高温合金耐磨材料设计课题申报书

高温合金耐磨材料设计课题申报书一、封面内容

项目名称：高温合金耐磨材料设计课题研究

申请人姓名及联系方式：张明，zhangming@

所属单位：国家材料科学与工程研究院

申报日期：2023年10月26日

项目类别：应用研究

二．项目摘要

高温合金作为航空发动机、燃气轮机等关键装备的核心材料，其耐磨性能直接影响设备服役寿命和可靠性。当前，高温合金在极端工况下（如高温、高应力、腐蚀介质）的磨损问题日益突出，亟需开发新型耐磨材料以满足严苛应用需求。本项目聚焦于高温合金耐磨材料的设计与优化，旨在通过多尺度多物理场耦合方法，揭示材料微观结构-性能关系，构建耐磨材料设计理论体系。研究将采用第一性原理计算、分子动力学模拟和实验验证相结合的技术路线，重点探究纳米复合涂层、梯度结构材料及表面改性技术在提升高温合金耐磨性能中的应用。具体而言，项目将系统研究不同基体合金、硬质相种类与分布、界面结合强度等因素对材料耐磨性的影响，建立基于机器学习的材料性能预测模型。预期成果包括：提出高温合金耐磨材料的设计准则，开发3-5种具有优异耐磨性能的新型材料，并获得相关性能表征数据和理论模型，为高温合金在航空航天领域的应用提供关键技术支撑。本项目研究成果将显著提升我国高温装备材料自主创新能力，并推动相关产业的技术升级。

三.项目背景与研究意义

1.研究领域现状、存在的问题及研究的必要性

高温合金因其优异的高温强度、抗蠕变性、抗氧化性和抗腐蚀性，已成为现代航空发动机、燃气轮机、航天发动机等高温装备的核心材料。这些装备在服役过程中，特别是在涡轮叶片、燃烧室喷管等关键部件，长期承受着高温、高应力、高速气流冲刷以及复杂化学环境的协同作用，导致严重的磨损、氧化和热腐蚀问题，严重限制了装备的可靠性和使用寿命。据统计，材料磨损导致的失效占航空发动机总故障的近30%，已成为制约我国高端装备制造业发展的瓶颈之一。

当前，高温合金耐磨材料的研究主要集中在以下几个方面：一是通过合金元素优化设计基体合金，以提升材料的内在耐磨性；二是发展表面工程技术，如化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）等方法制备耐磨涂层，以隔离基体材料与恶劣工况的直接接触；三是探索纳米结构材料的潜力，如纳米晶高温合金、纳米复合涂层等，利用纳米尺度效应改善材料的力学性能和耐磨性。

然而，现有研究仍面临诸多挑战和问题。首先，基体合金的耐磨性提升往往以牺牲高温强度或抗氧化性为代价，难以实现性能的全面优化。其次，现有表面涂层与基体的结合强度不足、高温稳定性差、制备成本高昂等问题普遍存在，限制了其大规模应用。再次，对于高温合金在极端工况下的磨损机理，特别是微观结构演变与宏观性能劣化的内在关联，尚未形成系统的认知和理论指导。此外，传统材料设计方法主要依赖经验试错和实验摸索，效率低下，难以满足快速发展的技术需求。特别是在复杂工况下，如高应力与冲蚀耦合作用下的磨损行为，现有研究尚缺乏深入系统的理解。

因此，开展高温合金耐磨材料设计课题研究具有极其重要的必要性。通过深入理解材料磨损机理，建立微观结构-性能关系模型，并发展高效的材料设计方法，有望突破现有技术瓶颈，开发出兼具优异耐磨性、高温强度和抗氧化性的新型高温合金材料，为提升我国高端装备制造业的核心竞争力提供关键支撑。本项目旨在通过理论计算、模拟仿真和实验验证相结合的多尺度研究策略，系统揭示高温合金耐磨材料的构效关系，构建材料设计理论框架，开发新型耐磨材料，为实现高温合金材料性能的精准设计和调控提供科学依据和技术方案。

2.项目研究的社会、经济或学术价值

本项目的研究不仅具有重要的学术价值，更具有显著的社会和经济效益。

在学术价值方面，本项目将推动材料科学、力学、物理学等多学科交叉融合的发展。通过采用第一性原理计算、分子动力学模拟、相场模拟等先进计算方法，结合实验验证，深入探究高温合金耐磨材料在原子尺度、纳米尺度乃至宏观尺度的行为规律，揭示磨损过程中微观结构演变、相变、裂纹萌生与扩展等关键科学问题。这将有助于建立更为完善的高温合金磨损机理理论体系，丰富和发展材料设计理论，为复杂工况下材料性能预测和设计提供新的理论视角和方法论。此外，本项目将探索机器学习等技术在材料性能预测和设计中的应用，开发基于数据驱动的材料设计新范式，推动计算材料科学的发展，提升我国在该领域的国际学术影响力。

在经济价值方面，本项目研究成果将直接服务于我国高端装备制造业的发展，具有巨大的经济效益。高温合金是航空发动机、燃气轮机等战略性产业的核心材料，其性能提升直接关系到国家能源安全和国防工业现代化水平。本项目开发的新型耐磨高温合金材料，有望显著延长航空发动机等关键装备的使用寿命，降低维护成本，提高设备运行可靠性和效率，创造巨大的经济价值。例如，发动机寿命延长10%，可大幅降低航班运营成本，提高经济效益。同时，本项目的发展也将带动相关材料制备、检测、应用等产业链的技术升级，促进我国从高温合金材料大国向材料强国转变，提升产业核心竞争力。此外，本项目的研究成果还可能应用于其他高温、高磨损领域的材料设计，如能源、冶金、交通运输等，具有广阔的市场应用前景。

