基于_材料基因组工程_的3种方法在镍基高温合金中的应用_王薪
材料基因组简介
材料基因组计划—第四次产业革命黄孙超hsunchao@中国科学院固体物理研究所2015.11.251国际背景长期以来欧美发达国家一直主导新材料的研发，进入21世纪以来，他们越发意识到传统科学直觉和试错法材料研发模式跟不上社会发展的脚步，成为限制社会发展进步的瓶颈。
为了维护自己的主导地位，他们纷纷提出了新材料的设计理念和新方法。
如美国的材料基因组计划、日本的玻璃、陶瓷、合金钢等领域材料数据库、知识库等，欧盟的高通量试验平台，德国的工业4.0。
2国内现状在1999年6月召开了以“发现和优化新材料的集成组合方法”为主题的香山会议，很多单位进行了相关尝试，但是由于各种问题，最后没有得到普及和开展。
当美国宣布材料基因组计划后，在国内引起了极大的响应，主要学术活动如下：2011年12月21-23日以“材料科学系统工程”为主题的香山会议；2013年3月14 日材料基因组咨询项目启动会；2013年12月15日“2013中国先进功能材料基因组技术高峰论坛”2014年4月18-20日第六届无机材料专题——材料基因组工程研究进展； 2014年科学院和工程院分别向国务院提交咨询报告；2015年9月17-20日的“材料基因组科学技术论坛”；2015年国家重点优先发展专项。
32011年12月21~23日香山科学会议学术讨论会，主题“材料科学系统工程”，旨在应对美国提出的材料基因组研究计划，对我国如何规划、开展实施自己的材料科学系统工程提出建议并进行深入的研讨。
国家自然科学基金委员会师昌绪研究员中国工程院徐匡迪教授清华大学顾秉林教授中科院物理所陈立泉研究员中科院金属所叶恒强研究员中科院化学所朱道本研究员北京有色金属研究总院屠海令研究员42013 年3 月14 日材料基因组”咨询项目启动会暨“材料基因组”•师昌绪、徐匡迪、陈难先、崔俊芝、干勇、葛昌纯、顾秉林、江东亮、黎乐民、南策文、屠海令、王崇愚、王鼎盛、王海舟、徐惠彬、薛其坤、杨裕生、叶恒强、张统一、张兴栋、周廉、朱静、祝世宁等23位中国科学院、中国工程院院士，近100 位知名专家参加了本次会议。
几种镍基高温合金再结晶问题的研究
几种镍基高温合金再结晶问题的研究随着工业技术的不断发展，镍基高温合金在航空航天、能源和化工等领域中扮演着越来越重要的角色。
然而，由于高温合金在高温环境下的使用条件非常苛刻，因此其再结晶问题成为了研究的热点之一。
在本文中，我将从几种不同的角度出发，对几种镍基高温合金再结晶问题的研究进行深入探讨。
1. 了解再结晶问题的基本概念再结晶是指在高温下，晶粒发生重组并形成新的晶粒结构的过程。
对于镍基高温合金来说，再结晶会导致材料的力学性能和耐热性能的下降，进而影响材料在高温环境下的使用效果。
研究镍基高温合金的再结晶问题具有重要的理论和应用意义。
2. 镍基高温合金再结晶的影响因素在对镍基高温合金再结晶问题展开研究时，需要考虑到多种影响因素。
合金中的合金元素类型和含量、再结晶诱发剂的存在、变形温度和速率等因素都会对再结晶过程产生影响。
通过深入研究这些影响因素的作用机制，可以更好地理解镍基高温合金再结晶问题的本质。
3. 目前的研究现状随着材料科学领域的不断发展，对镍基高温合金再结晶问题的研究也日益深入。
目前，学者们在再结晶核形成机制、再结晶晶粒长大规律、再结晶抑制方法等方面取得了许多重要成果。
这些研究成果为进一步深入解决镍基高温合金再结晶问题提供了重要的理论和实验基础。
4. 我的个人观点和理解在对几种镍基高温合金再结晶问题的研究中，我们应该注重理论和实践相结合，注重基础研究和应用开发相结合，以期能够真正解决这一问题。
我认为需要不断加强国际交流与合作，吸纳国际上的最新研究成果，以推动我国镍基高温合金再结晶问题研究水平的提升。
总结回顾通过对几种镍基高温合金再结晶问题的全面评估，我们不难发现，这一问题涉及到材料科学、力学、热学等多个学科，具有复杂性和研究价值。
只有通过深入钻研和持续努力，才能够为镍基高温合金再结晶问题的解决提供更为有力的支持。
在本文中，笔者从基本概念、影响因素、研究现状以及个人观点和理解这几个方面对几种镍基高温合金再结晶问题展开了深入探讨。
镍基高温合金强化方法
镍基高温合金强化方法
镍基高温合金是一种广泛应用于航空、航天、能源等领域的材料，其优异的高温性能使其成为高温结构材料的首选。
