上海飛機發(fā)動機高溫合金材料戰(zhàn)略性技術(shù)路線圖研究

文/祝 侶

在“十二五”期間，面向上海科技創(chuàng)新工作中新興產(chǎn)業(yè)培育工程的科技規(guī)劃，圍繞“健康上海、綠色上海、精品上海、數(shù)字上?！彼膫€上海中新興培育工程部署的20項重大任務(wù)，上海組織研究和編制了區(qū)域戰(zhàn)略性技術(shù)路線圖。本文以“精品上?！敝邢冗M材料為案例，選擇飛機發(fā)動機高溫合金材料進行分析，通過研究高溫合金材料的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀、技術(shù)體系、上海創(chuàng)新資源分布、優(yōu)劣勢及機遇與挑戰(zhàn)，構(gòu)建了上海飛機發(fā)動機高溫合金材料的區(qū)域戰(zhàn)略性技術(shù)路線圖，一方面為政府進行科技創(chuàng)新管理提供決策支持，另一方面為上?？萍紕?chuàng)新主體的各方提供技術(shù)決策指導(dǎo)。

飛機發(fā)動機高溫合金材料的未來情景描述

首先，我們對飛機發(fā)動機高溫合金材料的歷史發(fā)展、國際發(fā)展趨勢進行了跟蹤和搜集，勾勒出了飛機發(fā)動機高溫合金產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢。

1.國際飛機發(fā)動機高溫合金材料發(fā)展趨勢。目前，國外飛機發(fā)動機以高溫合金、鈦合金、鋼和復(fù)合材料為主要結(jié)構(gòu)材料。高溫合金仍是飛機發(fā)動機用量最大的材料，CFM56 發(fā)動機中的高溫合金用量比例約達65%?，F(xiàn)在歐美現(xiàn)代航空發(fā)動機上應(yīng)用主要包括鑄造高溫合金（等軸高溫合金，定向高溫合金、單晶高溫合金），變形高溫合金，粉末高溫合金等。

自上世紀50年代至今，變形高溫合金的典型牌號為GH4169 合金（國外In718 合金）在國外航空發(fā)動機上得到了廣泛應(yīng)用，主要用于制造渦輪盤和壓氣機盤等關(guān)鍵轉(zhuǎn)動部件。目前，國外提高該合金使用性能的兩個主要發(fā)展趨勢為：通過改進工藝充分發(fā)揮合金的性能潛力；通過改進合金化機制提高合金的穩(wěn)定性和工作溫度。

進一步更高使用溫度的超高合金化材料是粉末高溫合金和鑄造高溫合金。目前國際上發(fā)展的粉末高溫合金材料有Rene95、In100、Rene88DT、Astroloy。GE90 發(fā)動機采用了第二代粉末高溫合金Rene 88DT作為高壓渦輪盤材料，與第一代粉末高溫合金Rene 95 相比，該合金的成分、制造工藝、純凈度、使用溫度和損傷容限性能等都有很大提高。在發(fā)動機用鑄造高溫合金方面，國外已研制和應(yīng)用了第二代、第三代單晶合金，其分別比第一代單晶高溫合金的承溫能力提高約30 ℃和60 ℃，而近年來出現(xiàn)的第四代單晶合金的承溫能力更達到1180 ℃。

2.飛機發(fā)動機高溫合金材料在未來區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展中的需求與效益。飛機的高可靠性、高安全性、高耐久性、低環(huán)境污染、低油耗、低全壽命成本均極大程度上依靠發(fā)動機性能的提高。上海作為我國三大動力裝備研發(fā)生產(chǎn)基地之一，長期以來在相關(guān)技術(shù)方面開展了卓有成效的工作，取得一些重要成果并建立了相對雄厚的研究和制造基礎(chǔ)。根據(jù)《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》中，將大型飛機項目確定為“未來15年力爭取得突破的16 個重大科技專項”之一，而大型飛機發(fā)展的核心又是掌握和突破先進渦輪風(fēng)扇發(fā)動機的制造技術(shù)。因此，以上海所擁有的良好基礎(chǔ)，承擔(dān)起研發(fā)和生產(chǎn)任務(wù)，在不太長的時間內(nèi)攻克關(guān)鍵技術(shù)難題，進而提升上海的現(xiàn)代裝備制造業(yè)的技術(shù)水準和實力，并形成核心生產(chǎn)力，是歷史所賦予的責(zé)任、挑戰(zhàn)和機遇。