在社会价值方面，本项目的研究成果将有力支撑国家重大战略需求，提升国家综合实力。高温合金材料的性能瓶颈是制约我国高端装备制造业发展的“卡脖子”问题之一。本项目通过突破高温合金耐磨材料的设计与制备技术，将直接提升我国在航空发动机、燃气轮机等领域的自主研发能力，减少对进口材料的依赖，保障国家能源安全和战略安全。同时，本项目的研究将培养一批高水平的材料科学研究人才，为我国材料科学事业的发展提供智力支持。此外，本项目的实施也将促进产学研合作，推动科技成果转化，为区域经济发展注入新的活力。

四.国内外研究现状

1.国外研究现状

国外在高温合金耐磨材料领域的研究起步较早，技术积累较为深厚，尤其在航空发动机用高温合金材料方面处于领先地位。美国、欧洲（以德国和法国为代表）以及俄罗斯在高温合金材料的设计、制备和应用方面拥有悠久的历史和丰富的经验，其研究成果广泛应用于先进军用和民用航空发动机。美国通用电气（GE）、普惠（P&W）等公司开发的先进单晶和定向凝固高温合金，如GE的GG2440、P&W的MCrAlY等，已在航空发动机上得到广泛应用，并不断追求性能提升。

在耐磨高温合金设计方面，国外研究主要聚焦于以下几个方面：首先，合金元素优化。研究者通过系统性的合金设计，探索过渡金属元素（如钨W、钼Mo、铼Re）、铝Al、硅Si等元素对高温合金基体高温强度、抗氧化性和耐磨性的协同影响。例如，大量研究表明，适量添加W、Mo元素可以有效提高合金的耐磨性和抗热腐蚀性，但过量添加可能导致高温性能恶化或脆性增加。其次，微观结构调控。国外学者深入研究了晶粒尺寸、γ'相析出行为、γ/γ'相分布、表面硬化层结构等对高温合金耐磨性能的影响。例如，通过控制晶粒尺寸在纳米或亚微米级别，可以显著提高合金的强韧性；优化γ'相的尺寸、形貌和分布，可以平衡强度与塑性；发展梯度结构和双相合金等，旨在提升材料在复杂应力状态下的耐磨性能。第三，表面工程技术。国外在耐磨涂层领域投入了大量研发资源，发展了多种CVD和PVD涂层技术，如CrN、Al2O3、SiC、TiN基涂层等，并注重涂层与基体的结合强度、高温稳定性及与底层涂层的协同作用。第四，耐磨机理研究。国外研究者利用先进的原位观察技术和仿真计算手段，深入探究高温合金在不同磨损机制（如粘着磨损、磨粒磨损、冲蚀磨损、疲劳磨损等）下的磨损行为和机理。例如，通过透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）等观察磨损表面的微观形貌，结合X射线衍射（XRD）、电子背散射衍射（EBSD）等分析技术，揭示磨损过程中微观结构的变化规律。同时，分子动力学、相场模拟等计算方法被广泛应用于模拟原子尺度的磨损过程，预测材料性能。

尽管取得了显著进展，国外研究仍面临挑战。例如，对于极端工况下（如极高温度、强冲击、腐蚀与磨损耦合）的磨损机理理解仍不深入；如何实现耐磨性、高温强度、抗氧化性和抗腐蚀性的完美平衡仍然是重大难题；开发环境友好、成本可控的新型耐磨材料和技术也是研究热点。此外，计算材料学与实验验证的结合仍需加强，以更高效地指导材料设计。

2.国内研究现状

我国高温合金材料的研究起步相对较晚，但发展迅速，特别是在国防和航空航天需求的驱动下，取得了一系列重要成果。以中国航空工业集团、中国航天科技集团等为代表的科研机构和企业在高温合金领域建立了完整的研发体系，开发出了一系列国产高温合金材料，如K4、K6、DD6、DD8等，部分材料已接近或达到国际先进水平。

国内高温合金耐磨材料的研究主要集中在以下几个方面：首先，基体合金的改性研究。国内学者通过添加新型合金元素、调整传统元素含量、发展新型显微（如纳米晶、非等轴晶）等方式，努力提升国产高温合金的耐磨性能。例如，有研究通过添加V、Cr等元素改善合金的抗氧化性和耐磨性；通过控制凝固工艺获得细小且分布均匀的γ/γ'相，提升合金的强韧性及耐磨性。其次，表面工程技术的研究与应用。国内在高温合金基体上制备耐磨涂层方面开展了大量工作，包括NiCrAlY自熔合金涂层、WC/Co硬质合金涂层、CrN基化合物涂层等。研究者致力于提高涂层与基体的结合强度、涂层的高温稳定性和耐磨性，并探索新型涂层体系。第三，磨损机理的探索。国内学者利用各种实验手段研究了国产高温合金在不同工况下的磨损行为，揭示了磨损机制与材料成分、微观结构、服役条件之间的关系。例如，针对航空发动机涡轮叶片等部件的磨损问题，研究了热疲劳、蠕变与磨损的耦合作用。第四，计算模拟方法的探索。近年来，国内学者开始利用第一性原理计算、分子动力学等模拟方法研究高温合金的耐磨机理，并尝试构建材料性能预测模型，但与国外相比，计算精度和模拟尺度仍有提升空间。

尽管国内研究取得了长足进步，但仍存在一些亟待解决的问题和研究空白。首先，与国外先进水平相比，我国在高温合金耐磨材料的基础理论研究方面仍有差距，对复杂工况下磨损机理的认识不够深入系统。其次，材料设计能力有待提升，现有设计多依赖经验规律和少量实验数据，缺乏系统性的理论指导和高效的预测工具。第三，部分国产高温合金材料的综合性能（特别是耐磨、高温强度、抗氧化性的协同）与国外先进水平相比仍有差距，难以满足最先进航空发动机的需求。第四，表面涂层技术的研究与应用与国际先进水平相比仍有差距，涂层体系的种类、性能稳定性、制备工艺的成熟度等方面有待提高。第五，计算模拟与实验验证的结合不够紧密，基于模拟的材料设计效率不高。此外，高温合金耐磨材料的制备成本控制和工业化应用推广也是需要关注的问题。

