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《新材料產(chǎn)業(yè)雜志》2014年第八期

一、航材院發(fā)展材料基因組技術(shù)的思路與實(shí)踐

作為國(guó)內(nèi)唯一面向航空，從事航空先進(jìn)材料應(yīng)用基礎(chǔ)研究、材料研制與應(yīng)用技術(shù)研究、工程化技術(shù)研究、關(guān)鍵件研制交付與小批量生產(chǎn)以及型號(hào)應(yīng)用的綜合性科研機(jī)構(gòu)和我國(guó)國(guó)防科技工業(yè)領(lǐng)域高水平材料研究發(fā)展中心，中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司北京航空材料研究院（簡(jiǎn)稱(chēng)“中航工業(yè)航材院”）已成為國(guó)家科技創(chuàng)新體系和國(guó)防科技創(chuàng)新體系的重要組成部分。為積極應(yīng)對(duì)材料研發(fā)模式面臨的變革、推動(dòng)信息化和工業(yè)化的深度融合、實(shí)現(xiàn)“虛擬技術(shù)助推材料發(fā)展”的戰(zhàn)略愿景，中航工業(yè)航材院于2013年3月年成立了“材料基因組技術(shù)研究中心”。材料基因組技術(shù)研究中心是航空材料科學(xué)與工程集成計(jì)算專(zhuān)業(yè)的主要依托部門(mén)，負(fù)責(zé)全面推動(dòng)材料基因組技術(shù)在航空材料領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用，具體功能見(jiàn)圖3所示。材料基因組技術(shù)研究中心同時(shí)履行中航工業(yè)航空材料數(shù)據(jù)中心的職能。中航工業(yè)航空材料數(shù)據(jù)中心的前身是1984年成立的航空工業(yè)部航空材料數(shù)據(jù)中心。成立30來(lái)，航空材料數(shù)據(jù)中心開(kāi)發(fā)了多個(gè)專(zhuān)用項(xiàng)目的材料數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，在材料研制和型號(hào)設(shè)計(jì)中發(fā)揮了重要作用。近年來(lái)，航空材料數(shù)據(jù)中心整合已有的數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)資源，開(kāi)發(fā)了“航空材料數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用平臺(tái)”。航空材料數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用平臺(tái)是工業(yè)級(jí)的材料數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。該數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)可同時(shí)管理多個(gè)材料工程項(xiàng)目和材料研究課題的材料數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同來(lái)源、不同工程項(xiàng)目材料數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理和應(yīng)用，成為航空材料科學(xué)數(shù)據(jù)的匯交平臺(tái)。數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)覆蓋了全面、多層次、可追溯的材料數(shù)據(jù)。

該平臺(tái)材料數(shù)據(jù)全面，包括材料的基本概述、理化性能、力學(xué)性能、工藝性能等各類(lèi)數(shù)據(jù)；該平臺(tái)設(shè)計(jì)體現(xiàn)了多層次思想，材料數(shù)據(jù)包括材料標(biāo)準(zhǔn)值、試驗(yàn)級(jí)的試樣原始數(shù)據(jù)、試驗(yàn)處理數(shù)據(jù)及性能評(píng)估曲線、材料設(shè)計(jì)用數(shù)據(jù)等不同層次的數(shù)據(jù)；該平臺(tái)可追溯數(shù)據(jù)的來(lái)源、材料廠商、材料批次、試驗(yàn)單位、試驗(yàn)人員等材料數(shù)據(jù)背景信息等詳細(xì)記錄，具有豐富的應(yīng)用功能。作為工業(yè)級(jí)的材料數(shù)據(jù)庫(kù)，該平臺(tái)為工程應(yīng)用中的不同角色提供了材料數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、材料數(shù)據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)和管理員工具，實(shí)現(xiàn)了分級(jí)控制。從航空材料工業(yè)的角度理解，材料基因組技術(shù)的內(nèi)涵是融合材料科學(xué)、固體力學(xué)、信息科學(xué)、軟件工程、先進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法等學(xué)科，采用數(shù)值模擬技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)及數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、人工智能技術(shù)揭示材料的工藝過(guò)程、微/細(xì)觀結(jié)構(gòu)、材料性能、服役行為之間的關(guān)聯(lián)規(guī)律，闡明成分、微結(jié)構(gòu)和工藝對(duì)性能的控制機(jī)制，引導(dǎo)并支撐實(shí)體材料的研發(fā)和應(yīng)用的集成計(jì)算工程技術(shù)。材料基因組技術(shù)特點(diǎn)包括多學(xué)科系統(tǒng)集成、以實(shí)驗(yàn)支撐計(jì)算、材料-工藝-檢測(cè)-服役的“全流程覆蓋”等，見(jiàn)圖4。航空工業(yè)材料基因組技術(shù)的工作范圍包括：基于數(shù)據(jù)的技術(shù)，包括工業(yè)級(jí)航空材料數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)及數(shù)據(jù)庫(kù)集成應(yīng)用；基于計(jì)算的技術(shù)，包括材料成分設(shè)計(jì)、材料工藝仿真模擬、材料虛擬服役性能模擬；基于實(shí)驗(yàn)的技術(shù)，包括極端環(huán)境下的模擬考核實(shí)驗(yàn)、材料成分和工藝的快速篩選實(shí)驗(yàn)等，見(jiàn)圖5。

