数字技术在粉末高温合金中的应用与展望

摘要

粉末高温合金因无偏析、组织均匀、性能优异等特点，成为先进航空发动机涡轮盘的首选材料。但是，其高合金化成分和复杂工艺使传统“试错法”研发模式面临周期长、成本高、方向不明确等挑战，数字技术已成为解决上述瓶颈的关键路径。本文概述“电子-原子-介观-宏观”全尺度数字技术体系在粉末高温合金研究领域的应用，并展望其未来发展方向。电子尺度的第一性原理等方法主要用于筛选合金元素、解释相稳定性机制、计算γ/γ′两相界面能等。原子尺度的分子动力学等方法主要用于揭示夹杂物对裂纹的影响、变形过程中位错、孪晶、晶界等的相互作用机理。介观尺度的晶体塑性、相场、元胞自动机等方法模拟颗粒烧结、两相组织、晶粒等演变过程及其对力学性能的影响。宏观尺度方法侧重制粉、热等静压、热处理等工艺过程宏观应力场、温度场、平均介观组织场（如平均晶粒尺寸）等的演变过程模拟。人工智能与数字孪生正变革粉末高温合金研发：人工智能基于大量实验数据，通过机器学习等不同算法提供成分与工艺优化的明确方向和方案；数字孪生构建虚拟映射，力图实现从制造到服役的全流程精准仿真、实时诊断与寿命预测。最后，指出未来数字技术需向跨尺度跨工序制备——服役一体化预测与优化方向发展，支撑航空发动机涡轮盘的短周期、低成本、高可靠和长寿命升级与创新。

关键词

数字技术 / 粉末高温合金 / 跨尺度模拟 / 人工智能