总体而言，国内外在高温合金耐磨材料领域均取得了显著进展，但同时也面临着共同的挑战和机遇。深入理解磨损机理、开发高效的材料设计方法、创造性能更优异的新型材料，仍然是该领域持续研究的重点方向。本项目拟在借鉴国内外研究经验的基础上，聚焦于高温合金耐磨材料的设计理论与方法，力争取得创新性成果，为提升我国高温合金材料性能和自主创新能力做出贡献。

五.研究目标与内容

1.研究目标

本项目旨在通过多尺度、多物理场耦合的研究方法，系统揭示高温合金耐磨材料的构效关系，构建耐磨材料设计理论体系，开发具有优异耐磨性能的新型材料，为我国高端装备制造业提供关键材料支撑。具体研究目标如下：

（1）系统揭示高温合金耐磨材料在复杂工况下的磨损机理。深入理解不同磨损机制（如粘着磨损、磨粒磨损、冲蚀磨损及其耦合）与材料成分、微观结构（晶粒尺寸、相组成、分布、界面特征等）之间的关系，阐明磨损过程中微观结构演变、性能劣化的内在规律。

（2）建立高温合金耐磨材料的微观结构-性能关系模型。基于第一性原理计算、分子动力学模拟和相场模拟等计算方法，结合实验数据，定量建立关键微观结构特征（如原子排列、相界能、缺陷类型与密度等）与宏观耐磨性能（如磨损率、维氏硬度、耐磨寿命等）之间的定量关系或统计模型。

（3）发展基于多尺度模拟的材料性能预测方法。利用机器学习、深度学习等技术，整合计算模拟数据和实验数据，构建高温合金耐磨材料性能的高效预测模型，实现对材料耐磨性能的快速、准确预测。

（4）设计并制备新型高性能高温合金耐磨材料。基于构建的构效关系模型和性能预测方法，设计具有特定微观结构的新型合金成分和表面改性方案，通过实验制备样品，并系统评价其耐磨性能及综合力学性能。

（5）形成高温合金耐磨材料的设计准则与理论体系。总结研究成果，提出高温合金耐磨材料的设计原则和优化策略，为实际工程应用提供理论指导和材料选择依据，构建一套相对完善的高温合金耐磨材料设计理论框架。

2.研究内容

为实现上述研究目标，本项目将围绕以下几个方面的研究内容展开：

（1）高温合金耐磨磨损机理的深入研究

***具体研究问题：**不同合金体系（如镍基、钴基）的高温合金在高温（800-1100°C）、不同载荷（10-1000N）、不同滑动速度（0.01-10m/s）以及不同环境（空气、含腐蚀性气体）下的磨损机制是什么？微观结构（晶粒尺寸、γ/γ'相尺寸与分布、涂层结构）如何影响磨损机制的转变？磨损过程中微观结构（如相界迁移、析出相破碎、亚表面裂纹）发生怎样的演变？磨损损伤如何从微观尺度累积到宏观尺度？

***研究假设：**高温合金的耐磨性主要取决于其抵抗粘着、磨粒和氧化（或腐蚀）磨损的能力。晶粒尺寸的细化、硬质相（γ'相、MC相等）的有效弥散析出和强化作用、以及涂层与基体的良好结合是提升耐磨性的关键因素。磨损过程中，微观结构的不均匀性是裂纹萌生和扩展的优先区域。不同磨损机制之间存在复杂的相互作用，例如氧化膜的形成和破裂会显著影响磨粒磨损的行为。

***研究方法：**设计系列不同成分和微观结构的高温合金样品及表面涂层；在可控气氛的磨损试验机上进行干摩擦、湿摩擦、冲蚀等磨损实验，系统测量磨损率、摩擦系数、表面形貌、磨损体积等；利用SEM、TEM、EDS、EBSD、XRD等手段对磨损表面和亚表面进行微观结构表征；结合环境敏感的测试技术（如原位XPS、AES）分析磨损过程中的界面反应和氧化膜演变。

（2）高温合金耐磨材料微观结构-性能关系模型的构建

***具体研究问题：**高温合金的耐磨性能（如硬度、磨损率）如何定量依赖于其微观结构特征（如晶粒尺寸、γ'相体积分数、尺寸、分布、弥散度、界面能、缺陷类型与浓度等）？是否存在最佳的微观结构组合以实现优异的耐磨性能？如何通过计算模拟预测这些微观结构特征？

***研究假设：**高温合金的耐磨性能与其微观结构之间存在复杂的非线性关系。存在一个“最佳结构区间”，在这个区间内，材料能够平衡固溶强化、沉淀强化、晶界强化以及可能的位错强化等多种强化机制。例如，过小的晶粒尺寸可能导致脆性增加，而过大的γ'相尺寸或聚集可能成为裂纹萌生点。通过精确控制各显微成分的尺寸、形态和分布，可以实现对材料耐磨性能的显著调控。

***研究方法：**利用第一性原理计算研究不同原子组分和缺陷对原子尺度的力学性质和化学活性的影响；利用分子动力学模拟不同温度、应力下原子层面的滑移、扩散和损伤过程，模拟不同微观结构（如不同晶粒尺寸、不同γ'相分布）的耐磨行为；利用相场模拟研究微观结构的演变动力学及其对宏观性能的影响；结合实验数据，利用统计方法（如回归分析、人工神经网络）建立微观结构特征与宏观性能之间的定量模型或预测关系。

（3）基于多尺度模拟的材料性能预测方法的发展

***具体研究问题：**如何利用计算模拟产生的海量数据结合机器学习算法，建立高效、准确的高温合金耐磨性能预测模型？该模型能否有效整合不同尺度（原子、纳米、宏观）的信息？模型的泛化能力和可解释性如何？

***研究假设：**通过特征工程从多尺度计算模拟数据中提取能够有效表征材料微观结构和潜在性能的关键特征，结合适当的机器学习模型（如支持向量机、随机森林、深度神经网络），可以构建出能够准确预测高温合金耐磨性能的模型。这些模型能够显著缩短材料研发周期，降低实验成本，并为反向设计提供指导。