但是，镍基高温合金在高温下容易发生塑性变形和热蠕变，影响其使用寿命和性能。
因此，为了提高镍基高温合金的高温强度和耐热性能，需要采用一系列强化方法。
常见的镍基高温合金强化方法包括以下几种：
1. 固溶强化：通过在合金中加入合适的合金元素，形成固溶体，使其晶格发生变化，强化合金的高温性能。
2. 沉淀强化：通过在合金中加入沉淀元素，使其形成弥散的沉淀相，从而增加合金的位错密度和强度。
3. 粒子强化：通过在合金中加入微小的强化相颗粒，可以阻碍位错滑移和晶界滑移，提高合金的高温强度和耐热性能。
4. 细化晶粒：通过控制合金的加工热处理过程，可以使其晶粒细化，减少晶界位错，提高合金的高温强度和耐热性能。
5. 淬火强化：将合金加热至高温，然后迅速冷却，使其形成强化的马氏体结构，提高合金的高温强度和耐热性能。
以上几种强化方法可以单独使用，也可以组合使用，以达到最佳的强化效果。
在实际应用中，需要根据具体情况选择不同的强化方法，并结合加工工艺和使用条件进行优化设计，以保证镍基高温合金的高温强度和耐热性能。
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几种镍基高温合金再结晶问题的研究
从镍基高温合金再结晶问题出发，我们不得不先了解一下什么是再结晶。
再结晶是指在晶体固态材料中，晶体晶界边界和晶界内部再排列的过程。
在镍基高温合金中，再结晶问题一直备受关注。
本文将从深度和广度两个方面来探讨几种镍基高温合金再结晶问题的研究。
一、什么是镍基高温合金？我们需要了解什么是镍基高温合金。
镍基高温合金是一类耐高温、耐氧化、耐腐蚀的合金材料，通常由镍、铬、铝、钛、钼等元素组成。
它们被广泛应用于航空航天、石油化工、核能等领域，因其在高温高压环境中具有优异的性能而备受青睐。
二、镍基高温合金再结晶问题的研究现状在镍基高温合金的制备过程中，再结晶问题一直是一个比较棘手的难题。
再结晶会导致材料的晶粒尺寸变大，从而影响材料的力学性能和工作温度。
针对再结晶问题的研究一直备受关注。
目前，针对镍基高温合金再结晶问题的研究主要集中在以下几个方面：1. 传统的再结晶控制技术- 通过调整合金的化学成分和固溶度，来控制再结晶的发生和发展。
通过增加元素的固溶度，限制晶界的扩散，从而抑制再结晶的进行。
2. 先进的再结晶控制技术- 利用先进的热处理工艺，如快速凝固技术、激光冶金技术等，来控制材料的微观结构，降低再结晶的程度。
3. 具有形变能力的合金设计- 通过设计具有形变能力的合金材料，使其在变形过程中产生强化效应，从而抑制再结晶的进行。
以上是目前针对镍基高温合金再结晶问题的研究现状的简单介绍，下面我们将继续探讨几种镍基高温合金再结晶问题的研究。
三、具体再结晶问题的研究1. 晶粒长大与力学性能- 研究表明，晶粒的长大会导致材料的力学性能下降。
如何控制再结晶过程中晶粒的长大，是镍基高温合金再结晶问题研究的一个重要方向。
2. 晶界运动与再结晶- 晶界的运动对再结晶的进行起着至关重要的作用。
通过研究晶界的运动规律，可以为控制再结晶提供重要的理论支持。
3. 逆再结晶问题- 逆再结晶是指在合金固溶时发生的再结晶现象。
逆再结晶会对合金的组织和性能产生严重影响，因此需要进行深入研究。
镍基单晶高温合金热腐蚀性能的试验方法[发明专利]
![镍基单晶高温合金热腐蚀性能的试验方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/0b5404c5e2bd960591c677a5.png)
专利名称：镍基单晶高温合金热腐蚀性能的试验方法专利类型：发明专利
发明人：温志勋,岳珠峰,杨艳秋,赵彦超,王佳坡,谷淑宁申请号：CN201910294432.0
申请日：20190412
公开号：CN110132826A
公开日：
20190816
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本公开涉及一种镍基单晶高温合金热腐蚀性能的试验方法，属于热腐蚀试验领域。
该试验方法包括：提供多个待试验的镍基单晶高温合金试验件；提供多个不同盐溶液，其中一个或多个盐溶液包括钒元素；利用各盐溶液在各试验件表面沉积一层预设质量的盐膜，并对带有盐膜的各试验件进行热腐蚀试验以获取试验数据；根据热腐蚀试验的试验数据，确定热腐蚀速率常数。
