工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片用鑄造高溫合金研究及應(yīng)用進(jìn)展

羅 亮，肖程波，陳晶陽(yáng)，李 青，戴圣龍

(中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院 先進(jìn)高溫結(jié)構(gòu)材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095)

與傳統(tǒng)的柴油機(jī)、蒸汽輪機(jī)等動(dòng)力裝置相比，工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)具有體積小、效率高、污染低、功率范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于工業(yè)發(fā)電、艦船、石油及天然氣管路輸送、供熱、礦井通風(fēng)等領(lǐng)域的動(dòng)力裝置。歐美等工業(yè)強(qiáng)國(guó)都將燃?xì)廨啓C(jī)的研制作為重要的發(fā)展方向。工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展代表著國(guó)家重大裝備制造業(yè)的總體水平，是國(guó)家高新技術(shù)和科技實(shí)力的重要標(biāo)志，與國(guó)家能源安全、國(guó)防安全密切相關(guān)[1-3]。

幾十年來(lái)，鑄造高溫合金一直扮演著航空發(fā)動(dòng)機(jī)和工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片用材料的主角[1, 4-7]。當(dāng)前，全球每年高溫合金需求約28萬(wàn)噸，被廣泛應(yīng)用于航空航天、艦船、兵器、核電、超超臨界火力發(fā)電、工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)及石化等領(lǐng)域，其中航空航天領(lǐng)域用量最大，占總需求量的55%，其次是工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)(20%)和艦船(10%)等。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)和工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片按功能分類(lèi)包括工作葉片和導(dǎo)向葉片，按結(jié)構(gòu)分類(lèi)包含實(shí)心結(jié)構(gòu)葉片和空心結(jié)構(gòu)(簡(jiǎn)單空心、復(fù)雜氣冷、雙層壁超氣冷等)葉片，按成型工藝分則包括等軸晶葉片、定向葉片和單晶葉片。渦輪葉片材料及其精密鑄造技術(shù)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)和工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的核心關(guān)鍵技術(shù)之一[8]。航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片和工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片的選材原則基本相同，但各有側(cè)重點(diǎn)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)注重渦輪葉片材料的熱強(qiáng)性能和承溫能力，與航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片材料相比，工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)葉片的工作環(huán)境要惡劣得多，大多含硫、鈉等雜質(zhì)，造成熱腐蝕，對(duì)高溫合金部件破壞作用大；燃機(jī)葉片壽命通常達(dá)幾萬(wàn)乃至幾十萬(wàn)小時(shí)，承受基本載荷的時(shí)間長(zhǎng)；重型燃?xì)廨啓C(jī)葉片尺寸大、質(zhì)量大。這就要求工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)用高溫合金具有更為良好的耐熱腐蝕性能、長(zhǎng)期組織穩(wěn)定性、蠕變壽命和鑄造工藝性能[9]。因此，航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片和工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片材料各自成體系，但也有交叉之處。

國(guó)際上壟斷市場(chǎng)的幾家制造行業(yè)巨頭均具有獨(dú)立、完善、成熟的工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)材料體系，該類(lèi)型材料國(guó)際上有美國(guó)GE(general electric)公司的GTD系列、René系列，Inconel公司的In系列和日本三菱日立(MHI：mitsubishi hitachi)的MGA系列等。在成熟的等軸晶合金和定向合金之外，發(fā)展了PWA1483，CMSX-4，RenéN5等第一代，第二代鎳基單晶高溫合金[10-11]。這些合金在20世紀(jì)90年代后期已廣泛應(yīng)用于制造重型燃?xì)廨啓C(jī)葉片和噴嘴，技術(shù)成熟度高，應(yīng)用考核驗(yàn)證充分。目前，H級(jí)系列工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)已經(jīng)投入商業(yè)運(yùn)行，定向和單晶高溫合金已經(jīng)大量應(yīng)用到先進(jìn)工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)上，而國(guó)內(nèi)工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)用高溫合金多數(shù)為仿制的等軸晶合金，鎳基單晶高溫合金的研究剛剛起步。