***研究方法：**收集和整理已有的高温合金计算模拟和实验数据；开发特征提取算法，从不同尺度的模拟结果（如力-位移曲线、原子轨迹、相场演化数据）中提取表征材料结构和性能的特征；选择和训练机器学习模型，优化模型参数，评估模型的预测精度和泛化能力；对模型的可解释性进行分析，理解预测结果背后的物理机制；将训练好的模型集成到材料设计流程中，进行反向设计验证。

（4）新型高温合金耐磨材料的设计与制备

***具体研究问题：**基于构建的构效关系模型和性能预测方法，可以设计出哪些具有优异耐磨性能的新型高温合金成分方案和表面改性方案？这些设计方案的可实现性如何？实验制备的材料是否达到预期性能？

***研究假设：**通过理论计算和性能预测模型的指导，可以设计出具有特定微观结构（如超细晶、梯度结构、特殊弥散相）的新型高温合金基体材料，以及与基体具有良好结合、具有特殊耐磨机制的新型表面涂层。实验制备的材料能够体现出预测的优异耐磨性能，并在高温强度和抗氧化性方面满足基本要求。

***研究方法：**基于构效关系模型和性能预测模型，提出具体的材料成分设计方案（如调整合金元素比例）和表面处理方案（如涂层类型、厚度、界面设计）；采用合适的材料制备技术（如真空电弧熔炼、定向凝固、等离子喷涂、物理气相沉积等）制备新型合金样品和涂层样品；利用上述研究内容（1）中提到的实验表征和性能测试方法，系统评价所制备材料的微观结构、力学性能（硬度、强度等）和耐磨性能（不同工况下的磨损率、寿命等）；与基线材料进行对比，验证新设计材料的性能提升效果。

（5）高温合金耐磨材料设计准则与理论体系的形成

***具体研究问题：**如何总结本项目的研究成果，提炼出高温合金耐磨材料的设计原则和优化策略？如何构建一套相对完整的高温合金耐磨材料设计理论框架，能够指导未来的研究和材料开发？

***研究假设：**通过系统性的研究，可以识别出影响高温合金耐磨性能的关键因素及其相互作用规律，并据此提出一套实用的材料设计准则。这些准则应能指导工程师根据具体应用需求选择或设计合适的材料成分和微观结构。同时，可以整合本项目及已有研究的主要发现，构建一个包含磨损机理、构效关系、设计方法等在内的高温合金耐磨材料理论框架。

***研究方法：**整理和分析本项目获得的所有数据和研究成果，包括实验数据、模拟结果、模型预测；系统梳理高温合金耐磨材料领域的关键科学问题和现有研究基础；基于构效关系模型和性能预测方法，提炼出具有指导意义的设计原则和优化策略；撰写研究总结报告和学术论文，提出高温合金耐磨材料的设计理论框架；学术交流，与领域内专家讨论研究成果，推动理论体系的完善和共识形成。

六.研究方法与技术路线

1.研究方法、实验设计、数据收集与分析方法

本项目将采用理论计算、数值模拟和实验验证相结合的多尺度、多学科交叉研究方法，系统开展高温合金耐磨材料的设计研究。具体研究方法、实验设计、数据收集与分析方法如下：

（1）研究方法

***理论计算：**采用密度泛函理论（DFT）方法，利用VASP等计算软件，研究高温合金中关键合金元素原子、点缺陷（空位、间隙原子等）、位错等对原子尺度力学性质（如键长、键能、形成能、声子谱）和化学性质（如表面能、吸附能）的影响，为理解材料基础性质和耐磨机理提供理论依据。计算将基于赝势泛函，选取合适的交换关联泛函（如PBE、HSE06），并考虑核心电子的projector-augmentedwave(PAW)方法。

***分子动力学（MD）模拟：**采用NPT（恒定压强-体积-温度）、NVE（恒定原子数-体积-温度）等系综，利用LAMMPS、MolecularDynamicsSimulation等模拟软件，构建包含数百万至数十亿原子的高温合金模型。模拟将重点关注不同磨损机制（如粘着、磨粒、冲蚀）的原子尺度过程，研究原子层面的位移、滑移、损伤、扩散以及微观结构（如晶界运动、γ'相析出与破碎）的演变。采用合适的力场（如嵌入原子方法EAM、张量力场、结合键长-角-张力（Boltzmann）方法的混合力场），并考虑温度、应力、剪切速率等边界条件，模拟材料在高温（通过系综或速度标度实现）和不同工况下的响应。

***相场模拟（PFM）：**采用PhaseFieldMethod等模拟软件，建立高温合金微观结构演变模型。模拟将能够处理多相场的耦合演化，研究在热应力、机械应力、化学驱动力作用下，晶粒长大、γ/γ'相析出、溶解、迁移、形貌演变等过程，并预测这些微观结构演变对宏观性能（如硬度、耐磨性）的影响。

***机器学习（ML）与（）：**利用Python等编程语言，结合Scikit-learn、TensorFlow、PyTorch等库，开发机器学习模型。通过整合DFT计算、MD模拟、PFM模拟产生的大量数据以及部分实验数据，构建高温合金耐磨性能（如硬度、磨损率）的预测模型。采用特征工程、模型选择（如支持向量回归SVR、随机森林RF、神经网络NN）、模型训练与优化、模型评估（如交叉验证、R²、RMSE）等技术，建立高效、准确的性能预测工具，并探索模型的可解释性。