隨著高溫合金的應(yīng)用范圍越來越廣泛，其中采用單晶高溫合金渦輪葉片已經(jīng)成為先進航空發(fā)動機的主要趨勢，其對國民經(jīng)濟及現(xiàn)代裝備制造業(yè)的推動作用十分明顯。隨著國家大飛機研制項目開始立項，使我國對以高溫合金單晶渦輪葉片為代表的重型燃氣輪機核心部件制造技術(shù)的創(chuàng)新和國產(chǎn)化需求日益緊迫，其對國民經(jīng)濟發(fā)展、現(xiàn)代裝備制造水平提高，以及國防現(xiàn)代化等都具有巨大的社會意義、市場前景、經(jīng)濟效益。

飛機發(fā)動機高溫合金材料的技術(shù)體系梳理分析

從飛機發(fā)動機高溫合金材料產(chǎn)業(yè)分類的角度，我們對高溫合金產(chǎn)品的功能模塊進行了分解，對不同功能模塊的關(guān)鍵技術(shù)進行了歸納整理。

1.在變形高溫合金技術(shù)體系與關(guān)鍵技術(shù)方面，我國經(jīng)過多年應(yīng)用研究，對變形高溫合金中GH4169合金的冶煉工藝，鍛件的制造工藝、組織和性能等有了較深入的了解，也發(fā)展了制造盤件的普通工藝、高強工藝和直接時效工藝。國內(nèi)GH4169 合金主要采用兩聯(lián)工藝（VIM+VAR）生產(chǎn)，棒材采用快速水壓機開坯生產(chǎn)，盤鍛件采用快速水壓機自由鍛制坯，在錘或水壓機上采用包套模鍛工藝或在等溫數(shù)控液壓機上采用近等溫鍛工藝生產(chǎn)。但國內(nèi)GH4169 合金及其關(guān)鍵轉(zhuǎn)動零件的現(xiàn)有生產(chǎn)和制造水平與國外差距很大，不能滿足大客發(fā)動機長壽命、高可靠性的要求。國內(nèi)發(fā)展趨勢是：采用三聯(lián)冶煉工藝進一步提高合金純潔度；采用細晶制坯和等溫鍛造工藝穩(wěn)定鍛件生產(chǎn)工藝，提高鍛件的持久蠕變性能和批次穩(wěn)定性；進一步提高轉(zhuǎn)動件加工水平，延長關(guān)鍵轉(zhuǎn)動件的使用壽命和可靠性。

2.在粉末高溫合金技術(shù)體系與關(guān)鍵技術(shù)方面，我國開展的是以FGH96 合金為代表的使用溫度為750℃的第二代損傷容限型粉末高溫合金的研究?！笆晃濉背跗诓捎玫氖菤鍤忪F化粉末（AA 粉）＋熱等靜壓（HIP）+等溫鍛造（HIF）+熱處理工藝。盡管經(jīng)過多年的研究探索，我國FGH96 高壓渦輪盤的研究已經(jīng)取得了很大進展，但盤件的純凈度水平尚待提高，關(guān)鍵工藝缺乏工程化應(yīng)用研究，盤件的性能數(shù)據(jù)不完備，缺乏盤件制備的全套工藝技術(shù)文件，嚴重影響了FGH96 在大客發(fā)動機中的進一步應(yīng)用。

3.在鑄造高溫合金技術(shù)體系與關(guān)鍵技術(shù)方面，目前我國在產(chǎn)和在研的定向凝固渦輪葉片大多尺寸較小，在帶冠大展弦比定向凝固渦輪葉片的研制方面經(jīng)驗較少，目前葉片合格率僅為20%—30%。我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的低成本第二代單晶高溫合金DD6 具有優(yōu)良的綜合性能，該合金達到軍機發(fā)動機所規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)，解決了我國第二代單晶合金的有無問題；但我國的單晶高溫合金還未成熟，尚未完全掌握大型飛機發(fā)動機所需要的單晶高溫合金的使用性能和應(yīng)用技術(shù)。

飛機發(fā)動機高溫合金材料的現(xiàn)狀基礎(chǔ)分析

通過實地調(diào)研和專家咨詢，我們對上海飛機發(fā)動機高溫合金材料相關(guān)的科技資源稟賦現(xiàn)狀進行了分析，主要涉及企業(yè)的主營業(yè)務(wù)、區(qū)域分布、知識產(chǎn)權(quán)等情況；高校和科研院所的擅長領(lǐng)域、產(chǎn)學(xué)研合作、研發(fā)團隊等情況；以及配套平臺的相關(guān)設(shè)施和服務(wù)情況。