1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)按功率等級(jí)劃分大體分為微型、輕型、中型、重型4個(gè)等級(jí)。微型燃機(jī)功率一般在0.3MW以內(nèi)，主要用于分布式能源；輕型燃機(jī)功率一般為0.3～20MW，主要用于分布式能源和一些輕型動(dòng)力裝置(小型艦船等)；中型燃機(jī)功率在20～100MW范圍，主要用于大中型水面艦艇和地面長(zhǎng)距離管線增壓；重型燃機(jī)功率一般在100MW以上，主要與蒸汽輪機(jī)聯(lián)合循環(huán)用于工業(yè)發(fā)電。

先進(jìn)國(guó)家的工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)正朝著大功率、高效率、低排放、燃料多樣化、高可靠性方向發(fā)展。目前，國(guó)外重型燃機(jī)單機(jī)功率達(dá)到400MW以上，簡(jiǎn)單循環(huán)效率達(dá)到40%，聯(lián)合循環(huán)效率達(dá)到61.5%。隨著功率等級(jí)的不斷增大，工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的制造難度也逐漸變大，技術(shù)水平越來(lái)越高，重型燃?xì)廨啓C(jī)的制造水平代表著一個(gè)國(guó)家的整體工業(yè)水平。為了搶占市場(chǎng)，增強(qiáng)全球競(jìng)爭(zhēng)力，國(guó)際上工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)行業(yè)經(jīng)過(guò)多次整合并購(gòu)，優(yōu)化資源配置，目前形成了以美國(guó)GE、德國(guó)SIEMENS、日本MHI為主的三大巨頭高度壟斷的局面。

在技術(shù)路線發(fā)展上，國(guó)際上工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)經(jīng)歷了兩條路線：

第一，以美國(guó)GE、P&W(pratt & whitney)和英國(guó)RR(rolls-royce)公司為首的航改工業(yè)和艦船燃?xì)廨啓C(jī)。這類(lèi)燃機(jī)主要涵蓋輕型，中型功率等級(jí)，如典型的輕型、中型功率燃機(jī)LM2500，LM2500+，WR-21，MT50等，如表1所示[12]。其渦輪葉片材料大量使用了定向和單晶鎳基高溫合金。近來(lái)，RR公司的MT-50艦船燃?xì)廨啓C(jī)采用了第三代鎳基單晶高溫合金CMSX-10[13-14]。

第二，以GE，SIEMENS，MHI為代表，遵循傳統(tǒng)的蒸汽輪機(jī)理念發(fā)展起來(lái)的重型燃?xì)廨啓C(jī)，主要用于燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電。GE公司的重型燃機(jī)從 早期的6B，9E級(jí)別發(fā)展到目前廣泛應(yīng)用的9F級(jí)重型燃機(jī)，再到下一代H級(jí)，功率已經(jīng)達(dá)到了400MW以上。渦輪葉片材料從等軸晶合金發(fā)展到定向合金，再發(fā)展到單晶合金，葉片涂層材料則從滲鋁涂層發(fā)展到熱障涂層(TBC)，如表2所示[15-16]。近年來(lái)，美英等發(fā)達(dá)國(guó)家實(shí)施了ATS(先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)計(jì)劃)、CAGT(聯(lián)合的先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)改型燃?xì)廨啓C(jī)計(jì)劃)、ECATS(歐盟先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)計(jì)劃)、SMGT(超級(jí)艦船燃?xì)廨啓C(jī)計(jì)劃)等研究計(jì)劃[2,17-19]，必將推動(dòng)先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)單晶高溫合金及其制備技術(shù)的更大發(fā)展。

表1 國(guó)際上典型的輕型、中型航改工業(yè)和艦船燃?xì)廨啓C(jī)及渦輪葉片鑄造高溫合金概況[12]Table 1 Typical casting superalloys used internationally for light and medium duty aero-derivative industrial and marine gas turbines and turbine blades[12]

表2 國(guó)外典型重型燃?xì)廨啓C(jī)及渦輪葉片鑄造高溫合金概況[15-16]Table 2 Typical casting superalloys used internationally for heavy duty gas turbines and turbine blades[15-16]