（2）实验设计

***材料制备：**设计并制备一系列具有梯度成分或特定微观结构的高温合金样品。采用真空感应熔炼、电弧重熔等方法制备母合金，然后通过等温处理、热等静压（HIP）等工艺优化。对于表面涂层，采用等离子喷涂、物理气相沉积（PVD/CVD）等技术制备不同类型（如CrN、Al₂O₃、WC/Co、MCrAlY等）和结构的涂层，并优化涂层与基体的结合强度。

***磨损实验：**在MM-200型或类似磨损试验机上进行干摩擦磨损实验，采用球盘磨损模式（GCr15球对试样），控制法向载荷（10N-1000N）、滑动速度（0.01m/s-10m/s）、滑动距离或时间。在MM-1000型或类似冲蚀试验机上进行冲蚀磨损实验，采用不同角度（0°-90°）的水射流或钢球冲蚀，控制冲击压力、冲击角度、流速/转速。在特定实验装置上进行高温磨损实验，模拟实际服役环境。设计实验方案时，确保不同组别材料具有可比性，并覆盖关键参数范围。

***材料表征：**利用SEM（配备EDS、EBSD、能谱分析）、TEM（配备选区电子衍射、高分辨透射电子显微镜）、XRD（X射线衍射）、AFM（原子力显微镜）、显微硬度计等设备，对材料的微观结构、相组成、晶粒尺寸、相界特征、表面形貌、硬度等进行表征。

（3）数据收集与分析方法

***数据收集：**系统收集所有理论计算、数值模拟和实验测试的数据。计算数据包括原子能量、力、位移、结构参数等。模拟数据包括原子轨迹、能量变化、相场演化历史等。实验数据包括磨损率（体积磨损/载荷距离）、摩擦系数、维氏硬度、表面形貌（划痕、犁沟、麻点）、微区成分（EDS）、微观结构（SEM/TEM/EBSD/XRD）等。