本公开一方面补充了含有钒元素的盐溶液对试验件进行热腐蚀试验，提供了更加贴合高温合金实际服役环境的试验环境，提高了试验的可靠性；另一方面，精准控制试验件表面的盐膜含量，从而获取准确的试验数据，有利于进行热腐蚀性能的定量分析，提高了试验的准确性与可重复性。
申请人：西北工业大学
地址：710072 陕西省西安市碑林区友谊西路127号
国籍：CN
代理机构：北京律智知识产权代理有限公司
代理人：阚梓瑄
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镍基单晶高温合金涡轮叶片的制备工艺[发明专利]
![镍基单晶高温合金涡轮叶片的制备工艺[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/4438073a591b6bd97f192279168884868662b857.png)
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201710161355.2(22)申请日 2017.03.17(71)申请人 泰州市金鹰精密铸造有限公司地址 225714 江苏省泰州市兴化市陈堡镇工业园区(72)发明人 王富 朱鑫涛 朱德本 朱玉棠 (74)专利代理机构 南京众联专利代理有限公司32206代理人 顾进(51)Int.Cl.C22C 19/05(2006.01)C30B 29/52(2006.01)B22D 27/04(2006.01)B22C 9/22(2006.01)(54)发明名称镍基单晶高温合金涡轮叶片的制备工艺(57)摘要本发明提供一种镍基单晶高温合金涡轮叶片的制备工艺，制备工艺包括以下步骤：镍基单晶高温合金的成分选取、选晶器的参数设计、选晶器的制备、镍基单晶高温合金的制备以及制备涡轮叶片。
本发明所采用的镍基高温合金具有优秀的高温性能以及良好铸造性能，同时在铸造过程中能够有效避免有害相以及铸造缺陷的产生；通过数据以及选晶效果对选晶参数进行优化，通过制备高精度螺旋选晶器获得的镍基单晶高温合金，单晶质量以及合格率极为优秀，保证后续通过液态金属冷却法制备的涡轮叶片中晶界的有效消除、微观组织的有效改善以及整体性能的显著提升。
权利要求书1页 说明书5页 附图2页CN 107034388 A 2017.08.11C N 107034388A1.一种镍基单晶高温合金涡轮叶片的制备工艺，其特征在于：制备工艺包括以下步骤：镍基单晶高温合金的成分选取、选晶器的参数设计、选晶器的制备、镍基单晶高温合金的制备以及制备涡轮叶片。
2.根据权利要求1所述的一种镍基单晶高温合金涡轮叶片的制备工艺，其特征在于：制备工艺具体包括：（1）选取镍基单晶高温合金，其组成成分以及各成分所占质量百分比分别为：Cr：1.75～2%、Co＜3%、Mo：2.9～4.25%、Re：3～7%、Ru＜2.2%、W：6.3～8.1%、Al：2.9～6.75%、Ti＜2%、Ta：4.7～8.2%、Nb＜0.15%、Hf：0.03～0.12%、B＜0.03%、Zr＜0.015%、V＜0.8%、稀土元素＜0.05%、其他为Ni；（2）分别选取3～5组选晶参数不同的选晶器，模拟选晶过程，优化选晶参数，并获得最优选晶参数；（3）按照步骤（2）得到的最优选晶参数制备选晶器；（4）通过步骤（3）获得的选晶器利用选晶法制备镍基单晶高温合金；（5）将步骤（4）得到的镍基单晶高温合金通过定向凝固法制备涡轮叶片。
制造钛合金与镍基高温合金功能梯度材料的制备方法[发明专利]
![制造钛合金与镍基高温合金功能梯度材料的制备方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/eaaccf82561252d381eb6e28.png)
专利名称：制造钛合金与镍基高温合金功能梯度材料的制备方法
专利类型：发明专利
发明人：徐国建,王辰阳,尚纯,井志成,柳晋,王蔚,胡方
申请号：CN202011273946.7
申请日：20201114
公开号：CN112809007A
公开日：
20210518
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：制造钛合金与镍基高温合金功能梯度材料的制备方法，所述方法步骤如下：首先将钛合金基板除去表面锈迹，后去除表面油污；通过激光增材制造方法在钛合金基板表面上沉积成形2～3mm 厚的钛合金沉积层，然后再在钛合金沉积层表面沉积成形0.5～1mm厚的Ta形成Ta沉积层，再在Ta 沉积层表面沉积0.5～1mm厚的Cu，形成Ta/Cu层，将Ta/Cu层作为连接过渡层；最后在Ta/Cu过渡层上激光沉积镍基高温合金，获得钛合金与镍基高温合金的功能梯度材料。
