材料之间的热力学、动力学过程及冶金化学行为研究。

（2）过热环境下高温合金熔体中O、N、S等的热力学与凝固行为研究。 （3）真空电子束冶炼环境下高温合金熔体中O、N、S等的热力学与动力学行为研究。

（4）真空冶炼环境中高温合金脱O、脱N、脱S机理及有害杂质元素的控制方法研究。

（5）高温合金纯净化冶炼技术基础的试验验证和完善研究。 2. 高温合金凝固缺陷控制的基础研究

（1）定向凝固过程高温合金过热处理的熔体行为研究。不同温度高温合金熔体中亚结构的表征、熔体结构随温度变化的演化动力学及熔体结构对凝固行为的影响，建立合金熔体状态与凝固组织的相关性。

（2）定向凝固过程中高温合金熔体与铸型和陶瓷型芯界面行为的热力学和动力学机理及其对凝固组织的影响研究。

（3）定向凝固过程中高温合金充填及凝固过程中流场、温度场和应力场的变化规律研究。考察合金成分、凝固参数、铸件结构以及外场等因素对合金凝固过程中的各相竞争形核、生长和凝固组织演变过程的影响规律。

（4）多场耦合作用下合金/陶瓷界面的热力学行为及熔体晶体生长机制研究。探索偏析、疏松、取向偏离、雀斑链、小角度晶界、再结晶等缺陷形成机制和控制方法。

（5）合金熔体结构、熔体纯净度、凝固组织与力学性能间相互关系研究。 （6）高温合金定向凝固组织演化数学模型研究，并通过典型构件来验证和完善数学模型。 经费比例：15%

承担单位：中国航空工业第一集团公司北京航空材料研究院、西北工业大学 课题负责人：汤鑫

学术骨干：曹腊梅、李双明、李相辉、刘林、沈军、薛明、张勇

课题3、高合金化高温合金塑性加工过程中的组织演变机理 预期目标：

通过本研究工作解决若干与高合金化高性能高温合金铸态组织破碎、细晶坯料制备和大尺寸部件成形相关的塑性加工基础理论问题，为推动以燃气涡轮发动机涡轮盘为代表的能源动力工业关键材料与部件向高性能、高可靠性、大型化和长寿命的方向发展提供理论支撑，发展技术原型。 科学层面：

揭示高合金化高温合金塑性变形过程中流变行为与组织演变的基本特征，确定微观组织演变的动力学控制机制，为发展全过程、多尺度、完全基于状态变量的热-力-组织多场耦合物理与数值模型奠定理论基础，形成系统的塑性变形条件下微观组织演变与控制理论，验证γ′相体积分数40~60%合金超塑性坯料制备原理，获得平均晶粒直径小于10?m的双相细晶组织。 技术层面：

发展高合金化高温合金塑性加工先进技术，解决与GH4742等难加工合金直径500mm以上铸锭铸态组织破碎、直径800mm以上涡轮盘锻件锻造成型相关的关键工艺问题，为最终实现重型燃机急需的大尺寸高性能涡轮盘锻件国产化提供技术支撑；通过优化塑性成形工艺实现航空发动机用GH4169及其改进型合金蠕变强度标准偏差范围减小20％，有效提高部件性能裕度。

发表论文40篇以上，其中SCI、EI源刊物论文20篇以上；申报国家（国防）专利3至5项。培养高温合金制备加工专业领域博士和硕士研究生10人以上。 研究内容：

（1）研究具有重要和广泛应用的传统合金、新型高合金化高性能合金的热

变形行为，揭示塑性变形过程中组织演变的动力学控制机制，建立基于组织演变物理过程的高温合金热塑性变形本构关系。已有的研究表明高合金化高温合金塑性变形过程中的流变行为具有极高的温度与应变速率敏感性、变形激活能呈现高度非线性特征，针对上述特征开展系统的实验研究工作，在获取流变行为精确数据的基础上建立本构关系，确定热塑性变形状态变量。

（2）发展描述塑性变形过程中δ相、γ′和γ′′相沉淀析出行为的动力学方法，阐明沉淀相与动态再结晶过程交互作用的机理。掌握GH4169及其改进型合金塑性加工过程中的再结晶行为，重点是如何通过调整δ相的形貌、尺寸与分布来控制奥氏体晶粒尺寸。

