突破卡脖子他解决航空发动机核心材料——粉末高温合金的制备难题

发布时间: 2024-06-10 20:20:57 | 作者: 行业新闻

涡轮盘被誉为“航空发动机的心脏部件”，主要是采用高温合金制造。高温合金可以在高温的工况下承受复杂的机械应力，且可在严苛的工作环境下仍具备耐蚀、耐磨、抗蠕变性和抗疲劳等优良性能。因此，高温合金成为航空航天领域的关键材料。

高温合金是指以镍、铁和钴为基体，能在600℃以上的高温及一定应力作用下长期工作，能承受较大复杂应力、并具有表面稳定性的一类金属材料。根据材料成形方法，高温合金可以分类为铸造高温合金、变形高温合金和新型高温合金。粉末高温合金作为新型高温合金的一种，较传统的铸造变形高温合金，具备成分均匀、晶粒细小、屈服强度高、抗疲劳性强等优势，成为业内公认的新型高温合金首选材料。

粉末高温合金（Powder Metallurgy Superalloy）是指采用粉末冶金工艺生产的高合金化程度的高温合金材料。通常是以镍为基体，添加有Co、Cr、W、Mo、Al、Ti、Nb、Ta等多种合金元素的一类具备优秀能力的高温强度、抗疲劳和抗热腐蚀等综合性能的合金，是航空发动机涡轮轴、涡轮盘挡板、涡轮盘等关键热端部件的首选材料。

目前世界上只有美国、俄罗斯、英国、法国、中国等少数国家具备粉末高温合金研发、生产能力，其中美国和俄罗斯是粉末高温合金研制和工程化应用最成功的国家，所生产的粉末高温合金制品被用于多个型号的航空发动机。

在粉末高温合金领域，欧美等国已经研制出了第四代粉末高温合金。第一代为650℃高强型粉末高温合金，如René95、IN100等；第二代为750℃损伤容限型粉末高温合金，如René88DT、N18等；第三代为高强损伤容限型粉末高温合金，如René104/ME3、Alloy10、LSHR和RR1000等；第四代粉末高温合金是在第三代的基础上，通过成分调整和工艺优化来获得更高的工作时候的温度，使其具有高强度、高损伤容限和高工作时候的温度的特点。

俄罗斯几乎和美国同时开展粉末高温合金的研究，与美国相比，俄罗斯粉末高温合金牌号较少，目前大范围的应用于航空发动机制造的只有ЭΠ741HΠ，该合金具备优秀能力的综合高温性能，使用温度为650～750℃。2004年后俄罗斯新研制了BBП系列粉末高温合金，与ЭΠ741HΠ合金相比，BBП系列合金的室温强度、持久强度、低周疲劳性能更高，目前尚未获得规模化应用。

中国粉末高温合金的研究起步相对较晚，开始于20世纪70年代后期。目前，我国已成功研制出第一代高强型和第二代损伤容限型粉末高温合金，正在研制高强损伤容限型第三代粉末高温合金，并对高工作时候的温度、高强度和高损伤容限的新型第四代粉末高温合金开展了补充探索研究。

目前，每年全球对高温合金材料的消费将近28万吨，市场规模达到100亿美元。全世界内能够生产航空航天用高温合金的企业不超过50家，大多分布在在美、俄、英、法、德、日等国。

我国高温合金的研发起步于20世纪60年代，形成独有的合金体系，并且取得了明显的进步，到目前已经成立了众多的生产和科研单位，并已具备变形高温合金、铸造高温合金的生产基地与高端高温合金材料的生产研发基地。

近日，当青海中钛青锻装备制造有限公司30岁的工程师魏永胜接过2023年最美科技工作人员荣誉证书时，他激动地说：“作为一名普通的青年科技工作人员，能获得这项荣誉称号，我感到无上光荣，同时也深知自己肩上的担子更重了。”

2015年，魏永胜从中南大学材料科学与工程学院毕业后，毅然回到家乡青海工作。2019年2月，怀揣梦想，他加入青海中钛青锻装备制造有限公司技术工艺部，从事热挤压研究工作。

在工作中，他严谨细致，思维开阔，锐意进取，踏实肯干，很快成为了公司的技术骨干。

2020年，魏永胜被公司委以重任，重点参与《高品质粉末高温合金涡轮盘成型工艺研究与示范》项目。该项目意义重大，直接涉及到航空发动机核心部件的生产。

航空发动机是“现代工业皇冠上的明珠”，其核心部件为涡轮盘、导向叶片和工作叶片。涡轮盘工作时承受高温、高应力、高转速及复杂的燃气腐蚀环境，服役条件极为苛刻，国内外先进航空发动机“盘”均采用粉末高温合金涡轮盘。欧美发达国家一直把粉末高温合金涡轮盘及其关键制造装备技术作为战略管控产品，禁止出口至我国。粉末高温合金涡轮盘成型技术一直是我国航空工业发展的“卡脖子”问题。

“粉末高温合金材料在成型的过程中有高温强度大、导热性强、镍钴强化元素含量高、开裂倾向大等特点，材料成型难度极大，对设备、成型工艺、工装模具、基础研发要求高。同时，由于粉末高温合金涡轮是军民航空发动机核心部件，其成型工艺和材料无论是国内还是国外均属于重点保密对象。”魏永胜说，我们团队面临着粉末高温合金材料基础数据少、研发人员缺少、无参考成型工艺、工装模具设计制造难度大、设备调试工作多等一系列困难。

为解决粉末高温合金涡轮盘棒材挤压过程中的一系列难题，在前期研发设计阶段，魏永胜经常通宵达旦查找有关的资料，采用有限元模拟仿真技术对挤压工艺和模具结构可以进行研究。

同时，他前往北京、山东、四川、黑龙江等地的不同模具加工厂家，和模具制造工程师讨论不一样的材料和结构的锻造工艺、热处理工艺和检测的新方法。还与清华大学、北京钢铁研究院、青海大学等高校研究所相关教授讨论粉末高温合金棒材热挤压方案。他先后修改挤压方案10余版，提出和解决技术难题20余项。

在新产品试制阶段，项目周期紧、试制节奏快、难度大，魏永胜白天在车间一线解决模具安装、焊接、工艺流程等存在的实际问题，晚上与技术团队讨论分析存在的问题，查找有关的资料，优化成型方案。期间，他连续两个月没有回家，加班时间达100多个小时。

通过团队的日夜奋战和不懈努力，青海中钛青锻装备制造有限公司于2021年9月实现Φ300mm级涡轮盘用粉末高温合金棒材一次试制成功，实现国内外挤压比大于6和成材率大于80%的技术突破，以及粉末高温合金涡轮盘用棒材从二代到四代的跨越。该项目达到国内领先、国际领先水平，为我国航空发动机的发展和批量制造奠定了基础。