2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)行業(yè)自20世紀(jì)50年代開(kāi)始建設(shè)，受多種因素影響，發(fā)展歷程曲折，至今沒(méi)有一型燃機(jī)走完自主設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及應(yīng)用的全過(guò)程。研發(fā)體系尚不健全，核心技術(shù)掌握不全面，尚未形成完善的自主創(chuàng)新研發(fā)體系，得到市場(chǎng)認(rèn)可的產(chǎn)品較少。重型燃機(jī)通過(guò)“打捆招標(biāo)”的方式引進(jìn)了冷端部件的制造技術(shù)，但設(shè)計(jì)技術(shù)以及熱端部件的制造及維修技術(shù)仍由國(guó)外壟斷?？傊覈?guó)工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展面臨著較為復(fù)雜的知識(shí)產(chǎn)權(quán)問(wèn)題、核心技術(shù)問(wèn)題和體系建設(shè)問(wèn)題。

(1)輕型燃?xì)廨啓C(jī)(航改燃)

在輕型燃機(jī)的發(fā)展上，我國(guó)走的同樣是航改燃路線，經(jīng)歷了從第二代渦噴、第三代渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)派生的一系列航改燃機(jī)型，如QD70，QD128，QD168和QC185等，但至今尚未形成批量投入市場(chǎng)，見(jiàn)表3。在地面燃機(jī)渦輪葉片材料方面，將部分原來(lái)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片材料換成了燃?xì)廨啓C(jī)用耐腐蝕等軸晶、定向合金，如QD70，將原渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪工作葉片材料使用的DZ125合金換成了DZ411合金。

表3 國(guó)內(nèi)主要輕型(航改燃)燃?xì)廨啓C(jī)及渦輪葉片鑄造高溫合金概況Table 3 Typical casting superalloys used domestically for light duty (aero-derivative) gas turbines and turbine blades

(2)中型燃?xì)廨啓C(jī)

在中型燃機(jī)的發(fā)展方面，未來(lái)我國(guó)的海軍新型驅(qū)逐艦、護(hù)衛(wèi)艦等重要作戰(zhàn)艦艇都將采用以燃?xì)廨啓C(jī)為核心的推進(jìn)動(dòng)力。根據(jù)艦艇裝備發(fā)展需求，將按40，20MW和10MW三個(gè)不同功率等級(jí)構(gòu)建艦船燃?xì)廨啓C(jī)裝備系列。其中，40MW級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)用于萬(wàn)噸級(jí)驅(qū)逐艦、兩棲攻擊艦后續(xù)艦的綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)原動(dòng)機(jī)；20MW級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)用于萬(wàn)噸級(jí)驅(qū)逐艦及其后續(xù)艦、6000噸級(jí)驅(qū)逐艦、3000噸級(jí)護(hù)衛(wèi)艦的機(jī)械推進(jìn)主機(jī)或綜合電力系統(tǒng)電站原動(dòng)機(jī)；10MW級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)用于氣墊登陸艇等特種和小型水面艦艇的綜合電力系統(tǒng)電站原動(dòng)機(jī)。

國(guó)內(nèi)目前發(fā)展的中型燃機(jī)走引進(jìn)消化和自主研發(fā)兩條路，某燃機(jī)自1993年從烏克蘭引進(jìn)生產(chǎn)許可證，功率為25MW，由中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司負(fù)責(zé)引進(jìn)設(shè)計(jì)、中國(guó)航發(fā)西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司負(fù)責(zé)燃?xì)獍l(fā)生器研制、哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱哈汽)負(fù)責(zé)動(dòng)力渦輪研制，經(jīng)過(guò)近20年國(guó)產(chǎn)化，具備了小批量制造能力。QC400燃機(jī)則是中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所在與P&W公司合作生產(chǎn)的FT8燃機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行改型而成，功率為40MW，擬用于我國(guó)先進(jìn)驅(qū)逐艦和兩棲攻擊艦的原動(dòng)力。QC400以及正在研制的50，60MW級(jí)燃機(jī)的渦輪葉片選材情況如表4所示。近來(lái)，哈汽與俄羅斯彼爾姆航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)局(AVI)合作研發(fā)、引進(jìn)了性能先進(jìn)的中小型燃機(jī)生產(chǎn)許可證，并進(jìn)行技術(shù)引進(jìn)、消化吸收、自主設(shè)計(jì)、制造研發(fā)、安裝調(diào)試和維修服務(wù)的中小燃機(jī)全產(chǎn)業(yè)鏈模式，形成10～40MW系列工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)批量化的本體制造和成套供應(yīng)能力。主要產(chǎn)品型號(hào)包括GTU-10P，GTU-12P，GTU-16P，GTU-25P等。