（3）掌握针对高温合金热塑性加工过程中微观组织演变进行全过程、多尺度模拟计算所需的基本原理与方法，在此基础上实现对高温合金塑性变形过程中产生变形失稳、晶粒异常长大等现象进行准确预报。鉴于传统的绘制再结晶图及基于唯象理论的有限元模拟方法已经不能满足未来对高温合金微观组织准确预测和缺陷预报的要求，需要建立基于动力学过程的、从头算起的微观组织模拟平台，为满足上述需要进行系统的数据积累工作。

（4）研究高合金化高温合金在固溶处理、控制冷却、热变形多重循环过程中γ′相形态与分布的变化规律，及其对合金热加工塑性的影响。

（5）研究塑性变形过程中γ′相不连续沉淀行为，以及在两相区变形细化难变形合金晶粒的方法；研究应变诱导γ′相析出原理，揭示γ + γ′双相组织超塑性成形过程中的组织转变动力学问题。

（6）探索外场处理对控制高温合金微观组织、提高热变形塑性的原理与方法。

经费比例：15%

承担单位：钢铁研究总院、东北大学 课题负责人：张北江

学术骨干：崔文芳、邓群、杜金辉、吕旭东、王磊、胥国华、赵光普

课题4、粉末冶金高温合金的组织演变及缺陷控制 预期目标：

阐明原始颗粒边界(PPB)上的析出相形成的微观机制和夹杂物的演化规律，分析PPB和夹杂物导致粉末高温合金的失效模式，探索并建立PPB和夹杂物的控制方法，PPB数量减少50%。

发表论文30篇以上，申报国家(国防)专利3项以上。培养粉末高温合金研究

领域博士和硕士研究生3人以上。 研究内容：

(1) 研究粉末颗粒表面的成分偏析，鉴定粉末颗粒表面元素的种类和分布，判定析出相的类型，分析热等静压过程中原始粉末颗粒边界(PPB)的形成。

(2) 通过研究合金中强碳化物形成元素Zr和Hf及热等静压工艺和热处理工艺对PPB上析出相类型的影响，从微观组织和断口上认清PPB的特征，探索用实验可测的参数来表征PPB。

(3) 研究PPB对合金的韧性、塑性以及强度的影响，确定合金性能与PPB的关系。

(4) 确定母合金和粉末中夹杂物的分布、类型和尺寸，研究夹杂物在热等静压和变形条件下的形态变化。

(5) 研究夹杂物对合金低周疲劳性能的影响。

(6) 研究PPB和夹杂物导致粉末高温合金失效的模式。

(7) 用宏观和微观相结合的方法分析粉末高温合金中夹杂物/基体界面能。 经费比例：15%

承担单位：钢铁研究总院、中国航空工业第一集团公司北京航空材料研究院 课题负责人：张义文

学术骨干：刘建涛、陶宇、汪 煜、张国星、周晓明、邹金文

课题5、高温合金液态成形先进制备技术基础研究 预期目标：

建立雾化过程中金属熔滴与雾化气体之间热量与动量传输的理论模型以及沉积坯件组织和缺陷的形成机理与控制模型，以优化的液态金属雾化和沉积工艺制备氩气雾化高温合金细粉及高温合金沉积坯。喷射成形高温合金整体致密，致密度≥98.5%，经热等静压致密度≥99.5%，拉伸等主要力学性能优于常规变形工艺。建立高温合金电磁场控制凝固过程中能量、动量和质量传递理论模型，揭示电磁场控制高温合金凝固组织的作用机理，优化电磁工艺参数，为研发高温合金电磁场控制制备技术奠定基础。

发表学术论文30篇以上，申请专利2项，培养博士生和硕士生各2名。 研究内容：

（1） 研究液态金属雾化过程两相流流动的热量和动量传输规律，确定高温合金熔滴射流到达沉积坯表面时的速度、温度、凝固程度等。

（2） 分析氩气雾化高温合金粉末的粒度与组织特征，优化氩气雾化工艺参

数，研究高温合金高纯细粉的氩气雾化制备技术。

（3） 研究沉积坯的温度变化规律和组织特征，揭示喷射成形高温合金组织的形成机理及缺陷的形成和控制机理。

（4） 研究热等静压、热变形、热处理等热工艺参数对沉积坯组织的影响，揭示喷射成形高温合金沉积坯组织的演变规律。

（5） 通过数值模拟，结合电磁控制凝固实验，建立凝固过程中能量传递、动量传递和质量传递理论模型，研究电磁场与高温合金熔体之间的交互作用机制。

（6） 研究凝固过程中电磁场对固/液界面形貌及对晶体形核和生长的影响，枝晶生长与第二相析出分布的规律，以及溶质原子在外加电磁场中的扩散、迁移和偏析规律。 经费比例：15%