為了實(shí)現(xiàn)“虛擬技術(shù)助推材料發(fā)展”的戰(zhàn)略愿景，中航工業(yè)航材院制定了“虛實(shí)結(jié)合、內(nèi)外結(jié)合、遠(yuǎn)近結(jié)合”的發(fā)展思路。經(jīng)過(guò)50余年的發(fā)展，航材院在實(shí)體材料的研發(fā)、測(cè)試等方面積累了雄厚的資源。虛實(shí)結(jié)合，就是從事材料計(jì)算的“虛擬技術(shù)”與從事實(shí)體材料研發(fā)的“實(shí)體技術(shù)”緊密結(jié)合，著眼于實(shí)體材料研發(fā)急需解決的關(guān)鍵問(wèn)題以及虛擬技術(shù)對(duì)實(shí)體材料研發(fā)的促進(jìn)開(kāi)展工作。材料基因組技術(shù)涉及到原子尺度、介觀尺度、宏觀尺度等多個(gè)尺度，學(xué)科面廣，只有積極與國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)和工業(yè)研究機(jī)構(gòu)合作，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，才能得到快速發(fā)展。在實(shí)施步驟和分階段目標(biāo)制定上，要“遠(yuǎn)近結(jié)合”，把遠(yuǎn)期目標(biāo)和近期目標(biāo)結(jié)合起來(lái)，頂層設(shè)計(jì)，分步實(shí)施。中航工業(yè)航材院材料基因組技術(shù)研究中心的近期目標(biāo)是以中航工業(yè)航材院重點(diǎn)專(zhuān)業(yè)或產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù)為典型應(yīng)用，形成虛擬技術(shù)支撐實(shí)體材料研究、開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證的技術(shù)途徑，取得提高質(zhì)量、縮短周期、降低成本的實(shí)際成果和示范效應(yīng)。中長(zhǎng)期目標(biāo)一是使材料基因組技術(shù)在新材料研發(fā)中發(fā)揮重要作用，材料成分設(shè)計(jì)及工藝模擬融入到產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，使虛擬技術(shù)成為航空材料產(chǎn)品流程鏈上的重要一環(huán)，從而提升航空材料產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)的數(shù)字化技術(shù)水平，推進(jìn)新材料新工藝的應(yīng)用，提升產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和質(zhì)量；二是建立材料數(shù)據(jù)庫(kù)及其應(yīng)用平臺(tái)，材料數(shù)據(jù)管理直通性能檢測(cè)試驗(yàn)室，滿足“高通量”材料檢測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、存儲(chǔ)、處理、審核和等管理需求，具備面向行業(yè)提供材料信息服務(wù)能力，形成我國(guó)國(guó)防級(jí)結(jié)構(gòu)材料數(shù)據(jù)中心和管理平臺(tái)。

二、航空材料研制對(duì)材料基因組技術(shù)的需求分析

目前中國(guó)航空材料研制的主要途徑為大規(guī)模的工藝、性能實(shí)驗(yàn)。通過(guò)材料基因組技術(shù)，可以在材料研發(fā)的初期實(shí)驗(yàn)、產(chǎn)品方法、服役行為進(jìn)行數(shù)字化仿真模擬，為實(shí)驗(yàn)提供指導(dǎo)，減少實(shí)驗(yàn)量，加快產(chǎn)品研發(fā)和應(yīng)用的周期。目前由于大量的數(shù)值仿真模擬方面的工作中仿真模型所需的參數(shù)不完備，或僅僅關(guān)注材料研發(fā)的某一中間環(huán)節(jié)，模擬結(jié)果缺乏必要的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，計(jì)算工作對(duì)實(shí)際材料研發(fā)和應(yīng)用的支撐和指導(dǎo)作用有限。實(shí)際工程涉及的材料和工藝繁雜，只有通過(guò)計(jì)算模擬技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)/專(zhuān)家系統(tǒng)的集成應(yīng)用，才能真正做到“虛擬設(shè)計(jì)、虛擬制造，虛擬樣機(jī)”，從而大力推動(dòng)航空材料工業(yè)的發(fā)展。為使科學(xué)研究的成果最終轉(zhuǎn)化為工業(yè)部門(mén)的能力，發(fā)展材料基因組技術(shù)需要強(qiáng)調(diào)需求引導(dǎo)、學(xué)科支撐、產(chǎn)學(xué)研的協(xié)同合作。新材料的研發(fā)應(yīng)用，涉及成分設(shè)計(jì)、工藝優(yōu)化、服役性能考核等多個(gè)環(huán)節(jié)，見(jiàn)圖6。通過(guò)材料基因組技術(shù)“設(shè)計(jì)”出某種新材料，只是整個(gè)研發(fā)應(yīng)用周期中的第一步，要真正應(yīng)用于型號(hào)，還需要進(jìn)行大量的工作。下文從新材料成分設(shè)計(jì)、工藝優(yōu)化、服役性能、材料數(shù)據(jù)庫(kù)等幾個(gè)方面，分析航空工業(yè)對(duì)材料基因組技術(shù)的需求。新材料成分設(shè)計(jì)方面：為了保證我國(guó)在航空材料研發(fā)方面的持續(xù)競(jìng)爭(zhēng)力，滿足未來(lái)航空工業(yè)對(duì)新材料的重大需求，需要采用材料基因組技術(shù)設(shè)計(jì)新的材料。高溫合金、高性能鋼、鋁合金、鈦合金的新型成分計(jì)算涉及第一原理計(jì)算、Calphad相圖計(jì)算、相場(chǎng)分析等多尺度計(jì)算，需要對(duì)各種可能組分進(jìn)行計(jì)算篩選，必然帶來(lái)高通量、高并發(fā)、長(zhǎng)時(shí)間的大規(guī)模計(jì)算的需求。