在激光增材连接过程中，Ta/Cu过渡层可有效防止钛合金与镍基高温合金产生金属间化合物，一定程度上避免了裂纹的产生，实现钛合金和镍基高温合金功能梯度材料的有效制备。
申请人：沈阳工业大学
地址：110870 辽宁省沈阳市经济技术开发区沈辽西路111号
国籍：CN
代理机构：沈阳智龙专利事务所(普通合伙)
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镍基高温合金的三种铸造成型方法
镍基高温合金的三种铸造成型方法
镍基高温合金是一类在高温下仍能保持高强度和耐腐蚀的合金，因其优异的性能而广泛应用于航空、航天、汽车、化工等领域。
铸造高温合金是一种重要的高温合金类型，其制造流程主要包括熔炼、铸造、热处理和表面处理等环节。
目前，镍基高温合金的铸造成型方法主要包括三种:
1. 真空铸造：真空铸造是一种在高温下进行铸造的方法，可以有效地减少气体干扰，提高铸件质量。
该方法适用于制造大型、高精度、复杂形状的铸件，如航空发动机叶片等。
2. 压力铸造：压力铸造是一种在高温下将熔融金属注入模具中的方法，可以通过增加压力来增加铸件的精度和强度。
该方法适用于制造大型、高精度、复杂形状的铸件，如航空发动机叶片等。
3. 熔模铸造：熔模铸造是一种将熔融金属注入模型中的方法，可以通过制作特殊的熔模来制造复杂的铸件。
该方法适用于制造大型、复杂形状的铸件，如航空发动机叶片等。
以上三种铸造成型方法各有优缺点，具体应用应根据铸件的形状、大小、精度和强度要求等因素进行选择。
真空铸造和压力铸造适用于制造大型、高精度、复杂形状的铸件，而熔模铸造适用于制造大型、复杂形状的铸件。
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基于“材料基因组工程”的 3 种方法 在镍基高温合金中的应用
王薪 1，朱礼龙 1，方姣 1，刘军 2，戚海英 1，江亮 1
1. 中南大学粉末冶金国家重点实验室，长沙 410083 2. 中南大学材料科学与工程学院，长沙 410083
摘要 “材料基因组工程”强调以产业应用为导向，集成和发展材料的计算工具、试验工具和数据库等核心基础能力，聚焦解决关
WANG Xin1, ZHU Lilong1, FANG Jiao1, LIU Jun2, QI Haiying1, JIANG Liang1
1. State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, China 2. School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China
美国为了提升其制造业在全球的竞争力，于 2011 年推出 “材料基因组计划”（materials genome initiative，MGI）[1]。MGI
的目标是加速先进材料从实验室到市场的转化进程，期使美 国在先进材料市场上继续保持领先。截至 2014 年 6 月 19 日，
收稿日期：2015-04-02；修回日期：2015-04-15 基金项目：国家高技术研究发展计划（863 计划）项目（2012AA03A514）；中央高校基本科研业务费专项（2013zzts189） 作者简介：王薪，博士研究生，研究方向为铸造高温合金，电子信箱：xinwang@；刘军（通信作者），教授，研究方向为镍基高温合金及新能源材
1 镍基高温合金
镍基高温合金在航空航天和电力等的核心动力装备上 具有广泛及至关重要的应用。其合金成分通常由 10 个以上 的元素组成，包括 Ni、Co、Fe、Cr、Mo、W、Al、Ti、Nb、Ta、Hf、B、C 和 Zr 等。镍元素具有塑形较好的面心立方结构，在与其他元 素合金化和在高温服役等条件下，其合金会保持面心立方奥 氏体（γ）结构[7]。镍基高温合金中合金元素的强化作用主要 分为 5 类[8]：1）固溶强化元素，主要溶于γ基体，并因原子半径 与镍不同而在基体中产生晶格畸变达到强化作用，如 Cr、Mo 和 W 等；2）析出强化元素，主要溶于与基体共格的金属间化
