航发科普 | 材料基因组计划与材料计算工具

来源：中国科协航空发动机产学联合体

材料工艺的设计研究一直是航空发动机研制生产的重要部分，在一定程度上代表着航空发动机的水平。随着发动机性能不断改进，对材料也不断提出新要求。纵观航空发动机发展历程，发动机性能的提高有三分之一归功于采用了新材料和新工艺，今后，这个比例可能会更高。

目前，从新材料的研发至工程应用一般需要10~20年的时间，材料的研发速度严重滞后于新材料产品的设计速度。为缩短材料的研发时间，世界各国的材料科学家开始尝试借助于信息技术和大数据完成材料研发试验。“材料基因组计划”在此背景下提出。

   材料基因组计划（MGI)   

2011年，美国经过信息技术革命后，充分认识到材料革新对技术进步和产业发展的重要作用，宣布实施“材料基因组计划”，将通过实验技术、计算技术和数据库之间的协作共享，让材料研发周期缩短至2~3年。

“材料基因组计划”可以精确调整新材料设计中复杂的物理与化学特性，适应不同的应用，并且准确跟踪这些特性在材料合成、生产和使用过程中的改变，大大降低了研发成本。“MGI”成功的关键因素之一就在于材料计算工具的开发和使用。

   材料设计与工艺仿真软件  

“工欲善其事，必先利其器。”每个人的生活都离不开工具，工具可以帮助我们更好地工作和生活。同样，研究材料工艺，也需要特定的计算工具——材料设计与工艺仿真软件。

在材料设计与工艺研究中，常用的计算方法有有限元、扩展有限元、计算流体力学和计算损伤力学四种，而材料仿真软件可以模拟真实材料，建立工艺设计过程模型，借助相应软件和数据进行理论计算。

20世纪70年代，科学家基于热力学理论建立起CALPHAD方法。CALPHAD方法是目前唯一可以计算多元体系热力学性质并能满足实际应用精度要求的热力学计算方法。它还是材料动力学、微观结构演变模拟的热力学基础。

20世纪90年代后期，在材料微观结构模拟领域，相场理论和多物理场模型相继发展，敲开了微观结构演化表征与控制研究的大门。而密度泛函理论、原子模型、分子动力学模型等更是为多尺度模拟提供条件。随着有限元模拟技术的进步，如今，材料设计与工艺仿真软件可以实现材料、工艺制造以及服役全过程预测。

   材料设计与工艺仿真软件应用  

01

用于量子力学和原子从头计算的仿真软件

在材料设计中，常常会采用热处理工艺来引发微观结构上的相变，来控制或改变材料的性能。原子从头计算方法跨越了从量子力学的“第一性原理”到起始于等效交互势的半经验理论，可以对单一相的材料性能进行计算，实现材料微观结构尺度的区域化处理。这一类的软件工具，提供了密度泛函理论（DFT）和基于量子力学的类似方法，不仅可以计算材料未知的性能，还可以确定材料界面的聚合性能，在分子动力学相关方法中经常用到。

02

用于计算热力学和扩散的仿真软件

这些计算软件提供了能够计算相含量、相成分以及不同相之间相互作用驱动力的工具。通过热力学数据与形核模型相结合，可实现析出相分布的演化过程计算。

03

用于材料微观结构模拟和材料性能评价方面的软件

这些软件可以模拟相变动力学以及微观结构在二维和三维的演化。基于计算或者试验获得的微观结构数据，从而在微观尺度与宏观尺度之间搭建桥梁。

04

用于宏观尺度的材料工艺仿真软件

在宏观尺度，不仅有面向特定应用的仿真工具，如焊接工艺仿真、铸造仿真，还有可以用于多种工艺的有限元仿真软件等，可以模拟多种不同的材料加工工艺。这些强大的有限元软件工具能够研究热、力学或者流体力学问题，并且能够耦合多种物理现象，实现多物理场耦合求解。

   结论   

近年来，中国航发航材院逐步建立了材料设计与工艺模拟仿真的各类软件系统，有材料设计软件、材料微观结构与性能模拟软件、宏观尺度仿真模拟软件等，为材料设计与优化、材料成形工艺方案制定以及参数优化等研究提供保障。

来源｜中国航发

作者 | 王彦菊

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