5-8、高温合金复杂铸件集成计算材料工程与智能制造

汪东红，疏达^*，康茂东，孙宝德

上海市先进高温材料及其精密成形重点实验室（上海交通大学），上海交通大学材料基因组联合研究中心

摘要：先进航空发动机高温合金关键热端部件的研发与制造水平是国家核心竞争力的重要体现。英国罗罗公司、伯明翰大学和美国 GE 公司等采用集成计算材料工程方法开展镍基高温合金设计，大大缩短了研发周期。但我国长期依赖于大量经验积累和简单循环试错为特征的“经验寻优”方式，其科学性差、偶然性大，造成成品率低、周期长和成本高，因而高温合金研发与构件制备的整体水平与先进国家仍有较大差距。数字化、智能化、精准化和低消耗是高温合金大型铸件成型的发展方向，要求铸造过程由“经验+试验”向“组织结构-性能-工艺”关联模型指导实验、由试错法中的多次顺序迭代向自动流程高效计算与智能模型优化的新模式转变，以缩短研发周期、降低生产成本。

本研究采用数值模拟计算铸件凝固过程的宏观温度场与流场，获取铸件局部凝固参数数据；通过合金凝固传输过程的格子玻尔兹曼（LB）模型，耦合基于元胞自动机（CA）方法的多元合金枝晶生长模型，模拟了凝固微观组织的演化过程。采用晶粒度和疏松指数等作为输入参数，以抗拉强度和伸长率作为输出参数构建了“组织-缺陷-力学性能”预测模型。基于熔化/凝固高通量试验方法构建凝固参数与凝固组织的预测模型。在获取铸件“结构-组织-性能-工艺”之间的关联基础上，构建铸造过程输入变量参数与缩松缺陷与工艺出品率的数据流与软件流传递的数字化计算平台，在此基础上，融合高斯法GP、Kriging插值法、K近邻、径向基函数RBF、神经网络NN等算法，对铸件的缩松缺陷和工艺出品率进行多目标智能优化。

基于数据挖掘获得了大型铸件本体试样显微疏松缺陷与拉伸力学性能之间关系模型；基于高通量实验，可以获得温度梯度为1-40℃/mm，凝固速率为0.25-10mm/s的凝固组织，构建了凝固参数与二次枝晶间距的关系，加速了研究效率；基于多目标寻优算法对铸件冒口进行优化设计，铸件本体无缺陷的同时工艺出品率提升了10%以上。

以铸造工艺设计参数为输入，铸件工艺出品率、凝固缺陷与组织性能作为输出变量，实现铸造软件自动流程计算与数据自动传递，并融合机器学习算法，形成智能铸造软件系统，将加速航空发动机高温合金复杂铸件研发与应用。

关键词：高温合金；铸件；集成计算材料工程；智能设计；高通量试验

通讯作者：疏达，电话：021-54742683，Email: dshu@sjtu.edu.cn

DOI:10.12110/secondfmge.20181014.508