《国家宝藏》第一季有一个的视频片段叫做：这种飞机涡轮叶片的材料，竟然比黄金还要贵！剧透一下：其实标题中所说的“比黄金还要贵”的材料，是指高温合金材料。在正式介绍镍基高温合金之前，大家可以看一下这个视频，了解一下高温合金材料的使用工况和制造方法：

影响高温合金成本因素

在航空发动机成本中，原材料成本占约 50%，而高温合金为原材料主要构成，约占材料成本约 36%。未来 10 年，我国军用航空发动机对于高温合金的市场需求规模约 524 亿元。未来 20 年，全球民用航空发动机对于高温合金的市场需求规模约 2,592 亿美元。由此可见，降低高温合金成本具有重要意义。影响高温合金的成本的因素主要有以下几个方面：

1. 原材料

高温合金的原材料包括价格昂贵的Re、Ru、Hf、Ta。其中Re、Ru在提高高温合金持久性的同时也显著的提高了高温合金的成本。从第一代高温合金到第三代高温合金，Re的含量从0%增加到6%，该元素对提高合金的高温强度和抗氧化性非常有效，但会损伤合金的高温持久性能。因此，在保证甚至是提高合金性能的前提下，降低价格较高的原材料有利于降低高温合金成本。

2. 成品率

铸造叶片的成品率高低对成本影响也很重要。当生产厂的设备条件定下以后，工艺可调幅度是有限的，所以提高叶片合格率需要侧重于如何研究出可铸性好的单晶合金：一是探明合金产生铸造缺陷的原因；二是探明缺陷对力学性能的影响程度。

3. 使用寿命

延长单晶合金的使用寿命是也是降低成本的重要措施，而优良的长时组织稳定性和恢复组织与性能的热处理是实现长寿命的重要途径。

4. 数值模拟技术

高温合金经过半个多世纪的发展，积累了丰富的合金数据，在此基础上应用计算机技术能成功地设计出新型单晶合金。除了合金的成分设计以外，对单晶的凝固过程、元素偏析以及铸造缺陷的形成进行数值模拟，能够使整个生产过程更加优化．这样就摆脱了仅仅依靠经验和大量实验的传统发展模式，大大缩短了研制周期和降低了研制成本。

镍基高温材料研究热点变迁

先说一个基本规律：对于金属材料来说，晶粒越大，它的高温性能就会越好。在高温下晶粒间的晶界是金属材料的弱点。

镍基高温合金主要用于高温涡轮叶片，所受的主要是拉应力，离心力和震动载荷。随着涡轮发动机的涡前温度和功率的提升，由于晶界的存在，以往的多晶就不行了，于是就需要开发定向结晶的晶柱。沿晶柱轴向可以承受较强的拉力，并且裂纹不会横向生长，但是一旦有了裂纹后晶柱整体的抗拉性能，特别是高温抗蠕变性能会减弱。于是研究人员就想到如果没有晶界(即单晶）就好了。整块晶体缺陷少，并且在高温下金属材料的分子会不断振动自我修复，可以极大的提升叶片的寿命。并且单晶高温合金具有较高的高温强度、良好的抗氧化性和抗热腐蚀性能、优异的蠕变与疲劳抗力、良好的组织稳定性和使用可靠性，采用定向凝固工艺消除晶界，单晶高温合金明显减少了降低熔点的晶界强化元素，使合金的初熔温度提高，能够在较高温度范围进行固溶和时效处理，其高温强度比等轴晶和定向柱晶高温合金大幅度提高。

为什么要研究镍基单晶高温合金平台内的枝晶生长？

随着涡轮发动机效率的增加，涡轮前端进口温度不断提高。为了提高叶片的耐高温性能，合金中的难熔合金元素含量逐渐增多，加上实际生产中叶片形状极为复杂，使得叶片中出现凝固缺陷的倾向性增大。枝晶生长与凝固缺陷息息相关，而且凝固缺陷又会影响镍基单晶高温合金的性能。掌握定向凝固过程中的枝晶生长规律，对复杂结构的镍基单晶高温合金叶片具有一定的指导意义。