承担单位：中国航空工业第一集团公司北京航空材料研究院、中国科学院金属研究所

课题负责人：张国庆

学术骨干：李应举、李周、刘娜、许文勇、袁华、罗天骄、付俊伟

课题6、高温合金的损伤机制及表面防护基础研究 预期目标：

（1）通过开展典型高温合金材料的高温疲劳和热机械疲劳实验，研究其微观损伤机制、微观结构演化和疲劳断裂过程，揭示高温合金高温疲劳与热机械疲劳损伤机制与寿命之间的关系，提出具有明确物理意义并具有较高预测精度的高温合金疲劳寿命预测模型。

（2）阐明服役条件下高温合金氧化腐蚀机理，揭示防护涂层高温氧化热力学与动力学规律，提出新一代自适应型长寿命多功能高温防护涂层材料与结构设计理论与制备方法。

（3）高温防护涂层在1150℃空气中、950℃燃气＋腐蚀介质中达到完全抗氧化级。

（4）发表论文50篇，申报专利5项，培养博士和硕士研究生10名。 研究内容：

（1）研究DD98M等高温合金材料在长期服役条件下的组织演变规律，提出高温合金组织稳定性的共性理论体系，建立高温合金损伤行为的逆向材料设计理论方法。

（2）通过对高温合金机械疲劳、疲劳-蠕变交互作用和热机械疲劳性能的测试、表征与评价，研究高温合金的损伤机制并构建寿命预测模型。

（3）通过研究高温合金材料中不同形状和尺寸夹杂物以及表面和晶界氧化物在疲劳和疲劳蠕变过程中的作用，结合疲劳裂纹萌生和扩展过程的原位观察，揭示高温合金材料的微观损伤机制和性能弱化规律。

（4）通过对高温合金疲劳损伤微观机制的深入研究，提出并完善疲劳寿命预测方法与理论，将其拓展应用于高温合金构件失效机理分析。

（5）研究高温合金在模拟服役工况条件下的高温氧化腐蚀机理，确定合金元素对熔盐腐蚀速率的影响规律。

（6）发展具有阻扩散、抗高温氧化腐蚀以及界面相容的多功能耦合的涂层体系，研究涂层的高温氧化热力学与动力学以及服役过程中涂层组织演化规律。 （7）研究多功能耦合金属涂层与高温合金界面扩散动力学，分析界面扩散导致基体高温合金组织结构演变、有害相析出等界面反应的规律及其对高温合金力学性能的影响。

（8）研究超高温陶瓷隔热涂层的弹性模量及热膨胀系数等热物性参量在高温使用过程中的变化规律及其对界面应力与相容性的影响规律，提出具有界面成分、界面结构、界面热物性“自适应”功能的高温防护涂层设计理论与制备方法。 经费比例：20%