除了其合金成份一般多于 10 个元素，镍基高温合金可以 采用不同的制造工艺技术路线，使得其组织和性能千变万 化。再有，镍基高温合金通常要在高温、高压和高腐蚀的条 件下长时间、稳定可靠地工作运转，特别是对于航空和地面 用燃气轮机，需要具有优异的综合性能，包括在高温条件下 的组织稳定性、抗氧化、抗腐蚀、拉伸强度、蠕变和疲劳等使 役性能。仅就含有 8 个合金元素的镍基高温合金成分并且只 针对一个使役性能进行优化设计，假设每种合金元素成分最 优含量的质量分数介于 0~10%，采用传统的试错法，以每个 合金元素的 1％为增量水平设计试验，要完成合金成分的全 面优化，实验需制备大约 108个合金用作检测、分析和优化[9]。 这显然超出了任何实验以及研究项目的能力和时间范畴。
料与器件，电子信箱：liujun4982004@ 引用格式：王薪, 朱礼龙, 方姣, 等. 基于“材料基因组工程”的 3 种方法在镍基高温合金中的应用[J]. 科技导报, 2015, 33(10): 79-86.
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科技导报 2015，33（10）
美国联邦政府已经在 MGI 上投入 2 亿 5 千万美元[2]。中国近 年来支持了以计算为主的“基于集成计算的材料设计基础科 学问题”和以实验为主的“高温合金材料设计与制备的基础 研究”等项目。随着美国 MGI 的推出，扩大和加强了中国和 其他国家对 MGI 的战略研讨。中国围绕材料高通量的制备、 设计和表征方法，在近两年也启动了以“集成863 计划和国家 自然科学基金项目等研究。
先进高温合金的不断进步得益于制造工艺的创新以及 成分、组织和性能匹配关系的新发现。例如，燃气轮机涡轮 叶片用铸造镍基高温合金的制造工艺发展经历了等轴晶、定 向柱晶、单晶铸造等阶段。再者，自 20 世纪 80 年代开始，单 晶镍基高温合金从第 1 代单晶高温合金如 René N4 与 PWA 1480 出现以来，发展了以 René N5 与 PWA 1484 为代表的广 泛应用的第 2 代单晶高温合金，第 3 代单晶高温合金如 René N6 与 CMSX-10 也开始得到了应用，和当前在研的以添加铂 族金属 Ru、Pt 与 Ir 等合金化元素为特征的第 4 代和第 5 代。 每一代单晶高温合金都比上一代的耐高温性能提高了 20~ 30℃，其研制到应用的时间周期约 8~10 年。高温合金材料成 分—组织—性能的精确调控是其研制的技术难点，其研制的 时间长和投入大带来的高风险是其研究和发展的瓶颈。
“材料基因组工程”（materials genome engineering，MGE） 是 MGI 的另一个称谓。MGE 强调以产业应用为导向，在探索 和应用材料的计算工具、试验工具和数据库的基础上，更要 集成和发展 MGI 提出的三大核心基础能力，聚焦解决关系国 计民生产业应用中材料的关键问题。正如美国科学院和工 程院共同设置的国家研究理事会（National Research Council， NRC）在 2008 年发表的题为《集成计算材料工程》（integrated computational materials engineering，ICME）[6] 的 报 告 中 ，指 出 ICME 的关键词是“集成”和“工程”。据此，本文以镍基高温 合金为例，探讨基于“材料基因组工程”的 3 种方法的实际 应用。
进镍基高温合金的研发，加快从实验室研究到市场应用的转化。
关键词 材料基因组工程；高通量实验方法；镍基高温合金；扩散多元节
中图分类号 TG111.3
文献标志码 A
doi 10.3981/j.issn.1000-7857.2015.10.007
Applications of“Materials Genome Engineering”based methods in Nickel-based superalloys