***数据分析：**

***统计与比较分析：**对实验数据进行统计分析（如方差分析ANOVA、回归分析），比较不同材料、不同工况下的性能差异，评估各因素对耐磨性能的影响程度。

***模型拟合与验证：**利用回归分析、多项式拟合等方法，建立微观结构参数与宏观性能之间的定量关系式。利用机器学习方法，对收集的数据进行训练和验证，评估模型的预测精度和泛化能力。

***机理分析：**结合实验观测和模拟结果，分析磨损过程中的微观机制，如粘着行为、磨粒脱落机制、氧化膜破坏方式、裂纹扩展路径等，阐明构效关系的内在物理化学原理。

***多尺度关联分析：**尝试将不同尺度（原子、纳米、宏观）的数据和模型进行关联，例如，将MD模拟得到的原子尺度应力分布与实验测量的硬度、磨损率进行关联，理解多尺度因素对宏观性能的综合影响。

2.技术路线

本项目的研究将按照以下技术路线展开，分为几个关键研究阶段，各阶段紧密衔接，相互支撑：

（1）第一阶段：基础理论与机理研究（第1-12个月）

***关键步骤：**

*文献调研：系统梳理国内外高温合金耐磨材料的研究现状、关键问题和发展趋势。

*理论计算：针对几种代表性高温合金体系，利用DFT计算其基体和关键强化相的力学性质和化学性质，研究点缺陷、位错的影响。

*MD模拟：建立简化的模型，模拟高温合金在干摩擦、简单冲蚀条件下的原子尺度行为，初步识别磨损机制的关键因素。

*机理分析：基于计算和初步模拟结果，分析高温合金耐磨机理的初步认识，确定需要重点研究的科学问题。

（2）第二阶段：构效关系模型构建与性能预测方法开发（第13-30个月）

***关键步骤：**

*多尺度模拟：针对选定的合金体系，利用MD、PFM等模拟方法，系统地研究不同合金元素含量、微观结构（晶粒尺寸、γ'相参数）对耐磨性能的影响，获取大量模拟数据。

*机器学习模型开发：整合模拟数据（如有必要，补充少量实验数据），利用机器学习方法，开发高温合金耐磨性能的预测模型，进行模型训练、优化和验证。

*模型评估与改进：评估模型的预测精度、泛化能力和可解释性，根据评估结果对模型和特征进行改进。

*构效关系提炼：基于模拟和模型结果，提炼出高温合金耐磨性能的关键影响因素及其作用规律，初步建立构效关系框架。

（3）第三阶段：新型材料设计与制备（第21-48个月，可部分与第二阶段并行）

***关键步骤：**

*材料设计：基于构效关系模型和性能预测方法，设计具有潜在优异耐磨性能的新型高温合金成分方案和表面涂层方案。

*实验制备：按照设计方案，采用实验室或合作单位资源，制备新型合金样品和涂层样品。

*基础性能表征：对制备的材料进行微观结构表征和基础力学性能测试（如硬度）。

（4）第四阶段：实验验证与设计准则形成（第42-60个月）

***关键步骤：**

*系统性能评价：在标准磨损试验机上，对新型材料进行干摩擦、冲蚀等耐磨性能测试，并与基线材料及理论预测结果进行对比。

*深入表征与分析：对耐磨实验后的样品进行详细的微观结构表征（SEM、TEM、EBSD等），分析磨损机制和微观结构演变。

*结果整合与模型修正：将实验验证结果反馈到构效关系模型和性能预测模型中，进行修正和完善。

*设计准则提炼：总结本项目取得的全部研究成果，提炼出高温合金耐磨材料的设计原则、优化策略和理论框架，形成研究总结报告和高质量学术论文。

（5）第五阶段：成果总结与推广（第54-72个月）

***关键步骤：**

*报告撰写：完成项目总报告，系统总结研究背景、目标、方法、过程、结果和结论。

*学术交流：参加国内外学术会议，发表高水平学术论文，与同行交流研究成果。

*成果转化探讨：与相关企业或机构探讨研究成果的产业化应用前景。

*最终成果形式包括：系列研究论文、项目总结报告、材料设计理论框架、性能预测模型软件（可能）、新型材料样品（如有制备）等。

七．创新点

本项目在高温合金耐磨材料设计领域，拟从理论、方法和应用等多个层面进行创新，旨在突破现有研究瓶颈，提升我国在该领域的自主创新能力。主要创新点包括：

（1）**多尺度多物理场耦合的理论研究创新**

现有研究往往侧重于单一尺度（如原子尺度或宏观尺度）或单一物理场（如力学或热学）对高温合金耐磨性的影响，缺乏对多尺度相互耦合以及多物理场（力学、热学、化学）交互作用下磨损机理的系统性揭示。本项目创新性地将**第一性原理计算、分子动力学模拟、相场模拟以及实验观察相结合**，构建一个从原子尺度到宏观尺度的多尺度研究平台。通过DFT计算揭示原子层面的键合性质和化学驱动力，MD模拟捕捉微观结构演变和原子级磨损过程，PFM模拟描述宏观演化对性能的影响，并结合先进的实验表征技术（如原位观察、先进显微学）进行验证和补充。这种多尺度、多物理场耦合的研究策略，能够更全面、深入地揭示高温合金在极端工况下磨损行为的复杂机理，特别是微观结构演变、损伤萌生与扩展、界面反应与相变等关键过程在不同尺度上的关联效应，为从本质上理解材料耐磨性提供新的理论视角和科学依据。例如，本项目将重点关注热应力、机械载荷和化学侵蚀（如氧化）耦合作用下，微观结构（如晶界、γ/γ'相）的协同作用及其对磨损行为的影响，这是现有研究中较为薄弱且关键的环节。

（2）**基于机器学习的材料性能预测与反向设计方法创新**

传统高温合金材料的研发高度依赖“试错法”，效率低下，成本高昂。本项目创新性地将**计算材料学与机器学习技术深度融合**，发展基于多尺度模拟数据（包括本项目的计算结果和公开数据）的高温合金耐磨性能预测模型。通过特征工程从海量的多尺度模拟数据中提取能够有效表征材料结构和潜在性能的关键特征，并利用先进的机器学习算法（如深度神经网络、神经网络等）建立材料微观结构/成分与宏观耐磨性能之间的复杂非线性映射关系。构建的预测模型将能够实现高温合金耐磨性能的快速、准确预测，显著缩短材料研发周期。更进一步，本项目将探索**基于模型的反向设计（InverseDesign）**方法，即根据预期的耐磨性能目标，利用机器学习模型反向推导出具有该性能要求的材料成分和微观结构方案。这将为高温合金耐磨材料的设计提供全新的范式，从“经验驱动”转变为“数据驱动”和“理论指导”，极大提升材料设计的效率和成功率。这种方法的创新性在于，它能够处理传统方法难以解决的复杂构效关系，发现具有优异性能的新型材料设计空间。

（3）**系统性的微观结构设计策略与新型材料创制创新**

现有研究对微观结构（如晶粒尺寸、相组成、分布、界面特征）与耐磨性能关系的认识尚不系统，缺乏针对特定工况（如高应力冲蚀、低应力磨粒磨损等）的精细化设计策略。本项目基于构建的多尺度构效关系模型和性能预测方法，将提出**系统性的微观结构设计策略**。将不仅关注单一因素的优化，更强调**多因素协同调控**，例如，如何通过晶粒尺寸与γ'相参数的匹配来获得最佳的综合性能；如何设计梯度结构或复合结构以适应复杂的应力场和化学环境；如何利用界面工程提升涂层与基体的结合及整体耐磨性。在此基础上，本项目将**设计并制备具有创新微观结构的新型高温合金材料**，例如，探索超细/纳米晶高温合金、具有特定形貌或分布的γ/γ'相高温合金、梯度或多层复合涂层等。这些新型材料的创制将旨在突破现有材料的性能极限，特别是在耐磨性、高温强度和抗氧化性之间的平衡上取得突破，为我国高端装备制造业提供性能更优异、寿命更长的关键材料选择。这种创新性体现在对微观结构设计的深度和广度上，以及面向特定应用场景的性能优化思路。

（4）**构建高温合金耐磨材料设计理论框架与设计准则创新**

本项目不仅致力于发现新的材料和机理，更注重**构建一套相对完善的高温合金耐磨材料设计理论框架**。该框架将整合本项目及已有研究的核心发现，包括高温合金耐磨磨损机理的理论认识、多尺度构效关系的定量模型、基于机器学习的性能预测方法以及材料设计的关键原则。通过提炼出具有指导意义的设计准则，本项目将为工程技术人员在实际工程应用中选择或设计合适的高温合金耐磨材料提供科学依据和操作指南。这种创新性在于，它试从基础科学到工程应用建立起一条完整的桥梁，将前沿的科学发现转化为可操作的设计工具，推动高温合金耐磨材料领域从机理探索向工程设计的系统性跨越，提升我国在该领域的理论水平和工程实践能力。

八．预期成果

本项目通过系统研究高温合金耐磨材料的设计理论与方法，预期在理论认知、技术方法、材料创制和应用服务等方面取得一系列创新性成果，具体如下：

（1）**理论贡献方面**

***深化高温合金耐磨机理的科学认识：**预期揭示不同合金体系在高温、高应力、冲蚀及腐蚀耦合等复杂工况下磨损的精细微观机制，阐明晶粒尺寸、相结构（种类、尺寸、形态、分布）、界面特征、缺陷类型等微观结构因素影响耐磨性能的内在物理化学过程。例如，明确不同磨损机制（粘着、磨粒、氧化磨损及其耦合）的临界条件，以及微观结构演变（如相界迁移、析出相破碎、亚表面裂纹）对宏观耐磨寿命的支配作用。预期建立一套较为完善的高温合金磨损损伤演化理论，为理解材料服役行为提供坚实的理论基础。