承担单位：中国科学院金属研究所、北京航空航天大学 课题负责人：孙晓峰

学术骨干：段启强、宫声凯、郭洪波、李树索、马岳、王启民、辛丽、屈伸、朱银莲

四、年度计划

年度 研究内容 预期目标 （1）合金成分设计：研究合金元素偏析行为、（1）了解合金元素偏析行为、分布特征、扩散规律及其对合金第二相析出行分布特征及其对第二相析出行为的影响，分析合金元素固溶度、溶质分布、为的影响，阐明界面几何结构、强化相与有害析出相等在非平衡凝固与固态界面能、缺陷结构和化学成分之相变过程中的变化规律，观测界面几何结构、间的关系，深入认识元素间交互界面能、缺陷结构和化学成分之间的关系。 （2）合金冶炼铸造：高温熔体处理对合金纯净度的影响；采用双晶试样研究晶粒竞争生长机制，测定变截面定向凝固试样的溶质场与温度场分布并进行计算机数值模拟；研究过热熔体的结构特性以及影响流场因素和流场分布的规律。 （3）合金制备成形：研究合金热塑性变形行为，获得相关合金在不同温度与应变速率条件下的流变应力数据，初步建立高合金化高温合作用。 （2）搞清合金熔体性质特点和基本凝固特性，明确坩埚、过滤器和铸型材料的热物理化学性质，为纯净化冶炼、凝固组织和凝固缺陷控制提供基础数据；建立晶粒竞争生长机制，为控制小角度晶界、取向偏离等缺陷提供科学基础。 （3）完成几种典型高合金化难变形合金的热压缩试验研究，获2010 金热塑性变形本构关系；分析粉末颗粒表面元素的种类、分布和状态，判定析出相的类型，取热塑性变形流变应力数据以通过热力学计算分析热等静压过程中PPB的形成过程；研究双扫描雾化喷射成形高温合金熔滴射流与雾化介质之间的热量和动量传输规律，揭示高温合金熔体在电磁场作用下的受力、流动、形状约束等特点和规律，为利用磁场控制金属的凝固过程和组织结构提供理论指导。 及热变形激活能、奥氏体基体再结晶温度、沉淀强化相溶解析出温度和长大速率等关键数据；确定粉末颗粒表面和热等静压锭坯中PPB上析出相的类型，阐明PPB的形成机理，确定最佳高温合金粉末制备工艺；制备出达到（4）合金使役性能：测试DD98M、Rene5、技术指标和使用要求的氩气雾DD32等高温合金的典型力学性能，研究高温合金高温疲劳过程中的微观结构演化过程、表面微观损伤方式、疲劳裂纹萌生与发展以及最后断裂过程；研究DD98M等高温合金在模拟服役工况条件下产生的高温氧化腐蚀机理，研究电子束物理气相沉积高温防护涂层制备过程中高能束流与涂层物质的相互作用机制。 化高温合金粉末，揭示高温合金熔体在电磁场作用下的受力、流动、形状约束等特点和规律。 （4）完成DD98M等高温合金典型力学性能测试；揭示DD98M等合金高温氧化腐蚀机理，完成涂层成分优化设计。

（5）发表论文45篇。 年度 研究内容 （1）合金成分设计：研究单晶合金在高温载荷下的变形机制，不同合金元素对变形机制的影响，分析合金元素的强韧化机理；研究微观偏析、第二相、微观缺陷等对高温变形过程中组织演化的影响规律；观察温度-力场作用下位错形成及运动模式及其与微结构演变之间的关系；开展相关计算，完善先进单晶合金成分优化设计理论。 （2）合金冶炼铸造：研究高温合金熔体与坩埚材料之间的反应热力学和动力学过程；合金枝晶生长行为以及凝固参数影响研究，结合熔体流动特点，研究雀斑、杂晶等缺陷形成特点与规律；对流对凝固界面、枝晶生长特性等的作用规律研究。 （3）合金制备成形：测试高合金化难变形合预期目标 （1）揭示复杂单晶高温合金体系在不同环境中的变形损伤机制，主要强化元素的强韧化机理，单晶合金错配度、碳化物等第二相、微观缺陷等对变形机制的影响。 （2）建立枝晶生长模型，明确变截面试样的晶体生长特征，为控制杂晶等缺陷提供依据；弄清定向凝固过程中各因素对流场的分布和影响规律。 （3）获取EP975与René88DT等合金双相细晶组织，平均晶粒直径小于10?m；解决GH4742合金直径大于500mm真空自耗重熔锭自由锻造开坯过程中的组织性能控制问题；从微观组织和断口上认清PPB的特征，确定PPB导致粉末高温合金的断裂模式；建立喷射成形雾化过程高2011 金的热塑性变形流变应力数据，结合对塑性变形条件下微观组织演变过程的分析，揭示合金变形行为随合金化程度、沉淀强化相体积分数提高而变化的规律；分析PPB上析出相在不同温度下的演化，研究合金中强碳化物形成元素Zr和Hf及工艺过程对PPB析出相类型的温合金熔滴射流与雾化介质之影响，以及PPB对合金的韧性、塑性以及强度的影响；开展雾化过程两相流热量和动量传输规律研究，运用电磁流体力学理论、合金凝固理论、能量传递原理和质量传递原理对合金的凝固过程进行数值模拟研究。 （4）合金使役性能：高温合金机械疲劳、疲劳-蠕变交互作用和热机械疲劳性能的测试、表征与评价，高温合金材料中不同形状和尺寸夹杂物以及表面和晶界氧化物在疲劳和疲劳蠕变过程中的作用研究；研究涂层制备工艺参数、气－固反应非平衡凝固过程对涂层晶粒尺