MGI 主要实施方法是构建材料的计算工具、实验工具和 信息化数据库三大基础能力[1]，其组成元素是材料科学与工 程研究者所熟悉和必需的。以材料计算为例，早在 1873 年 Gibbs 就为材料热力学奠定了严谨的理论基础[3]，分别在 20 世 纪 60 年代和 80 年代材料热力学计算得到了极大发展，当前 以 相 图 计 算（computer coupling of phase diagrams and thermochemistry，CALPHAD）为基础的材料设计已广泛地应 用于科学研究和工程领域。同样，在 20 世纪初期，量子力学 的发展使得研究人员从理论上计算材料性能成为可能[4]，当 前第一性原理计算也得到了广泛应用。另一方面，随着 20 世 纪 30 年代电子显微镜的出现，对材料进行表征检测具备了从 原子到宏观尺度、从空间二维到包含时间和空间的四维表征 等多样并可靠的能力[5]。但是 MGI 的目标比以往更明确，要 加速材料发明设计、实现产业应用并对人类福祉和经济安全 产生至关重要的作用。这就要求集成材料计算工具、实验工 具和信息化数据库三个核心，加快从实验室的材料研究到产 业化零部件与集成装备等的应用转化。
系国计民生产业应用中材料的关键问题。本文列举 3 种基于“材料基因组工程”方法在镍基高温合金中的实际应用，包括高通量
合金制备及其关键热力学和动力学数据的高通量采集、显微组织的多尺度和多维度表征、微型试样的力学性能检测。分析表明，
定量预测和描述材料成分、工艺、组织和性能关系的计算、表征和数据库技术面临极大挑战，基于“材料基因组工程”的方法将促
合物γ’析出强化相，如 Al、Ti、Nb、Ta 和 Hf 等；3）晶界强化元 素，此类元素偏析于晶界处，如 B、C 和 Zr；4）抗氧化腐蚀元 素，如 Cr 和 Al 等；5）基体元素，如 Co 和 Fe 等。镍基高温合金 的显微组织通常含有基体奥氏体相γ、析出强化相γ'、碳化物 相、硼化物相以及对力学性能有害的 TCP 相等。
Abstract "Materials Genome Engineering" is industrial application oriented. Exploring and using materials computational tools, experimental tools and databases, it emphasizes the integration and development of these three key capabilities to solve materials issues critical to national welfare and people's livelihood. This paper presents the applications of several "Materials Genome Engineering" based methods in nickel-based superalloys, namely high-throughput alloy fabrication, high-throughput thermodynamic and kinetic data acquisition, multi- scale and multi- dimension microstructure characterization, and miniature specimen testing. Quantitative predictive and descriptive capabilities to reveal the relationships among material composition, processing, structure, and property will undoubtedly be faced with great challenges, but they will progress steadily in this context. "Materials Genome Engineering" based methods will promote the research and development of nickel-based superalloys, accelerating the transition from laboratory work to industrial application. Keywords Materials Genome Engineering; high-throughput experimental methods; Nickel-based superalloy; diffusion multiple