表4 國(guó)內(nèi)主要中型燃?xì)廨啓C(jī)及渦輪葉片鑄造高溫合金概況Table 4 Typical casting superalloys used domestically for medium duty gas turbines and turbine blades

(3)重型燃?xì)廨啓C(jī)

在重型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展路線上，我國(guó)從2003年開(kāi)始采取引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)機(jī)組和自主研發(fā)兩種方式并行發(fā)展。在引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)機(jī)組方面，由國(guó)家發(fā)改委組織，在“十五”期間通過(guò)“打捆招標(biāo)”，以市場(chǎng)換技術(shù)的形式，由電力集團(tuán)的三大汽輪機(jī)廠承擔(dān)重型燃?xì)廨啓C(jī)的國(guó)產(chǎn)化任務(wù)，與國(guó)外(GE，SIEMENS，MHI)合作，引進(jìn)E級(jí)和F級(jí)燃機(jī)。最終哈汽與GE合作生產(chǎn)9FA重型燃機(jī)，東方汽輪機(jī)有限公司和日本MHI合作生產(chǎn)M701F燃機(jī)，上海電氣電站設(shè)備有限公司上海汽輪機(jī)廠和德國(guó)SIEMENS合作生產(chǎn)V94.3燃機(jī)。在自主研發(fā)路線上，“十五”期間，由國(guó)家科技部牽頭啟動(dòng)了863項(xiàng)目“燃?xì)廨啓C(jī)重大專項(xiàng)”，中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司主承擔(dān)自主研發(fā)功率110MW的E級(jí)R0110重型燃?xì)廨啓C(jī)，哈汽主承擔(dān)F級(jí)300MW重型燃?xì)廨啓C(jī)。其中R0110重型燃?xì)廨啓C(jī)在深圳運(yùn)行了約160h，F(xiàn)級(jí)300MW重型燃?xì)廨啓C(jī)完成了初步設(shè)計(jì)，尚未進(jìn)行制造，如表5所示。到目前為止，燃機(jī)市場(chǎng)仍然被國(guó)外占據(jù)，局面短期內(nèi)難以改變。

表5 國(guó)內(nèi)主要重型燃?xì)廨啓C(jī)及渦輪葉片鑄造高溫合金概況Table 5 Typical casting superalloys used domestically for heavy duty gas turbines and turbine blades

在重型燃機(jī)大尺寸定向/單晶渦輪葉片制造技術(shù)領(lǐng)域，中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院和中國(guó)科學(xué)院金屬研究所在國(guó)內(nèi)居領(lǐng)先地位。其中，中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院自主研制了承溫能力比DS GTD111合金高約10～15K，長(zhǎng)期組織穩(wěn)定性和耐熱腐蝕性能良好的工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片用新型耐熱腐蝕定向合金DZ466[20-21]，并完成了試車(chē)考核。此外，還研制了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高承溫能力、良好耐熱腐蝕性能和組織穩(wěn)定性的第一代耐熱腐蝕單晶合金DD488[22-23]，并完成了300mm大尺寸單晶葉片樣件的研制。近來(lái)，中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“材料基因工程關(guān)鍵技術(shù)與支撐平臺(tái)”專項(xiàng)的資助下在國(guó)內(nèi)率先利用“材料基因工程”技術(shù)組合設(shè)計(jì)鎳基單晶高溫合金，實(shí)現(xiàn)了研制周期和研制成本的大幅縮減。針對(duì)高溫合金多尺度集成設(shè)計(jì)理論與方法這一科學(xué)問(wèn)題，突破了成分-組織-性能高通量表征等關(guān)鍵技術(shù)，利用第一性原理、熱動(dòng)力學(xué)計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)等“材料基因工程”方法，組合設(shè)計(jì)了先進(jìn)地面重型燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片用第二代耐熱腐蝕單晶高溫合金DD489，并采用快速凝固法對(duì)設(shè)計(jì)的合金進(jìn)行了工藝驗(yàn)證，合金綜合性能水平達(dá)到并部分超過(guò)國(guó)外同類(lèi)合金。圖1(a)～(c)分別是DZ466，DD488和DD489合金與國(guó)外性能相當(dāng)合金的熱強(qiáng)參數(shù)綜合曲線的比較。中國(guó)科學(xué)院金屬研究所研制了耐熱腐蝕定向合金DZ411(仿DS GTD111)[24-26]，大型定向葉片完成了熱沖擊考核，此外還研制了第一代耐熱腐蝕單晶合金DD408[27-29]和DD483合金(仿PWA1483)[30-31]，單晶葉片完成了樣件研制。

