2023年CAIA獎二等獎：鎳基高溫合金宏微觀塑變行為及服役穩定性多尺度表征分析
完成單位：哈爾濱工業大學（威海）
完成人：張鵬，朱強，王傳杰，陳剛
成果簡介：本成果面向國家重大戰略需求，瞄準航空發動機及燃氣輪機用鎳基高溫合金先進制造等研究前沿，提出一種結合掃描/透射電子顯微鏡、激光共聚焦顯微鏡、數字圖像相關(DIC)技術和同步輻射X射線原位成像技術的多維度及多尺度的表征方法，開展了鎳基高溫合金宏微觀塑變行為及服役穩定性的多尺度研究。從表面粗糙度、晶粒取向、位錯與界面交互等多角度揭示初始微觀組織對鎳基高溫合金介觀塑變行為的影響機制；從二維靜態和三維動態相結合的角度出發多層次深入分析鎳基高溫合金宏微觀塑變過程中孔洞等缺陷演化行為，揭示其對塑變斷裂行為的影響機制；考慮疲勞極限和初始微觀組織的影響，建立了一種新的疲勞壽命預測模型，其預測精度高于經典的Manson-Coffin壽命模型和Ostergren能量法壽命模型。本成果應用于鋼鐵研究總院有限公司及北京鋼研高納科技股份有限公司，為航空航天領域及艦船發動機動力系統中高溫合金渦輪盤可控制造提供研究基礎。
創新點及科學價值：(1)介觀塑變機制多角度揭示方法可用于研究鎳基高溫合金復雜的塑變機制，明晰不同初始微觀組織對其塑變行為的影響機理，進而針對性優化鎳基高溫合金構件組織以達到控制其塑變行為的目的。(2)宏微觀塑性變形過程缺陷演化的多維度表征技術可用于解決航空發動機用鎳基高溫合金的跨尺度表征與優化設計等核心科學問題，符合我國高端裝備制造的戰略方針，有助于提高我國在航空航天、國防和高端裝備制造領域的核心競爭力。(3)考慮初始微觀組織的低周疲勞壽命預測模型不僅在應變幅普適性上表現出色，其預測誤差同樣保持在較低水平，表明其壽命預測準確性也較為優異。
社會經濟效益：本成果為航空航天領域及艦船發動機動力系統中高溫合金渦輪盤可控制造提供研究基礎，滿足其苛刻服役環境要求，對于其長期服役安全保障具有重要意義。除了航天領域外，中國太空探索的邊界也不斷擴展，深空探索能力持續增強，具有顯著的軍事效益，直接帶動了相關產業的發展。本成果可增強高溫合金構件的安全性、穩定性，大幅提升發動機等相關部件的服役可靠性、降低發動機能源消耗率。該成果也有助于未來用于載人登月、火星探測、木星探測、小行星探測等任務。
應用前景：該成果可應用于艦船燃氣輪機渦輪盤的設計與制造，為航空航天領域及艦船發動機動力系統中高溫合金渦輪盤可控制造提供研究基礎，滿足其苛刻服役環境要求，對于其長期服役安全保障具有重要意義。
