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《新材料產業雜志》2014年第八期

一、航材院發展材料基因組技術的思路與實踐

作為國內唯一面向航空，從事航空先進材料應用基礎研究、材料研制與應用技術研究、工程化技術研究、關鍵件研制交付與小批量生產以及型號應用的綜合性科研機構和我國國防科技工業領域高水平材料研究發展中心，中國航空工業集團公司北京航空材料研究院（簡稱“中航工業航材院”）已成為國家科技創新體系和國防科技創新體系的重要組成部分。為積極應對材料研發模式面臨的變革、推動信息化和工業化的深度融合、實現“虛擬技術助推材料發展”的戰略愿景，中航工業航材院于2013年3月年成立了“材料基因組技術研究中心”。材料基因組技術研究中心是航空材料科學與工程集成計算專業的主要依托部門，負責全面推動材料基因組技術在航空材料領域的發展和應用，具體功能見圖3所示。材料基因組技術研究中心同時履行中航工業航空材料數據中心的職能。中航工業航空材料數據中心的前身是1984年成立的航空工業部航空材料數據中心。成立30來，航空材料數據中心開發了多個專用項目的材料數據庫系統，在材料研制和型號設計中發揮了重要作用。近年來，航空材料數據中心整合已有的數據庫和數據資源，開發了“航空材料數據管理與應用平臺”。航空材料數據管理與應用平臺是工業級的材料數據庫系統。該數據庫平臺可同時管理多個材料工程項目和材料研究課題的材料數據，實現了對不同來源、不同工程項目材料數據的統一管理和應用，成為航空材料科學數據的匯交平臺。數據庫設計覆蓋了全面、多層次、可追溯的材料數據。

該平臺材料數據全面，包括材料的基本概述、理化性能、力學性能、工藝性能等各類數據；該平臺設計體現了多層次思想，材料數據包括材料標準值、試驗級的試樣原始數據、試驗處理數據及性能評估曲線、材料設計用數據等不同層次的數據；該平臺可追溯數據的來源、材料廠商、材料批次、試驗單位、試驗人員等材料數據背景信息等詳細記錄，具有豐富的應用功能。作為工業級的材料數據庫，該平臺為工程應用中的不同角色提供了材料數據管理系統、材料數據應用系統和管理員工具，實現了分級控制。從航空材料工業的角度理解，材料基因組技術的內涵是融合材料科學、固體力學、信息科學、軟件工程、先進實驗方法等學科，采用數值模擬技術、數據庫及數據挖掘技術、人工智能技術揭示材料的工藝過程、微/細觀結構、材料性能、服役行為之間的關聯規律，闡明成分、微結構和工藝對性能的控制機制，引導并支撐實體材料的研發和應用的集成計算工程技術。材料基因組技術特點包括多學科系統集成、以實驗支撐計算、材料-工藝-檢測-服役的“全流程覆蓋”等，見圖4。航空工業材料基因組技術的工作范圍包括：基于數據的技術，包括工業級航空材料數據庫設計、開發及數據庫集成應用；基于計算的技術，包括材料成分設計、材料工藝仿真模擬、材料虛擬服役性能模擬；基于實驗的技術，包括極端環境下的模擬考核實驗、材料成分和工藝的快速篩選實驗等，見圖5。

為了實現“虛擬技術助推材料發展”的戰略愿景，中航工業航材院制定了“虛實結合、內外結合、遠近結合”的發展思路。經過50余年的發展，航材院在實體材料的研發、測試等方面積累了雄厚的資源。虛實結合，就是從事材料計算的“虛擬技術”與從事實體材料研發的“實體技術”緊密結合，著眼于實體材料研發急需解決的關鍵問題以及虛擬技術對實體材料研發的促進開展工作。材料基因組技術涉及到原子尺度、介觀尺度、宏觀尺度等多個尺度，學科面廣，只有積極與國內外學術機構和工業研究機構合作，優勢互補，才能得到快速發展。在實施步驟和分階段目標制定上，要“遠近結合”，把遠期目標和近期目標結合起來，頂層設計，分步實施。中航工業航材院材料基因組技術研究中心的近期目標是以中航工業航材院重點專業或產品的關鍵技術為典型應用，形成虛擬技術支撐實體材料研究、開發和驗證的技術途徑，取得提高質量、縮短周期、降低成本的實際成果和示范效應。中長期目標一是使材料基因組技術在新材料研發中發揮重要作用，材料成分設計及工藝模擬融入到產品設計中，使虛擬技術成為航空材料產品流程鏈上的重要一環，從而提升航空材料產品研發、生產的數字化技術水平，推進新材料新工藝的應用，提升產品的生產效率和質量；二是建立材料數據庫及其應用平臺，材料數據管理直通性能檢測試驗室，滿足“高通量”材料檢測數據自動采集、存儲、處理、審核和等管理需求，具備面向行業提供材料信息服務能力，形成我國國防級結構材料數據中心和管理平臺。