圖1 Larson-Miller曲線(a)DZ466與DS GTD111[32-33]；(b)DD488與PWA1483[10]；(c)DD489與RenéN5[34]Fig.1 Larson-Miller curves(a)DZ466 with DS GTD111[32-33]；(b)DD488 with PWA1483[10];(c)DD489 with RenéN5[34]

3 發(fā)展趨勢(shì)

截至2018年年底，SIEMENS的SGT-8000H級(jí)重型燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)品已經(jīng)在全球銷(xiāo)售超過(guò)85臺(tái)，總運(yùn)行時(shí)間超過(guò)650000h。SIEMENS計(jì)劃基于目前成熟的H級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)，研發(fā)下一代HL級(jí)重型燃?xì)廨啓C(jī)，將發(fā)電效率從61%提升到63%以上。SIEMENS的新型HL級(jí)重型燃機(jī)由3個(gè)主要型號(hào)組成：SGT5-9000HL，SGT6-9000HL和SGT5-8000HL。在簡(jiǎn)單循環(huán)運(yùn)行中，風(fēng)冷式的SGT-9000HL級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)分別可以為50Hz發(fā)電市場(chǎng)提供545MW和為60Hz發(fā)電市場(chǎng)提供374MW的發(fā)電容量。SGT5-8000HL則可以在簡(jiǎn)單循環(huán)中提供453MW的發(fā)電容量。HL級(jí)重型燃?xì)廨啓C(jī)的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率都超過(guò)了63%。

隨著先進(jìn)工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)功率和發(fā)電效率的不斷提升，工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片用鑄造高溫合金及渦輪葉片制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)如下：

(1)發(fā)展復(fù)雜、大尺寸定向/單晶地面燃機(jī)渦輪葉片制造技術(shù)

先進(jìn)的冷卻技術(shù)能夠有效提高葉片的使用溫度，隨著冷卻技術(shù)的發(fā)展，國(guó)外進(jìn)口溫度為1350℃和1500℃的重型燃機(jī)都采用了高效氣膜冷卻等冷卻技術(shù)，葉片制造技術(shù)趨于復(fù)雜化、精密化和大型化。F級(jí)和H級(jí)先進(jìn)燃機(jī)的工作葉片和導(dǎo)向葉片大量采用大型定向/單晶葉片，長(zhǎng)度超過(guò)600mm的復(fù)雜空心定向葉片、超過(guò)450mm的復(fù)雜空心單晶葉片制造技術(shù)的突破決定了H級(jí)及以上先進(jìn)地面燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展速度。針對(duì)大尺寸燃?xì)廨啓C(jī)定向凝固渦輪葉片制備，以高速定向凝固(HRS)技術(shù)為基礎(chǔ)，國(guó)際上發(fā)展了液態(tài)金屬冷卻(liquid metal cooling，LMC)[35-36]、氣體冷卻(gas cooling casting，GCC)[37-38]、薄殼鑄造(thin shell casting，TSC)[39-41]和流化碳床冷卻(fluidized carbon bed cooling，F(xiàn)CBC)[42]等先進(jìn)定向凝固技術(shù)。國(guó)內(nèi)，中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院[22-23]、中國(guó)科學(xué)院金屬研究所[43-44]、西北工業(yè)大學(xué)[45-46]和沈陽(yáng)鑄造研究所有限公司[47]等單位近來(lái)開(kāi)展了LMC定向凝固技術(shù)研究。

