材料科學之鈦合金微觀組織演化

現狀

由于結構材料的復雜性和應用對性能的多方面需求，一種新材料從設計到應用往往需花費20年以上。以航空發動機用鈦合金為例，對其強度、模量、韌性、疲勞、蠕變、氧化、腐蝕等方面性能均有很高要求，此外還需長壽命、高可靠、低成本。發達國家在航空航天材料方面有近百年的積累，而我國雖經幾十年的研究，也有很多自己的合金牌號，但許多關鍵材料仍無法自給，其原因之一是基礎研究不足。

21世紀以來，人們逐漸認識到計算模擬對新材料研發的促進作用，美國先后啟動了“集成計算材料工程”（ICME）和“材料基因組計劃”（MGI），希望借助計算加速新材料的研發，同時降低成本。我國2016年啟動了材料基因工程計劃，希望結合計算及實驗，促進鈦合金等多種關鍵材料的研發，以滿足航空航天及燃氣輪機等的需求。

對領域應用的促進

在新材料的研發與優化方面，多尺度模擬在合金化效應計算與合金元素篩選，微觀原子變形機制的揭示，不同條件下的微觀組織演化以及熱加工工藝的優化等方面都起到重要作用，而這些都需要以高性能計算為基礎。中國科學院金屬研究所在國內率先集成多尺度模擬與實驗研究，研發出應用600℃的高溫鈦合金Ti60和應用于人體的低模量鈦合金Ti2448，并對TiAl合金葉片的應用等方面起到了重要推動作用，但仍無法滿足航空、航天、航海、能源等對新材料的巨大需求。上述對性能的多方面需求，均需以材料的成分和組織為保證。盡管先進的測試手段不斷涌現，但仍無法滿足合金形變、相變機制及組織演化等的理解。例如，保載疲勞從20世紀70年代開始，一直制約著鈦合金的高效應用。

中國科學院計算機網絡信息中心張鑒團隊與中國科學院金屬研究所合作開展合金微結構演化相場模擬研究，研發了合金微組織演化大模擬并行軟件ScETD－PF。它是基于可擴展緊致指數時間差分算法庫的相場模擬軟件，支持計算材料科學、計算物理學、計算生命科學等學科的計算模擬，實現了國際上最大規模的合金微結構粗化相場模擬，有助于加快我國新型合金的設計和加工工藝優化。團隊應用ScETD－PF軟件在“神威·太湖之光”超級計算機上運行合金微結構粗化過程相場模擬，規模較以往提高近百倍，實現了超過千萬核的擴展性能，相場模擬實際性能達到峰值的40％，遠高于普通軟件約5％的水平。該軟件入圍了2016年“戈登·貝爾”獎候選名單。

發展趨勢

國產計算系統的研發將改變我國過去以實驗和仿制為主的新材料研發模式。通過計算模擬篩選合金成分，揭示形變、裂紋萌生的微觀機理，探索不同微觀組織的形成機制及其對性能的影響，為材料性能控制指明方向。甚至在材料制備之前即可模擬其在不同應用下的性能，從而大幅度減少實驗次數及時間，顯著提升創新能力。還可通過模擬，根據新部件設計對材料提出新要求，實現材料的按需設計，最終提升航空航天等系統的水平。