上海交大孫寶德院士團隊：系統綜述高溫合金微觀結構演變的相場模擬前沿

近日，上海交通大學材料科學與工程學院孫寶德院士團隊在材料領域著名期刊《材料科學與工程研究報告》(Materials Science and Engineering: R: Reports，IF=21.1）上在線發表了題為 “Recent advances in phase-field modeling of microstructural evolution in superalloys”（DOI：doi.org/10.1016/j.mser.2026.101268）的綜述文章。

文章面向航空發動機熱端部件等高端裝備對高溫合金組織精準調控的迫切需求，系統總結了相場法在凝固、熱處理和服役組織演化模擬中的研究進展，重點綜述了枝晶生長、γ′相析出與粗化、蠕變筏化和溶質偏析等關鍵問題的模型方法與應用現狀，并進一步討論了 CALPHAD 耦合、多物理場模擬、數值算法加速和 AI 輔助建模等發展方向，為高溫合金成分設計、工藝優化和服役性能預測提供了參考。

該論文以上海交通大學為第一完成單位，上海交通大學碩士研究生張藝、博士研究生安家托為共同第一作者，共同作者包括上海交通大學杜大帆副教授、董安平研究員、孫寶德院士，重慶大學張昂研究員，中南大學張利軍教授，中北大學趙宇宏教授。

內容簡介

高溫合金是航空發動機渦輪葉片、燃燒室等熱端部件的核心材料，其性能高度依賴凝固、熱處理和服役過程中的微觀組織演化。然而，高溫合金具有多組元、多相和多尺度耦合特征，傳統實驗方法難以全面揭示其組織演化機制。相場法能夠模擬復雜界面遷移、相變和多物理場耦合過程，已成為研究高溫合金微觀組織演化的重要工具。該工作系統綜述了相場法在高溫合金研究中的發展脈絡，歸納了定量模擬面臨的關鍵挑戰，并總結了 CALPHAD 耦合、力學耦合、模型降階和高性能計算等突破路徑，如圖1所示。此外，文章進一步展望了相場模型在參數標定、物理機制拓展、數值效率提升和機器學習輔助建模等方面的發展方向，為高溫合金組織預測、工藝優化和智能設計提供了參考，如圖2所示。

圖1高溫合金相場模擬研究的發展脈絡

圖2 相場模型的研究挑戰與未來展望

從凝固到服役：解析組織演化關鍵過程

文章指出，高溫合金相場模擬面臨多組元熱力學/動力學參數復雜、多物理場耦合、多序參量建模和跨尺度計算等挑戰。圍繞這些問題，研究者發展了 CALPHAD 耦合、力學耦合、模型降階和高性能計算等方法，推動相場模擬從定性描述走向定量預測。

該工作系統總結了相場法在高溫合金凝固、熱處理和服役過程中的應用。在凝固與增材制造階段，相場法可用于模擬枝晶生長、溶質偏析和非平衡組織形成；在熱處理階段，可用于研究 γ′相析出、粗化和形貌演變；在服役階段，則可進一步模擬高溫蠕變過程中的 γ/γ′筏化和組織退化行為。這些研究為高溫合金組織調控、缺陷控制和性能優化提供了重要理論支撐。

從定性到定量：提升相場模擬預測能力

隨著 CALPHAD 熱力學數據庫、原子遷移率數據庫和先進數值算法的發展，相場模型正逐步成為連接成分設計、工藝調控和組織預測的重要工具。通過實時調用自由能、化學勢和擴散動力學參數，相場法能夠更準確地描述多組元高溫合金中的元素分配、界面遷移和相穩定性演化。

同時，傅里葉譜方法、自適應網格、半隱式算法和 CPU/GPU 并行計算等技術不斷提升模擬效率，使大尺度、長時間、多物理場耦合的三維模擬逐漸成為可能，也推動相場模擬從基礎機制研究走向工程應用。

展望未來：AI賦能相場模擬

文章認為，未來高溫合金相場模擬仍需在參數標定、數據庫建設、數值效率和智能化建模等方面持續突破。人工智能與科學機器學習有望輔助實現模型參數反演、快速組織預測、工藝窗口優化和合金反向設計，推動高溫合金研發從“經驗試錯”向“計算預測—智能優化”轉變。

該綜述系統梳理了相場法在高溫合金微觀組織演化研究中的理論基礎、模型體系、數值方法與工程應用，為下一代高性能高溫合金的成分設計、制造工藝優化和服役壽命預測提供了重要參考。

該工作得到了先進材料國家科技重大專項（2024ZD0600400）、國家自然科學基金（52574440）和上海市科學技術委員會項目（23ZR1428800）的支持。

課題組簡介

上海交通大學材料科學與工程學院凝固科學與技術研究所長期面向國家重大裝備需求，開展先進高溫材料及其精密成型理論與應用研究。董安平研究員團隊聚焦外場強化凝固、航空航天高溫合金構件精密鑄造研究。主持/完成國家重大研究計劃項目、國家重點研發課題、國家自然科學基金和10多項企業技術攻關項目。團隊累計發表學術論文150余篇，參編教材著作3本，授權中國發明專利35項（轉化轉移6項）。相關成果獲國家技術發明二等獎、教育部技術發明一等獎等獎勵。

團隊長期歡迎金屬凝固原理、智能化鑄造等方向的優秀青年學者、博士后及研究生加入。聯系人：杜大帆（dafand@sjtu.edu.cn）。

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝論文作者團隊支持。

近期學術會議推薦

歡迎留言，分享觀點。點亮?