二、航空材料研制對材料基因組技術的需求分析

目前中國航空材料研制的主要途徑為大規模的工藝、性能實驗。通過材料基因組技術，可以在材料研發的初期實驗、產品方法、服役行為進行數字化仿真模擬，為實驗提供指導，減少實驗量，加快產品研發和應用的周期。目前由于大量的數值仿真模擬方面的工作中仿真模型所需的參數不完備，或僅僅關注材料研發的某一中間環節，模擬結果缺乏必要的實驗驗證，計算工作對實際材料研發和應用的支撐和指導作用有限。實際工程涉及的材料和工藝繁雜，只有通過計算模擬技術和數據庫/專家系統的集成應用，才能真正做到“虛擬設計、虛擬制造，虛擬樣機”，從而大力推動航空材料工業的發展。為使科學研究的成果最終轉化為工業部門的能力，發展材料基因組技術需要強調需求引導、學科支撐、產學研的協同合作。新材料的研發應用，涉及成分設計、工藝優化、服役性能考核等多個環節，見圖6。通過材料基因組技術“設計”出某種新材料，只是整個研發應用周期中的第一步，要真正應用于型號，還需要進行大量的工作。下文從新材料成分設計、工藝優化、服役性能、材料數據庫等幾個方面，分析航空工業對材料基因組技術的需求。新材料成分設計方面：為了保證我國在航空材料研發方面的持續競爭力，滿足未來航空工業對新材料的重大需求，需要采用材料基因組技術設計新的材料。高溫合金、高性能鋼、鋁合金、鈦合金的新型成分計算涉及第一原理計算、Calphad相圖計算、相場分析等多尺度計算，需要對各種可能組分進行計算篩選，必然帶來高通量、高并發、長時間的大規模計算的需求。

工藝優化方面：目前鑄造、焊接、鍛壓等大型制件和復雜制件的“變形-殘余應力-缺陷”的控制水平需要進一步提高。現階段由于缺乏相關國產材料數據、模型及其參數測定方法和設備，未建立模擬驗證手段，因而建模仿真的可靠性不足。現有能力不能滿足對航空關鍵材料的納觀、微觀、細觀和宏觀特性進行多尺度建模和仿真，對不同工藝過程進行多學科仿真與 化，對不同檢測試驗進行多場耦合分析和性能模擬的需求；現有軟件尚未集成，只能應用于材料工藝流程局部，未打通工藝過程數據鏈。因此，針對工藝仿真需求量大、任務急迫的特點，亟需建設高通量物性測試系統、高并行計算能力的硬件系統和工藝仿真軟件系統，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境包括高溫、高應變率沖擊、高載荷等極端工況，實驗周期長、費用高；制件在服役過程中存在缺陷的萌生、發展、裂紋擴展、失效等一系列損傷演化過程。在材料設計、制造階段對服役行為進行研究，利用集成計算技術對含缺陷制件進行完整性分析，提出檢測和修理的判定標準，可以降低實驗成本、提高飛行的安全性。材料數據庫方面：材料數據庫設計、開發與集成應用是材料基因組技術的重要組成部分。材料研發數據、性能數據和服役數據的收集、整理和集成應用有助于將歷史上積累的隱形經驗顯性化、有助于使服役數據反饋到新材料研制階段形成閉環，從而加快材料研發流程。建立全流程覆蓋的工業級的航空材料數據共享平臺，在互利互惠的基礎上實現材料數據的分級分類共享，促進航空材料工業的發展。

三、結語

十八屆三中全會提出，要建立產學研協同創新機制，強化企業在技術創新中的主體地位，發揮大型企業創新骨干作用，建設國家創新體系。材料基因組技術對材料研發應用的“全流程覆蓋”，并不意味著所有的工作都由同一個部門或單位完成。通過材料基因組計劃，產業部門可以和從事基礎研究的院校或科研單位合作，有所分工、有所側重、協同創新，從而獲得技術創新所需要的持續的學科支持。中航工業航材院將以開放創新的態度，與院校和科研機構合作開展應用基礎研究、與工業研究院所和企業合作開展應用和工程化研究、與企業開展聯合開發合作或轉讓技術，提高我國國防工業的材料研發應用水平，推動制造業的轉型升級。

作者：關永軍益小蘇 單位：中國航空工業集團公司北京航空材料研究院