高性能镁合金航天构件铸造和热处理过程多尺度全流程建模仿真与形性调控

As lightest structure material, high performance cast magnesium alloy has huge application potential in manufacturing of aerospace components. However, traditional trial-and-error based approach has become insufficient and incapable in controlling the microstructure, mechanical property and deformation in the casting and heat treatment processes of the components. Integrated Computational Materials Engineering, featured multiscale and through-process modeling, emerges as a transformational technology and experiences a rapid development in aerospace industry in the United States and Europe, with which the relationship of process, microstructure and mechanical property can be precisely predicted in development of new products. In the present project, fundamentals and models for multiscale and through-process modeling will be investigated and corresponding computer code will be developed for the purpose of predicting and controlling the microstructure, mechanical property and deformation in casting and heat treatment processes of high performance cast magnesium alloy. The developed models and computational tools will be applied in the process-structure-property simulation of aerospace components, promoting the development and application of lightweight materials processing technology in aerospace industry.

作为轻量化结构的优选材料，高性能铸造镁合金可实现复杂结构整体成形，在航天关键重要构件制造中有巨大的应用潜力。然而，当前镁合金铸造和热处理过程仍然采用粗放的试错法控制构件的组织、性能和变形，导致产品研制周期长、成本高、甚至形性指标达不到设计要求，难以满足我国现阶段对航天产品研制的迫切需求。以多尺度、全流程建模仿真为核心的集成计算材料工程在美国、欧洲等发达国家和地区的航空航天制造领域正在快速发展和应用，其作用是在产品研制过程中实现“工艺—组织—性能”的准确预测和控制，从而缩短研制周期、降低研发成本。本项目针对高性能镁合金铸造和热处理过程组织性能演化规律和形变问题，开展多尺度、全流程建模仿真的基础理论和模型研究，开发相应的计算机软件，为高性能镁合金航天关键重要构件制造工艺的优化提供重要的方法、手段和工具，显著提升航天构件轻量化制造的水平。

围绕高性能镁合金航天构件铸造和热处理全过程，开展从宏观到微观、甚至到原子尺度的多尺度建模与计算、实验表征、实践与应用研究。通过研究建立了Mg-Gd-Y合金从铸造、凝固到热处理固溶、时效、性能预测等一系列模型，并且通过包括HAADF-STEM、同步辐射X射线在内的先进微结构表征手段，对所建立的模型进行验证。项目研究取得的主要进展如下：.1、阐明了Mg-Gd-Y合金凝固组织的特征以及冷却速率对凝固组织的影响规律，将凝固组织的定量数据与确切的冷却参数联系在一起，为凝固组织建模提供了重要数据支撑。.2、建立了Mg-Gd-Y三元合金凝固过程微观组织的相场模型，模型耦合了合金热力学和动力学数据，是未来最有可能在实际合金材料开发中广泛应用的新方法。.3、建立了Mg-Y合金时效早期团簇形成过程的动力学蒙特卡洛模型、以及析出相生长过程的相场模型，为认知析出早期过程以及后续生长规律提供了有效的方法和手段。.4、建立了镁合金孪晶演化的相场模型、晶体塑性模型、以及屈服强度预测模型，提供了深入理解镁合金变形微观机制、析出强化机制、以及通过建模手段预测材料性能的新途径。.5、建立了Mg-Gd-Y合金铸造过程界面换热计算、铸造及热处理工艺仿真、缺陷和变形控制的模型及方法，为典型产品的成功研制提供了重要技术支持。.研究过程中发表论文14篇，其中被SCI收录10篇，被EI收录10篇；申请国家发明专利4项，已获授权2项；获得国家计算机软件著作权2项。项目执行期间，团队成员参与的技术开发成果获得国防科学技术进步一等奖1项、教育部科学技术进步二等奖1项。在人才培养方面，有4位博士生、7位硕士生、1位博士后参与项目研究，其中3位博士生、4位硕士生已毕业并获得学位。.项目研究基本按计划完成，取得了预期成果、基本达到了预期目标。