***构建高温合金耐磨材料多尺度构效关系模型：**预期基于第一性原理计算、分子动力学、相场模拟和实验数据，建立定量或半定量的高温合金微观结构（原子尺度、纳米尺度、宏观尺度特征）与宏观耐磨性能（硬度、磨损率、耐磨寿命）之间的构效关系模型。这些模型将揭示关键微观结构参数对性能的影响规律和量化程度，为材料设计提供理论指导。

***发展基于数据驱动的材料性能预测方法：**预期开发出具有高精度和良好泛化能力的高温合金耐磨性能机器学习预测模型。该模型能够根据输入的材料成分和微观结构设计参数，快速、准确地预测材料在目标工况下的耐磨性能，为材料筛选和优化提供高效工具。

***形成高温合金耐磨材料设计理论框架与设计准则：**预期在整合研究成果的基础上，构建一个包含磨损机理、构效关系、性能预测、设计方法学等在内的高温合金耐磨材料设计理论框架。并从中提炼出具有实践指导意义的设计原则和优化策略，为工程师进行材料选择和设计提供依据。

（2）**技术方法方面**

***建立高温合金耐磨材料设计的技术平台：**预期形成一套结合理论计算、多尺度模拟和实验验证的综合性研究技术平台。该平台将集成DFT、MD、PFM计算模块，以及配套的材料制备和表征技术流程，为未来持续开展相关研究提供有力支撑。

***掌握基于机器学习的材料高通量筛选与设计技术：**预期掌握利用机器学习进行高温合金耐磨材料高通量性能预测和反向设计的技术方法，建立相应的算法模型和软件工具（可能）。这将显著提升材料研发的效率，缩短研发周期，降低研发成本。

***提升高温合金耐磨材料实验设计的科学性：**基于构效关系模型和性能预测结果，能够指导实验设计，使实验更具针对性和效率，避免盲目尝试，提高实验成功率。

（3）**材料创制与应用价值方面**

***设计并制备新型高性能高温合金耐磨材料：**预期设计出1-3种具有显著优于现有商用高温合金耐磨性能的新型合金成分方案或表面涂层方案。通过实验制备出代表性样品，并验证其优异的耐磨性能及综合力学性能（如高温强度、抗氧化性）。

***为高端装备提供关键材料支撑：**预期研究成果能够直接应用于航空发动机、燃气轮机等关键装备的叶片、喷管等高温磨损部件的材料升级，延长部件使用寿命，提高设备可靠性和运行效率，降低维护成本，提升我国在这些高端装备领域的自主创新能力和国产化水平。

***推动相关产业的技术进步：**本项目的技术方法和设计准则的推广，有望带动国内高温合金材料产业的技术升级，促进新材料、新工艺的研发和应用，形成新的经济增长点。同时，研究成果也可能对能源、冶金、交通运输等其他高温磨损领域具有借鉴意义和应用潜力。

（4）**学术成果与人才培养方面**

***产出高水平学术成果：**预期发表系列高水平研究论文（SCI论文3-5篇），申请发明专利1-2项，参与撰写高水平综述文章1篇。提升我国在高温合金耐磨材料领域的学术影响力。

***培养高层次研究人才：**通过本项目的实施，预期培养博士研究生2-3名，硕士研究生4-5名，使其掌握高温合金材料设计领域的先进研究方法和技术，成为该领域的后备力量。同时，项目负责人及团队成员也将进一步提升科研能力和水平。

九.项目实施计划

（1）项目时间规划

本项目总研究周期为72个月，分为五个主要阶段，各阶段任务明确，进度安排紧凑，确保研究目标按计划完成。

***第一阶段：基础理论与机理研究（第1-12个月）**

***任务分配：**项目组将进行文献调研，系统梳理高温合金耐磨材料的研究现状、关键问题和发展趋势。理论计算组负责开展DFT计算，研究关键合金元素、缺陷和位错的力学、化学性质。模拟组负责搭建MD模拟平台，开展初步的干摩擦和简单冲蚀模拟。实验组开始准备部分基础实验设备调试和样品前期制备方案设计。

***进度安排：**第1-3个月完成文献调研和研究方案细化；第4-9个月完成DFT计算和初步结果分析；第4-12个月完成MD模拟模型建立和初步模拟结果分析；同期进行实验方案设计和准备。阶段末进行阶段性成果总结和评审。

***第二阶段：构效关系模型构建与性能预测方法开发（第13-30个月）**

***任务分配：**理论计算组和模拟组根据第一阶段结果，扩展计算和模拟范围，系统研究不同合金元素含量、微观结构参数对耐磨性能的影响，获取大量多尺度数据。机器学习组开始数据整理、特征工程，并利用收集的数据训练和优化性能预测模型。实验组开始制备部分合金样品和涂层样品，并进行基础性能测试。

***进度安排：**第13-18个月完成扩展计算和模拟，获取多尺度数据集；第19-24个月进行数据整理、特征工程，并开始模型训练与优化；第19-27个月进行模型验证与评估，完善预测方法；第13-24个月同步进行样品制备和基础性能评价。阶段末进行模型性能评估和阶段性成果总结。

***第三阶段：新型材料设计与制备（第21-48个月，可部分与第二阶段并行）**

***任务分配：**基于第二阶段的构效关系模型和性能预测方法，设计具有潜在优异耐磨性能的新型高温合金成分方案和表面涂层方案。实验组根据设计方案，采用真空熔炼、等离子喷涂、物理气相沉积等技术，制备新型合金样品和涂层样品。同时，继续进行模型优化和实验数据收集。

***进度安排：**第21-24个月完成新型材料设计方案；第25-36个月完成样品制备；第27-42个月进行新型材料的初步表征和性能评价。此阶段与第二阶段的部分任务并行，确保研究进度。

***第四阶段：实验验证与设计准则形成（第42-60个月）**

***任务分配：**实验组对制备的新型材料进行系统性的耐磨性能评价（干摩擦、冲蚀等），并采用先进表征技术对磨损样品进行微观结构分析。理论组、模拟组和机器学习组负责整合实验结果，验证和完善构效关系模型和性能预测模型。项目组系统总结研究成果，提炼设计原则，撰写研究总结报告和学术论文。

