论文标题：A Unified Microstructure-Based Constitutive Model for a Ni-Based Superalloy and Its Application in the Forging Processes of Disk

论文链接：https://doi.org/10.3390/ma18112526

期刊名：Materials

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/materials

作者介绍

通讯作者

蔺永诚教授，系中南大学的二级教授，入选入选国家“万人计划”科技创新领军人才、科技部中青年科技创新领军人才、教育部青年长江学者、湖南省科技领军人才等人才计划，主要从事高温合金、钛合金等高品质金属零件的智能加工技术及装备研发，先后负责了国家973计划课题、国家重点研发课题、国家自然科学基金、湖南省科技计划、企业合作课题等40余项。出版专著 2 部，发表学术论文 300 余篇，获授权发明专利 50 余项；担任 10 余家国际期刊的副主编、编委或顾问，曾100余次担任先进零件/材料加工领域国际学术会议分会主席和组委会成员，是该领域国际知名学者。其理论成果在多家国内外制造企业得到广泛的工程应用，为企业创造了高额利润，推动了我国高品质金属零件的智能加工技术发展。

第一作者

曾宁富博士的主要研究方向涵盖智能锻造、数字孪生及应用机器学习，聚焦于金属材料热变形过程的多尺度建模与智能优化；作为核心成员参与多项国家级科研项目，以第一作者完成的《A Unified Microstructure-Based Constitutive Model for a Ni-Based Superalloy and Its Application in the Forging Processes of Disk》一文，首次实现了镍基高温合金微观组织演化与宏观应力响应的统一描述，为该研究的理论构建与实验验证提供了关键支撑。

文章导读

镍基高温合金作为航空发动机涡轮盘等核心部件的 “基石材料”，其高温强度与稳定性无可替代，但锻造过程却因高再结晶温度、复杂多相结构演化及强变形抗力等特性，成为制约高端装备性能提升的 “卡脖子” 难题。传统本构模型难以兼顾微观组织变化与宏观应力响应，导致工艺优化依赖经验，产品质量稳定性不足。

中南大学蔺永诚教授团队在 Materials 期刊发表的最新研究“A Unified Microstructure-Based Constitutive Model for a Ni-Based Superalloy and Its Application in the Forging Processes of Disk”，创新地建立了集成微观组织演变与宏观应力应变响应的统一本构模型，首次将损伤分数、再结晶分数、δ 相含量、平均晶粒尺寸、位错密度等微观变量与最大主应力、静水压力等宏观应力参数系统耦合，实现了镍基高温合金热变形全过程的精准描述，为高性能锻件的 “可控制造” 提供了全新理论框架。

研究过程与结果

研究团队针对镍基高温合金在拉伸与压缩状态下的流变行为差异，创新性构建了多尺度耦合的本构方程：

微观层面：量化位错密度演化（受加工硬化、动态回复与再结晶共同作用）、δ 相溶解动力学（与应变、温度密切相关）及晶粒尺寸变化；

宏观层面：引入最大主应力方向、Mises 等效应力等参数，修正传统模型对复杂应力状态的忽略。

实验验证显示，该模型对单轴拉伸与压缩流变曲线的预测误差均小于3%（AARE<3%，R²>0.95），优于现有模型。

图1 拉应力下TSS曲线预测值与实验值对比

图2 不同应力状态下模型预测结果与实验值对比

进一步结合有限元方法开发的集成计算框架，成功应用于涡轮盘锻造模拟：

图3 预估-校正法有限元软件二次开发计算流程

1. 对 8 个关键区域的再结晶分数、平均晶粒尺寸预测误差低于 8%，与实验结果高度吻合；

图4 大锻件不同变形区域平均晶粒尺寸集成计算结果与实测值对比

2. 揭示核心机制：拉伸应力下，损伤随初始δ相含量增加而加速积累；压缩应力则在临界应变后抑制损伤，且 δ 相溶解速率更快；

图5 集成计算模型得到的热变形过程的损伤体积分数演变

3. 650℃高温拉伸实验证实，实际锻件4个典型区域的力学性能（屈服强度、抗拉强度、延伸率、断面收缩率）与集成模型计算得到的对应位置微观组织分布规律一致，验证了其工业适用性。

（a）

（b）

图6 （a）实际锻件；（b）650℃高温拉伸性能

研究总结

本研究针对镍基高温合金热变形中微观组织演化与宏观力学响应的耦合难题，创新地建立了集成微观组织演变与宏观应力应变响应的统一本构模型：通过整合损伤分数、再结晶分数、δ相含量、平均晶粒尺寸、位错密度等微观变量，耦合最大主应力、静水压力、Mises 等效应力等宏观应力参数，首次实现复杂应力状态下材料多尺度行为的系统描述。经单轴拉伸/压缩实验验证，模型对流变曲线的预测误差小于3%，显著优于传统理论模型；依托有限元集成框架应用于涡轮盘锻造模拟时，再结晶分数、平均晶粒尺寸的预测误差均低于8%，且典型区域力学性能（屈服强度、延伸率）与实际锻件吻合度超95%。该成果突破了传统模型对复杂应力状态的描述局限，构建的微观-宏观定量关联体系，既为高温合金加工从“经验驱动”向“数据驱动”转型提供范式，又通过集成计算框架直接支撑锻造工艺优化，最终为航空航天、能源装备等领域高温合金构件制造建立“理论-模拟-工艺”一体化解决方案。未来，团队将进一步拓展模型在其他高品质合金体系的应用，推动我国高端锻造技术向“精准调控”迈进。

Materials 期刊介绍

主编：Maryam Tabrizian, McGill University, Canada

主要关注材料科学与工程研究相关各个领域的最新研究成果，包括但不限于高分子、纳米材料、能源材料、复合材料、碳材料、多孔材料、生物材料、建筑材料、陶瓷、金属等，以及材料物理化学、催化、腐蚀、光电应用、结构分析和表征、建模等。

*JCR Q2 at “PHYSICS, APPLIED” and “METALLURGY & METALLURGICAL ENGINEERING” Categories

*Scopus Q1 at “Condensed Matter Physics” Category