1.國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的優(yōu)勢分布。在國內(nèi)主要有寶鋼股份有限公司特殊鋼分公司（以下簡稱寶鋼特鋼）、撫順特殊鋼有限公司（以下簡稱撫鋼）、長城特鋼三家生產(chǎn)企業(yè)。

定向合金為國外第一代水平。目前國內(nèi)定向合金在航空發(fā)動機渦輪葉片和導(dǎo)向葉片上獲得廣泛應(yīng)用，典型合金有DZ4、DZ22、DZ417G、DZ125、DZ125L 等；第二代定向高溫合金的研究剛起步，如DZ6 合金（仿制Rene142合金），第三代定向高溫合金的研究處于初步探索階段，如DZ12合金。

單晶合金為國外第二代水平。單晶合金的表合金為DD6。我國還沒有整臺份單晶高溫合金葉片在發(fā)動機上服役。我國在上個世紀80年代末研制成功第一代單晶高溫合金DD3，并應(yīng)用于某軍機發(fā)動機渦輪工作葉片。到目前為止，北京航空材料研究院已研制出3000 余件某軍機發(fā)動機DD3 單晶實心渦輪工作葉片，已進行了DD3 單晶葉片發(fā)動機地面試車考核，正在進行飛行考核。

變形高溫合金發(fā)展較為成熟。以發(fā)動機上用量最大的GH4169 變形高溫合金為例，我國自20世紀80年代以來，對GH4169合金開展了大量的試驗研究和應(yīng)用研究，取得了重要成果，掌握了生產(chǎn)和技術(shù)方面的許多規(guī)律。至今，GH4169合金在發(fā)動機中的用量已由幾個、十幾個零件增加到二百多個，國產(chǎn)GH4169盤鍛件的性能已達到較高水平，每年生產(chǎn)某軍機發(fā)動機用盤鍛件近1000件。

第一代粉末盤研制尚未完全成功。國內(nèi)粉末高溫合金研究是從上個世紀70年代末開始的，自某軍機發(fā)動機粉末盤項目開題研究以來，大尺寸粉末盤的制造工藝和性能取得了一定的突破，重要的改進措施是采用擠壓工藝路線。粉末純凈度水平顯著提高，部分盤件純凈度達到美國GE公司標(biāo)準，性能達到Rene 88DT水平。

2.上海創(chuàng)新資源分布。上海在冶金方面具有較大的優(yōu)勢，上海寶鋼特鋼是上海地區(qū)具備高溫合金等民用航空材料生產(chǎn)可能的單位，寶鋼特鋼前身上鋼五廠和上海鋼研所曾為我國研制的大型運輸機（運十）以及我國軍用飛機供應(yīng)過數(shù)十噸鈦合金、高溫合金和特殊鋼棒材、鍛件等材料。同時，上海曾是用我國民用“運十”客機變形合金主要供應(yīng)廠家，目前為我國航空戰(zhàn)斗機發(fā)動機重點提供變形高溫合金。

從事飛機發(fā)動機高溫材料的高校有上海大學(xué)、上海交通大學(xué)等。上海交通大學(xué)金屬基復(fù)合材料國家重點實驗室在先進鈦合金、原位自生鈦基復(fù)合材料及其制備技術(shù)方面開展了廣泛的研究，先后承擔(dān)了20多項國家重點項目，在耐熱原位自生鈦合金及鈦基復(fù)合材料超塑性研究方面取得了一系列重要研究成果。

3.上海面臨的機遇和挑戰(zhàn)。2011年11月，上海交大成立航空發(fā)動機研究院，并與中國航空工業(yè)集團簽訂戰(zhàn)略合作協(xié)議。它將在國家和上海市的支持下，在中航工業(yè)等行業(yè)核心力量的幫助指導(dǎo)下，經(jīng)過十年左右的建設(shè)，建設(shè)成為世界級的航空發(fā)動機先進技術(shù)研發(fā)中心和實驗驗證中心。

