打破国外技术垄断推动我国高温合金产业结构调整升级——国家863计划项目“大尺寸高温合金结构件材料研制及热加工技术”成果

2017-01-16

高温合金是航空发动机与燃气轮机制造的关键性结构材料，因合金化程度很高，国际上称其为超级合金（Superalloys）。中国钢研科技集团有限公司（原钢铁研究总院）牵头，联合国内相关单位共同承担了国家863计划新材料技术领域高品质特殊钢核心技术（二期）“大尺寸高温合金结构件材料研制及热加工技术”项目。该项目面向先进制造、航空航天等领域对高品质高温合金的重大需求，以项目承担单位在高温合金研制生产方面的长期积累为基础，充分利用近年来国内大型冶炼与热加工设备能力大幅度改善的有利条件，积极开展技术创新，通过系统的基础与技术研究攻关工作，解决大尺寸高温合金结构件材料研制及热加工技术中的重大共性技术问题。该项目包括三项研究内容，分别是：重型燃机核心热端部件超大尺寸高温合金涡轮盘、性能与粉末涡轮盘相当的航空发动机用变形高温合金涡轮盘以及大型复杂薄壁高温合金精密铸件。

一、关键核心技术

重型燃机核心热端部件超大尺寸高温合金涡轮盘在世界范围内均堪称“极限制造”，其制备技术长期被少数西方国家垄断，进口成本十分高昂。由于高温合金合金化程度高，成分复杂，易出现偏析与冶金缺陷，特别是当钢锭尺寸扩大后冶金质量更难保证。此外，高温合金重熔锭的热塑性较差，且可锻性随钢锭尺寸增大而进一步衰减，直径900mm以上的大尺寸高质量高温合金自耗重熔锭制备技术在国内尚属空白。值得注意的是，直径2 000mm以上的超大尺寸涡轮盘投影面积超过3mm²，是传统航空发动机涡轮盘的10倍以上，但二者对组织性能均匀性的要求大致相同，制备难度之大可想而知。

航空发动机涡轮盘用高温合金性能的提升主要通过增大合金化程度，但这会导致冶炼偏析倾向加剧、热加工塑性衰减等瓶颈问题。正是由此，以往高性能高温合金涡轮盘等关键转动部件普遍采用高成本的粉末冶金工艺制备。如何采用传统变形高温合金的铸-锻工艺，制备出700℃以上使用的力学性能与粉末涡轮盘相当的变形高温合金涡轮盘，是近年来国内外的研究热点。如何突破高合金化高温合金大锭型的低偏析熔铸技术，掌握低热塑性钢锭的铸态组织破碎与细晶坯料制备技术，实现强化相含量40%以上合金直径600mm以上全尺寸盘件的热模锻造成型与组织性能控制，是摆在项目组面前的关键难题。

大型复杂薄壁高温合金精密铸件在航空航天领域诸多机型上广泛应用，然而国内的研制和开发水平以及研制条件整体落后西方发达国家近三十年。国外在大型结构件的熔模铸造技术和装备方面对我国严格封锁，相应的技术资料也很少公开报道，所以自主创新是必由之路。大型复杂高温合金薄壁铸件的特殊结构与特定工艺会导致特殊缺陷的形成机制，如变截面处薄壁反偏析、大面积薄壁处脆性相、双侧相邻冒口处中间疏松等，缺陷形成机理、预测与控制十分关键。另外，大型复杂高温合金薄壁铸件的变形十分复杂，精确的尺寸控制是公认的难题。最重要的是，熔模精密铸造过程涵盖几十道工序、上千个工艺参数，各类多源异类误差的耦合会直接导致铸件报废，因此亟待进行铸造系统误差传递状态空间建模与容差设计。

二、主要成果

该项目的三项成果在国内均为首次实现，均属于大尺寸高温合金关键结构件，各项成果特色鲜明，可用“大、新、精”三字概述。

重型燃机大尺寸高温合金涡轮盘制备技术，亮点在于“大”。突破了传统变形高温合金超大尺寸涡轮盘极限制造方面的技术瓶颈，攻克了高品质高温合金铸锭的极限尺寸、锻造载荷极限控制及组织性能均匀化控制等关键难题，依托先进温度控制技术与数值模拟技术，采用国际主流工艺，制备出重量达到6吨以上、直径超过2 000mm的高温合金GH4706整体涡轮盘模锻件，推动了国内超大尺寸高温合金锻件领域的产业升级，为重型燃机关键热端转动部件的国产化奠定了重要的技术基础。

700℃及以上高性能难变形涡轮盘锻件研制，亮点在于“新”。研制出新一代镍基变形高温合金涡轮盘材料，攻克了强化相含量40%以上的高合金化难变形高温合金采用铸-锻工艺路线制备的技术瓶颈，开创了三联低偏析熔铸与多重循环热机械处理等新型技术，研制出与粉末冶金材料性能水平相当的镍基变形高温合金GH4065涡轮盘，使用温度比传统变形高温合金涡轮盘提高近90℃，成本不足粉末冶金涡轮盘的1/3，具有部件质量稳定可靠、全寿命成本低廉、生产效率高的突出优势，为先进航空发动机关键热端转动部件的选材提供了一个新方案。

大型复杂薄壁高温合金结构件研制，亮点在于“精”。突破和掌握了航空航天用高温合金大型复杂薄壁件近净形熔模精密铸造关键共性技术，形成了技术体系，有效地支撑了大型航空发动机等重点装备国产化工程的顺利实施。大型复杂薄壁高温合金结构件研制包括低偏析、超纯净、长期服役温度为650℃的镍基高温合金冶炼和直径为1 360mm、浇注最大重量达560kg的铸件的开发，部分产品已进入批产阶段。

三、结束语

项目取得的三项成果在高温合金领域均具有标志性的意义，形成了重型工业燃机及先进航空发动机用关键高温合金热端部件制备技术体系，打通了具有先进水平的高品质高温合金生产工艺路线，推动了我国高温合金产业的结构调整与升级，对于打破国外在该领域的长期垄断，保障我国重型燃机与航空发动机产业的自主发展具有重要意义。