***进度安排：**第42-48个月完成系统性能评价；第49-54个月完成磨损样品的深入表征与分析；第50-60个月进行模型修正、成果整合、设计准则提炼和论文撰写。阶段末进行项目全面总结和成果验收准备。

***第五阶段：成果总结与推广（第54-72个月）**

***任务分配：**项目组完成项目总报告撰写，系统总结研究背景、目标、方法、过程、结果和结论。整理发表系列研究论文，参加国内外学术会议进行学术交流。探索与相关企业或机构合作，推动研究成果的产业化应用。

***进度安排：**第54-60个月完成项目总报告和系列论文撰写；第61-66个月参加学术会议，进行成果推广；第67-72个月完成成果转化应用探讨和项目结题。确保项目圆满收官并实现预期效益。

（2）风险管理策略

本项目涉及理论计算、多尺度模拟和实验验证等复杂技术环节，存在一定的技术风险、进度风险和成果风险，需制定相应的管理策略：

***技术风险及对策：**主要风险包括计算模拟结果的准确性、实验条件控制的稳定性以及新材料的制备成功率。对策是加强计算模型的验证和标定，选择成熟可靠的实验设备和技术，优化材料制备工艺流程，并设置备选技术路线。同时，建立严格的实验规范和质量控制体系，确保数据可靠性和结果重复性。

***进度风险及对策：**主要风险包括关键任务延期、跨阶段衔接不畅。对策是制定详细的项目实施计划，明确各阶段任务、里程碑节点和责任人，定期召开项目例会，及时沟通协调。建立风险预警机制，对可能影响进度的因素进行识别和评估，并制定相应的应对措施。必要时调整资源配置，确保项目按计划推进。

***成果风险及对策：**主要风险包括预期成果未达到预期目标，新型材料性能提升有限，或耐磨机理揭示不深入。对策是加强基础理论研究，深入挖掘材料设计潜力。同时，合理设定研究目标，确保目标的可实现性。增加实验验证的广度和深度，全面评估材料性能。若发现预期难以实现，及时调整研究方向和目标，确保研究价值。

***团队协作与资源保障风险及对策：**主要风险包括团队成员间沟通协作不足、实验设备或计算资源受限。对策是建立高效的团队协作机制，明确分工与职责，定期技术交流和培训。积极争取科研经费和设备支持，确保项目顺利实施。

***外部环境变化风险及对策：**主要风险包括技术发展迅速、政策法规变化等。对策是密切关注行业动态和技术前沿，及时调整研究方向。加强知识产权保护，规避政策风险。同时，加强与政府、企业、高校的合作，拓宽研究资源渠道。

通过上述风险管理策略的实施，旨在降低项目实施过程中的不确定性，确保项目目标的顺利实现，提升研究效率和创新成果的转化应用价值。

十.项目团队

（1）项目团队成员的专业背景与研究经验

本项目团队由来自材料科学与工程、力学、物理和计算机科学等领域的资深专家和青年骨干组成，团队成员均具有深厚的学术造诣和丰富的项目经验，能够覆盖本项目所需的理论计算、多尺度模拟、实验验证、性能评价和数据分析等研究内容。团队负责人张明教授，材料科学与工程学科带头人，长期从事高温合金材料的研究工作，在高温合金耐磨机理、微观结构设计等方面取得了系统性成果，主持完成多项国家级和省部级科研项目，发表高水平论文30余篇，申请发明专利10余项。在团队成员方面，李强博士专注于第一性原理计算与材料理论，具有丰富的DFT计算经验，曾在国际顶级期刊上发表多篇关于材料电子结构和力学性质的研究论文，擅长利用计算模拟方法解析材料服役行为。王伟研究员是材料表面工程领域的权威专家，在高温合金涂层制备与性能评价方面积累了深厚的实践经验，主导开发多种高性能耐磨涂层技术，并拥有多项技术专利。团队成员赵静博士在分子动力学模拟和数值模拟领域具有扎实的理论基础和丰富的项目经验，擅长利用MD和PFM方法研究材料微观结构演变与性能关系，并致力于发展基于数据驱动的材料设计方法。此外，团队成员还包括2名具有博士学位的青年骨干，分别负责实验表征和数据分析，均具备先进的实验技术和数据处理能力，在高温合金微观结构表征、磨损性能测试和实验数据建模方面积累了丰富的经验。项目团队核心成员均具有博士学位，研究方向高度契合本项目需求，具备完成研究任务的必要条件。

（2）团队成员的角色分配与合作模式

本项目实行“团队负责人统一领导、专业分工、协同攻关、资源共享”的合作模式，团队成员根据各自的专业优势和研究成果，承担不同的研究任务，并形成优势互补。

项目负责人张明教授全面负责项目的顶层设计、资源协调和进度管理，主持关键技术问题的研讨和决策，并指导团队成员开展研究工作。

李强博士负责高温合金的理论计算研究，包括基体合金的成分设计、关键强化相的力学性质和化学性质、点缺陷、位错等对材料性能的影响，为材料设计和机理研究提供理论依据。同时，他将与王伟研究员合作，将DFT计算结果应用于指导实验和模拟研究。

现代材料设计方法研究团队由王伟研究员领衔，专注于高温合金耐磨材料的表面工程研究，负责耐磨涂层的设计、制备和性能评价，探索新型涂层体系（如纳米复合涂层、梯度结构涂层），并研究涂层与基体的结合强度、高温稳定性及与底层涂层的协同作用。该团队将与李强博士合作，利用计算模拟方法优化涂层结构，并与赵静博士合作，建立涂层性能预测模型。

赵静博士负责高温合金耐磨材料的多尺度模拟和性能预测方法研究，包括分子动力学模拟、相