镍基单晶高温合金平台内的枝晶生长研究

中国科学院金属研究所的研究团队采用光学显微镜(OM)、电子探针微量分析仪(EPMA)、差热扫描量热仪(DSC)，Thermo-Cal软件和Pro-CAST软件对镍基单晶铸件(SX)不同截面上的枝晶形态进行了研究。研究结果表明，不同代次的镍基单晶铸件平台外侧的枝晶形态相似。即初晶相通过发展二次枝晶的形式占据了整个平台的底部，从二次枝晶中发展出的三次枝晶一直填充满整个平台。随着镍基单晶铸件代次的增加，由于难熔合金元素含量的增加和定向凝固中偏析的出现，平台内部的熔体过冷度显著增加，高阶枝晶尖端的生长速度也显著增加。此外，高代次的镍基单晶合金的的平台内侧表现出较强的枝晶分枝能力。

文中部分图表

数值模拟技术在高温合金研究中的应用

一直以来，由于生产工艺的复杂性和不稳定性，以及研制周期长，费用昂贵和成品率低，我国单晶叶片的研制过程缓慢，制约了单晶高温合金在先进航空发动机上的实际应用。针对这一技术瓶颈问题，将数值模拟技术引入到高温合金涡轮叶片的制造过程中，有效模拟定向凝固叶片的凝固微观组织演变过程，分析固液界面前沿的溶质扩散、熔体流动和温度分布规律，预测晶体缺陷的产生，最终实现优化生产工艺，缩短试制周期、降低试制成本、提高单晶叶片的质量和成品率的目的，还加速新产品研发，推动铸造技术走高端化的道路。

上述研究结果对研究高温合金枝晶生长特征及缺陷预测具有有参考价值。在研究过程中，科研人员采用Thermo-Cal 软件对不同代次的镍基单晶高温合金在定向凝固过程中的固液界面温度进行计算，并采用Pro-cast软件对温度场进行了模拟。将计算机模拟技术应用到研究当中，所得的结果对于生产具有指导意义，可以达到优化生产工艺，降低成本，提高单晶叶片质量的目的。

文中部分图表

                                                                      数值模拟技术在高温合金领域面临的挑战

尽管数值模拟技术有着诸多的优点，但是为了使高温合金在航空工业领域得到更好的应用，仍然有一些问题需要解决：

1. 多尺度、多物理量、成形制造全流程模拟的集成

对于高温合金定向凝固叶片的多尺度耦合模拟可以从时间尺度和空间尺度两个方面来理解：

时间尺度：

（1）定向凝固工艺 - 微观组织 - 力学/使用性能之间的耦合关系模拟；

（2）不同成形工艺之间、即制造全流程的耦合，对叶片的制造而言，存在着铸造（定向凝固）- 热处理 - 激光打孔 - 陶瓷涂层等复杂制造工艺。

空间尺度：

主要是从微观尺度 - 介观尺度 - 宏观尺度上的耦合模拟，不同尺度对应着不同的模拟手段和方法、工具，模拟手段 / 工具之间的耦合及数据调用、边界条件信息传递等则是存在的主要问题。

多物理场耦合是指在高温合金涡轮叶片定向凝固过程中涉及到的多物理场之间相互作用，这些物理场主要包括：流场、温度场、溶质场、组织场、应力 / 应变场等。这些物理场中有些是一一对应关系，有一些是两两之间的相互影响，也有一些是三者或三者以上的耦合关系，如何建立耦合关系模型，并寻找合理的解耦方法是研究的重点。

2. 实验技术和数据库

材料基础数据、微结构以及性能模型既有基于理论的，也有基于现象的，但无论哪种模型都不是十分完善，都需要更多的实验数据来修正，同时，模型也需要覆盖更多的实验数据。研究表明，数字化、网络化、智能化工具 50％ - 80％的开发费用与实验研究有关。实验手段不仅是建立理论模型的前提，也可以弥补理论上的不足。实验的重要性还在于可以确保模拟软件的准确性。

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