间的热量、动量传输规律，以及电磁控制凝固过程中能量传递、动量传递和质量传递理论模型。 （4）提出高温合金机械疲劳、疲劳-蠕变交互作用机理；通过优化工艺参数，实现涂层成分与结构精确控制。 （5）发表论文50篇，申报专利5项以上。

寸与取向、成分、致密度等微观组织结构影响规律，实现涂层成分与结构精确控制。 年度 研究内容 （1）合金成分设计：设计低成本第三代单晶合金，利用高温度梯度液态金属冷却定向凝固技术制备单晶合金试棒，验证前期工作中发现预期目标 （1）提出高温度梯度下低成本（低Re）先进单晶合金的设计思路。 的关键强化元素的交互作用规律；开展单晶合（2）建立杂晶及小角度晶界形金高温持久、蠕变等实验，观察位错组态，分析合金高温变形及损伤机制。 （2）合金冶炼铸造：真空电子束环境下高温合金杂质元素去除的热力学机理和动力学过程；研究高温合金在不同凝固条件下晶体生长特征、偏析特点、相析出特征以及杂晶、取向偏离和小角度晶界的形成规律，从枝晶生长动力学角度对凝固组织和缺陷的形成和演化进行理论分析。 （3）合金制备成形：发展描述塑性变形过程中δ相、γ′和γ′′相沉淀析出行为的动成机制模型，弄清熔体流动状态下的晶体生长特性和规律。 （3）解决GH4698合金直径大于1000mm、GH4742合金直径大于800mm、GH4586合金直径大于600mm涡轮盘锻件的锻造成型与组织性能控制问题；确定母合金和粉末中夹杂物尺寸、数量和类型；揭示喷射成形高温合金沉积坯组织的形成机理，提出电磁控制凝固的枝晶生长与第二相析出分布的规律。 （4）弄清高温合金疲劳损伤微观机制；揭示涂层在服役环境下的组织演化过程和退化机理；高温防护涂层在1150℃空气中、950℃燃气＋腐蚀介质中达到完全抗氧化级； （5）发表论文50篇，申报专利5项以上。 2012 力学方法，阐明沉淀相与动态再结晶过程交互作用的机理；用金属原位统计分布分析技术或大样电解技术，定性和定量鉴定母合金中夹杂物的分布、类型和尺寸，用粉末分析仪和EDS鉴定粉末中夹杂物尺寸、数量和类型；完成双扫描雾化喷射成形高温合金沉积坯形成过程研究，主要研究氩气雾化高温合金粉末和沉积坯的凝固过程与组织特征，研究凝固过程中电磁场对固/液界面表面能、固/液界面形貌及对晶体形核和生长的影响。 （4）合金使役性能：研究反向相界、位错组态、层错等微观缺陷在疲劳损伤过程中的作用；通过模拟实际服役条件下的高温疲劳实验，测试高温合金的疲劳寿命数据，完善疲劳寿命预测方法；发展具有阻扩散、抗高温氧化腐蚀以及界面相容的多功能耦合的涂层体系，研究涂层的高温氧化热力学与动力学以及服