工藝優(yōu)化方面：目前鑄造、焊接、鍛壓等大型制件和復(fù)雜制件的“變形-殘余應(yīng)力-缺陷”的控制水平需要進(jìn)一步提高。現(xiàn)階段由于缺乏相關(guān)國(guó)產(chǎn)材料數(shù)據(jù)、模型及其參數(shù)測(cè)定方法和設(shè)備，未建立模擬驗(yàn)證手段，因而建模仿真的可靠性不足?，F(xiàn)有能力不能滿足對(duì)航空關(guān)鍵材料的納觀、微觀、細(xì)觀和宏觀特性進(jìn)行多尺度建模和仿真，對(duì)不同工藝過(guò)程進(jìn)行多學(xué)科仿真與 化，對(duì)不同檢測(cè)試驗(yàn)進(jìn)行多場(chǎng)耦合分析和性能模擬的需求；現(xiàn)有軟件尚未集成，只能應(yīng)用于材料工藝流程局部，未打通工藝過(guò)程數(shù)據(jù)鏈。因此，針對(duì)工藝仿真需求量大、任務(wù)急迫的特點(diǎn)，亟需建設(shè)高通量物性測(cè)試系統(tǒng)、高并行計(jì)算能力的硬件系統(tǒng)和工藝仿真軟件系統(tǒng)，提高重要材料制件的工藝控制水平。服役性能方面：航空材料制件的服役環(huán)境包括高溫、高應(yīng)變率沖擊、高載荷等極端工況，實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)、費(fèi)用高；制件在服役過(guò)程中存在缺陷的萌生、發(fā)展、裂紋擴(kuò)展、失效等一系列損傷演化過(guò)程。在材料設(shè)計(jì)、制造階段對(duì)服役行為進(jìn)行研究，利用集成計(jì)算技術(shù)對(duì)含缺陷制件進(jìn)行完整性分析，提出檢測(cè)和修理的判定標(biāo)準(zhǔn)，可以降低實(shí)驗(yàn)成本、提高飛行的安全性。材料數(shù)據(jù)庫(kù)方面：材料數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)與集成應(yīng)用是材料基因組技術(shù)的重要組成部分。材料研發(fā)數(shù)據(jù)、性能數(shù)據(jù)和服役數(shù)據(jù)的收集、整理和集成應(yīng)用有助于將歷史上積累的隱形經(jīng)驗(yàn)顯性化、有助于使服役數(shù)據(jù)反饋到新材料研制階段形成閉環(huán)，從而加快材料研發(fā)流程。建立全流程覆蓋的工業(yè)級(jí)的航空材料數(shù)據(jù)共享平臺(tái)，在互利互惠的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)材料數(shù)據(jù)的分級(jí)分類(lèi)共享，促進(jìn)航空材料工業(yè)的發(fā)展。

三、結(jié)語(yǔ)

十八屆三中全會(huì)提出，要建立產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新機(jī)制，強(qiáng)化企業(yè)在技術(shù)創(chuàng)新中的主體地位，發(fā)揮大型企業(yè)創(chuàng)新骨干作用，建設(shè)國(guó)家創(chuàng)新體系。材料基因組技術(shù)對(duì)材料研發(fā)應(yīng)用的“全流程覆蓋”，并不意味著所有的工作都由同一個(gè)部門(mén)或單位完成。通過(guò)材料基因組計(jì)劃，產(chǎn)業(yè)部門(mén)可以和從事基礎(chǔ)研究的院校或科研單位合作，有所分工、有所側(cè)重、協(xié)同創(chuàng)新，從而獲得技術(shù)創(chuàng)新所需要的持續(xù)的學(xué)科支持。中航工業(yè)航材院將以開(kāi)放創(chuàng)新的態(tài)度，與院校和科研機(jī)構(gòu)合作開(kāi)展應(yīng)用基礎(chǔ)研究、與工業(yè)研究院所和企業(yè)合作開(kāi)展應(yīng)用和工程化研究、與企業(yè)開(kāi)展聯(lián)合開(kāi)發(fā)合作或轉(zhuǎn)讓技術(shù)，提高我國(guó)國(guó)防工業(yè)的材料研發(fā)應(yīng)用水平，推動(dòng)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。

作者：關(guān)永軍益小蘇 單位：中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司北京航空材料研究院