【骨干成员】

冯    强 北京科技大学教授，北京市材料基因工程高精尖创新中心副主任

张国庆 北京航空材料研究院研究员，副总工程师

李龙飞 北京科技大学副研究员

郑为为 北京科技大学副研究员

【研究背景】

高温合金是航空发动机与地面燃气轮机中热端部件不可替代的关键核心材料，被誉为“先进发动机基石”。新一代先进航空发动机和重型燃气轮机关键热端部件面临着更为恶劣的服役环境，传统钴基高温合金与现有镍基高温合金难以完全满足使役需求。因此，迫切需要开发具有优良综合性能的新型高温结构材料。

【研究目标】

着眼于未来航空和能源领域的重大需求，构建高性能高温合金的高通量设计方法、高通量制备与表征方法，发展基于材料基因工程技术的新型高温合金成分设计与优化方法，加速构建新型高温合金成分设计准则，初步实现高性能高温合金的设计制备集成技术，促进新型高温合金的工程化应用。针对重型地面燃气轮机和舰载燃机发动机涡轮叶片的服役特点，研发出具有更高承温能力和优良综合性能的新型钴基高温合金，为新一代燃机系统提供技术储备。

【主要研究内容】

1. 新型高温合金的高通量成分设计与优化方法

2. 先进高温合金的高通量实验与表征技术

3. 先进单晶高温合金及其涂层的多组元交互作用机理

4. 高温合金涡轮叶片服役损伤评价方法与寿命预测技术

【重要研究进展】

1.  新型钴基单晶高温合金高通量成分设计

   γ'相强化钴基高温合金被视为在航空和能源工业领域具有应用潜力的新一代高温结构材料之一。针对目前新型γ'相强化钴基高温合金基础数据匮乏、承温能力和综合性能不足等问题，立足于材料基因工程理念，开展了基于集成计算材料工程（ICME）的新型钴基单晶高温合金成分设计方法研究。通过国际合作，发展了复杂多组元扩散多元节技术、高通量成分－组织实验表征技术，系统研究了Cr、W、Mo等多种合金元素对新型钴基高温合金高温相平衡和γ/γ′组织稳定性的影响规律，高效建立了合金成分-相组成-相含量的定量对应关系，为新型钴基高温合金热力学数据库优化提供了大量的实验数据，并在此基础上初步开发了在同期报道中拥有最高γ/γ′组织稳定性的多组元单晶合金。相关性能测试结果表明，该单晶合金具有良好的高温抗氧化性能和高温蠕变性能，为面向工程应用的高性能γ'相强化钴基单晶高温合金的研发奠定了基础。

    

   
   

    基于ICME的航空发动机涡轮叶片服役损伤评价及寿命预测方法

   
   

2. 航空发动机涡轮叶片需要承受高温及复杂应力作用，容易发生由微观组织及力学性能退化引起的失效。针对航空发动机涡轮叶片服役可靠性和安全性评估的紧迫需求，发展了高通量表征技术，开展了热力耦合作用下涡轮叶片用高温合金微观组织演变规律及组织-性能关系的研究，构建了微观组织演变特征数据库。在此基础上，利用数据挖掘和机器学习技术，建立了基于微观组织演变的高温合金蠕变寿命预测模型，开发了航空发动机涡轮叶片服役寿命预测方法，实现了复杂工况下组织-性能关系的准确评估与预测，为航空发动机涡轮叶片服役可靠性和安全性评估提供技术支撑。

    

    

                     基于微观组织演变的蠕变寿命预测人工神经网络模型示意图