役过程中涂层组织演化规律。 年度 研究内容 （1）合金成分设计：模拟单晶合金复杂使用环境，观察在氧化、温度、疲劳等综合作用下单晶合金中的位错形成机制及运动模式；研究高温变形中，位错与小角晶界、再结晶、取向偏离等缺陷的交互作用。 （2）合金冶炼铸造：高温合金脱O、N、S热力学和动力学；优化凝固工艺参数、熔体超温处理参数，制备组织细化、取向精确的单晶叶片样件；晶粒竞争生长过程及机制研究。 （3）合金制备成形：针对关键力学性能指标优化热塑性加工工艺，研究热塑性加工工艺条件对GH4742等合金大尺寸涡轮盘锻件最终预期目标 （1）优化单晶合金成分，揭示单晶合金在复杂应力-环境中的变形损伤机制，明确缺陷对单晶合金高温损伤的影响规律。 （2）高温合金中O、N、S控制在5ppm以下；提出小角晶界诱发机制及其控制方法，确定精确控制晶体取向和限制杂晶产生的工艺参数，弄清熔体流动对偏析、雀斑等凝固缺陷的作用规律，建立相关的控制方法。 （3）实现GH4169及其改进型物理与力学性能的影响，积累全面性能数据；合金蠕变强度标准偏差范围减2013 研究在热等静压和变形条件下夹杂物的形态变化，用SEM原位拉伸或疲劳实验模拟研究小20％，有效提高涡轮盘部件的力学性能裕度；阐明夹杂物的演夹杂物导致粉末高温合金的断裂模式；研究喷化规律，确定杂物导致粉末高温射成形高温合金沉积坯的缺陷的分布特征及其形成机理，溶质原子在外加电磁场中的扩散、迁移和偏析规律。 （4）合金使役性能：发展新的具有明确物理意义、简单、实用的高温合金疲劳寿命预测新方法与理论；高温合金热机械疲劳性能的测试、表征与评价；研究多功能耦合金属涂层与高温合金界面扩散动力学和自适应型金属涂层的高温组织结构稳定性；研究界面扩散导致基体高温合金组织结构演变、有害相析出等界面反应的规律以及高温防护涂层对高温合金

合金的断裂模式；提出降低或消除沉积坯缺陷的措施，揭示电磁控制凝固过程溶质元素偏析规律及第二相溶解和析出规律。 （4）提出和发展高温合金疲劳寿命预测方法与理论；揭示高温防护涂层对高温合金基体材料性能影响规律。 （5）发表论文50篇，申报专利5项以上。

力学性能的影响规律。 年度 研究内容 （1）合金成分设计：合理选择合金主要强化元素及微量元素配比，进一步优化第三代单晶合金成分，观测主要合金元素、第二相在高温固溶热处理中的扩散规律和形态变化，研究??相、碳化物等主要强化相在时效处理中的析出、长大规律，优化热处理工艺，测试合金典型性能，使研制的低成本第三代单晶合金性能达到研究目标要求。 （2）合金冶炼铸造：高温合金脱O、N、S的实验验证；定向或单晶叶片样件凝固缺陷控制的实验验证。 （3）合金制备成形：掌握针对高温合金热塑性加工过程中微观组织演变进行全过程、多尺预期目标 （1）完善高温合金的强化理论，单晶合金1100oC/152MPa持久寿命大于100h，Re含量<4.5%。 （2）发展高温合金纯净化冶炼的理论基础和技术原型；建立凝固缺陷与样品结构和尺寸、凝固工艺参数间的对应关系和数学模型。 （3）形成系统的塑性变形条件下微观组织演变与控制理论，确定微观组织演变的动力学控制机制，为最终实现高温合金塑性加工过程的物理与数值模拟奠定理论基础；建立PPB和夹杂物的控制方法，PPB数量减少50%；提出喷射成形高温合金优化工艺参数和电磁凝固控制的优化电磁工艺参数，制备的喷射成形高温合金整体致密度≥98.5%，经热等静压致密度≥99.5%。 （4）建立高温合金疲劳寿命预测模型；建立自适应型高温防护涂层材料与结构设计理论与制备方法。 （5）发表论文45篇，申报专利5项以上。 2014 度模拟计算所需的基本原理与方法，在此基础上实现对高温合金塑性变形过程中产生变形失稳、晶粒异常长大等现象进行准确预报；探索研究PPB和夹杂物的控制方法，补充实验和数据整理；研究热等静压、热变形、热处理对沉积坯组织的影响，揭示喷射成形高温合金组织与力学性能之间关系。 （4）合金使役性能：研究高温合金高温疲劳与热机械疲劳损伤机制与寿命之间的关系，提出具有明确物理意义并具有较高预测精度的高温合金疲劳寿命预测模型；研究新一代自适应型长寿命高温防护涂层材料与结构设计理论与制备方法。 （5）课题总结验收。

（6）项目结题验收。

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