(2)隨著燃?xì)膺M(jìn)口溫度不斷提高，定向/單晶工藝逐步占據(jù)主導(dǎo)地位

先進(jìn)國(guó)家的工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)正朝著大功率、高效率、低排放、高可靠性方向發(fā)展。隨著功率等級(jí)的不斷增大，燃?xì)膺M(jìn)口溫度不斷提高，例如MHI的J級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)的進(jìn)氣溫度比1500℃的G型燃?xì)廨啓C(jī)還要高100℃[48]，未來(lái)級(jí)重型燃?xì)廨啓C(jī)的進(jìn)氣溫度將達(dá)到1700℃[3]。此外，地面燃機(jī)的制造難度也逐漸變大，技術(shù)水平越來(lái)越高，定向/單晶工藝逐步占據(jù)主導(dǎo)地位，國(guó)外先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)上定向/單晶渦輪葉片材料比例已經(jīng)達(dá)到60%。

(3)利用“材料基因工程”方法降低燃機(jī)用新型鎳基高溫合金研發(fā)成本，縮短研發(fā)周期

2011年，為重振制造業(yè)領(lǐng)先地位，美國(guó)率先啟動(dòng)了“材料基因工程”計(jì)劃并使之上升為國(guó)家戰(zhàn)略，以爭(zhēng)取在新一輪材料革命性發(fā)展中占有先機(jī)。近年來(lái)，在包括高溫合金和飛機(jī)關(guān)鍵材料在內(nèi)的多個(gè)領(lǐng)域獲得突破，證明“材料基因工程”方法對(duì)高溫合金具有很好的適用性[49-51]。我國(guó)高溫合金也由傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究向?qū)嶒?yàn)與計(jì)算相結(jié)合模式發(fā)展，在新型高溫合金的研發(fā)、“材料基因工程”方法研究等方面取得了一定進(jìn)展。但是，高溫合金研發(fā)與構(gòu)件制備的整體水平與先進(jìn)國(guó)家仍有較大差距。其部分原因在于對(duì)“材料基因工程”概念和方法認(rèn)識(shí)不夠，基于“材料基因工程”的高溫合金研究與應(yīng)用仍處于起步階段，高溫合金材料研發(fā)和制備方面長(zhǎng)期依賴于大量經(jīng)驗(yàn)積累和簡(jiǎn)單循環(huán)試錯(cuò)為特征的“經(jīng)驗(yàn)尋優(yōu)”方式，科學(xué)性差、偶然性大，因而造成周期長(zhǎng)和成本高。根據(jù)國(guó)家“兩機(jī)專項(xiàng)”和“中國(guó)制造2025”的戰(zhàn)略需求，加速研發(fā)新型高溫合金已成為發(fā)展未來(lái)裝備急需解決的關(guān)鍵瓶頸問(wèn)題。2016年中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“材料基因工程關(guān)鍵技術(shù)與支撐平臺(tái)”專項(xiàng)支持下，聯(lián)合北京科技大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院金屬研究所、中南大學(xué)、上海交通大學(xué)等共10所科研院所和高校，針對(duì)先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)及地面重型燃?xì)廨啓C(jī)關(guān)鍵熱端部件，突破高通量計(jì)算、高通量實(shí)驗(yàn)、材料大數(shù)據(jù)三大“材料基因工程”關(guān)鍵技術(shù)，研制了新型燃機(jī)用長(zhǎng)壽命單晶高溫合金、航機(jī)用高強(qiáng)單晶高溫合金、航機(jī)用高性能粉末高溫合金和航機(jī)用鑄造多晶高溫合金，實(shí)現(xiàn)了新型鎳基高溫合金研發(fā)周期縮短一半、研發(fā)成本降低一半的目標(biāo)。