中國商用飛機有限責(zé)任公司、中航工業(yè)商用飛機發(fā)動機公司近年來紛紛落戶于上海，這將為上海大力推進大型飛機的研制工作提供了新的機遇。2008年5月，中國商用飛機有限責(zé)任公司在上海揭牌成立，開啟了中國自主研制大型客機的新篇章。2009年1月中航工業(yè)商用飛機發(fā)動機有限責(zé)任公司在上海注冊成立，主要從事民用飛機發(fā)動機及相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計、研制、生產(chǎn)、銷售、維修、服務(wù)、技術(shù)開發(fā)和技術(shù)咨詢等業(yè)務(wù)。

總體而言，上海與國際先進水平的差距還很大，而且與我國在新世紀研制和生產(chǎn)先進戰(zhàn)斗機、先進民機及其高推比發(fā)動機和機載設(shè)備對熱加工技術(shù)的需求相比，其差距也很大。在飛機發(fā)動機高溫合金方面的主要差距表現(xiàn)為變形高溫合金雖可達到國際先進標(biāo)準要求，但產(chǎn)品實物質(zhì)量與歐美仍有明顯差距。由于歷史的原因，粉末高溫合金和鑄造高溫合金的研究和制造處于空白狀態(tài)，是重點攻克的方向。同時，大部分研究尚停留在實驗階段，產(chǎn)品形成后還存在驗收標(biāo)準等問題，不能產(chǎn)業(yè)化。

飛機發(fā)動機高溫合金材料技術(shù)路線選擇與分析

根據(jù)飛機發(fā)動機高溫合金材料情景圖的未來目標(biāo)設(shè)定，體系圖的技術(shù)體系，并給予上?，F(xiàn)況的定位和發(fā)展方面，我們從研究任務(wù)的應(yīng)用技術(shù)體系中建立了技術(shù)功效指標(biāo)的時間軸與里程碑并選取了對于發(fā)展上海發(fā)展飛機發(fā)動機高溫合金材料的關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)。所形成的飛機發(fā)動機高溫合金材料區(qū)域戰(zhàn)略性技術(shù)路線圖見右圖。到2015年，主要是完善現(xiàn)有第二代單晶為代表的高溫合金材料，提高產(chǎn)品質(zhì)量和成品率，降低成本。國產(chǎn)高溫合金材料用量達到驗證機結(jié)構(gòu)重量35%，形成大型客機發(fā)動機高溫合金材料適航符合性程序。大型客機發(fā)動機主選高溫合金材料技術(shù)成熟度達到6—7級。到2020年，將發(fā)展第三代單晶葉片材料及其相匹配的其他高溫合金部件材料（如金屬間化合物和陶瓷材料等），并開始應(yīng)用。國產(chǎn)高溫合金材料用量達到發(fā)動機結(jié)構(gòu)重量40%以上。建立滿足發(fā)動機適航要求的高溫合金材料體系和高溫合金材料應(yīng)用的技術(shù)支撐體系，實現(xiàn)發(fā)動機國產(chǎn)高溫合金材料的批量供應(yīng)。大型客機發(fā)動機主選高溫合金材料技術(shù)成熟度達到8—9級。關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)包括單晶高溫合金渦輪導(dǎo)向葉片和工作葉片制造技術(shù)、定向高溫合金渦輪葉片制造技術(shù)、長壽命關(guān)鍵轉(zhuǎn)動件用GH4169合金棒材研制技術(shù)、粉末高壓渦輪盤制造技術(shù)。

高溫合金材料戰(zhàn)略性技術(shù)路線圖

結(jié)論

區(qū)域產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新能力是以產(chǎn)業(yè)自主技術(shù)體系為重要載體，區(qū)域產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新能力的提升是彰顯科技創(chuàng)新支撐引領(lǐng)區(qū)域發(fā)展的關(guān)鍵作用的重要標(biāo)準之一。區(qū)域戰(zhàn)略性技術(shù)路線圖的發(fā)展與應(yīng)用，對于提升區(qū)域自主創(chuàng)新能力和核心競爭力起到了優(yōu)化創(chuàng)新管理的作用。上海區(qū)域戰(zhàn)略性技術(shù)路線圖的編制是落實上?！笆濉笨萍家?guī)劃的重要嘗試和創(chuàng)新，它不僅是創(chuàng)新主體各方參與并形成廣泛共識的過程，而且是創(chuàng)新主體運用最新的戰(zhàn)略路線圖研究方法對重點領(lǐng)域進行科技規(guī)劃的過程，它將為上海市科技創(chuàng)新主體的各方提供公共產(chǎn)品的同時也著實提升了創(chuàng)新主體的規(guī)劃水平。