航天|航空航天系统结构材料研究进展综述 ⑾ 波音777|汽车

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江苏激光联盟导读：
航天事业的发展导致对飞机的改进和优化一直成为科学界的热门话题，本文探讨了更好的飞机制造材料，以及不同材质之间的对比。本文为第二部本。

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2.1.4.铝合金设计的新方法
航空航天工业，包括空气框架制造商和发动机制造商，都表示需要新的高温铝合金。它可以在150°C的温度下成功运行，用于超音速机身或发动机部件。出于经济考虑，合金开发不能再使用过去100年中占主导地位的纯经验、试错法。建模和仿真以及实验可用于提高合金设计的效率，优化加工和制造操作。这种方法可以大大缩短合金开发和将新材料插入航空航天系统所需知识库生成的时间。流线型合金设计的一种方法如图14所示。第一步是选择一个系统，该系统提供获得所需微观结构和性能的承诺，以满足所述目标，这是通过广泛的文献搜索和对可用数据的评估来实现的。选择系统后，需要确定提供最大潜力以实现项目目标的相空间。
图14 显示典型合金开发活动主要元素的流程图。
由于相图表示合金状态与温度、压力和合金浓度的函数关系，因此相图可用于确定理想的相场。通常情况下，复杂合金系统的相图尚未确定，必须使用CALPHAD等程序进行计算。该方法基于系统中相竞争的思想，通过对各个相的热力学建模，建立相之间的平衡。根据相稳定性、测量的热力学性质和测量的转变点（包括液相线、固相线、共晶等），对相进行建模。
Kattner的一篇文章对相图计算中热力学函数的使用进行了极好的概述。这种计算减少了确定多组分系统平衡条件所需的工作量。 Dubost阐述了轻合金（如铝）的工业应用和平衡相图的测定。材料设计现在可以被视为预测具有所需性能的合金合成的可用模型的最佳应用。当然，所有的理论计算都必须通过实验来验证，但实验应该基于可靠的理论，而不是尝试错误的方法。
一旦确定了合金系统和相场，可通过位错模拟方法确定最大强度所需的最佳沉淀结构和形态。通过模拟方法获得的知识已在一些铝合金中得到验证。对于高温应用的合金，析出物结构的热稳定性是重要的，必须同时考虑相粗化和相竞争。单一第二相的粗化在热力学上归因于第二相与铝基体之间的总界面能降低的趋势。界面能由化学能和相关应变能组成。
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使用VASP等程序进行的第一性原理计算可用于通过向界面或内部沉淀结构添加选定的微量元素来计算界面能以及总能量和界面能的变化。这种计算将有助于选择微量元素，有望在不使用试错法的情况下减少沉淀的粗化。该程序也可用于验证晶体结构和计算弹性常数。第二相弹性常数的定量数据是确定强化机制的重要基础。这些参数也在决定第二相粒子的习惯面和平衡形状的演化中起作用，因为它们决定了与晶格失配相关的弹性应变能。一旦确定了候选合金，就必须通过机械性能测试等对方法进行评估。但这种方法应能简化合金设计，从而有助于早期插入新的高性能材料。
2.1.5.钛合金在飞机上的应用