[01118305]先进宇航发动机用高温合金系列关键材料开发及应用

1、课题来源与背景 航空发动机是飞机的“心脏”,被誉为“皇冠上的明珠”;它集中了工业化、信息化的技术精华,体现一个国家的工业基础、科技水平和国防实力。 航空发动机核心部分由高温合金制造,高温合金占发动机总质量的60%。GH4169是航空发动机用最重要高温合金,被誉为“高温合金支柱”;它占先进航空发动机核心机重量的60%,主要制造发动机涡轮盘等转动件;它是650℃下强度最高、组织稳定性最好的材料;具有优异的综合性能。本世纪初,国产GH4169、GH4738等冶金质量及工艺稳定性尚不能完全满足我国先进航空发动机研制和批产需求。主要是冶炼工艺技术水平低、冶金质量稳定性差、缺陷率高,大规格棒材组织均匀性差,影响发动机盘锻件服役寿命。长征五号是我国自主设计研制的最大运载火箭,承载我国未来空间站建设和深空探测等飞天梦;急需液氢液氧发动机用GH4169涡轮转子和GH3600超长薄壁管等关键材料。新一代航空发动机设计急需研制承温更高的关键材料,突破650℃承温极限。本项目根据国家重大工程需要,尽快突破GH4169等典型高温合金关键材料的超纯净化冶炼、锻造开坯和热加工组织均匀性以及诸多部件的深加工制造等核心技术。 2、技术原理及性能指标 ①航空航天发动机用关键材料研发需要突破以下五大关键技术： 1)研究合金关键元素成分设计范围与控制方法; 2)研究高温合金超纯净冶炼工艺技术; 3)研究和控制合金元素含量过高导致的显微偏析加剧; 4)研究合金铸锭锻造开坯和棒材及各类锻件等组织性能控制技术; 5)探索超长精细薄壁表面质量精准控制技术 ②性能指标 GH4169化学成分（wt%）：C/0.012~0.036;Cr/17.00~19.00;Mo/2.80~3.15;Nb/5.20~5.55;Ti/0.75~1.15;Al/0.35~0.65;Ni/52.00~55.00;Fe/16.00~19.00;P/0.007~0.015;Co≤1.00;Mn≤0.35;Si≤0.35;S≤0.0010;Ta≤0.10;Mg≤0.0030;B≤0.006;Cu≤0.30;Ca≤0.005。其它元素（ppm）:Pb≤5;Sn≤50;Se≤3;Bi≤0.3;Ag≤5;Te≤0.5;TI≤1;O≤25;N≤100。 室温拉伸性能;σb≥1345MPa,σ0.2≥1100MPa,δ5≥12%,Ψ≥15%; 650℃高温拉伸;σb≥1080MPa,σ0.2≥930MPa,δ5≥12%,Ψ≥15%; 棒材中心、1/2R和边缘晶粒度细于6级; 3、技术的创造性与先进性 突破先进航空航天发动机用典型高温合金化学成分设计与精准控制技术;掌握这些关键材料工程化超纯净冶炼和热加工等关键技术,并实现生产过程稳定控制。 创建软包套保温锻造技术,用于大型难变形高温合金锻造开坯及涡轮盘等模锻;开发的大棒材及锻件等产品质量达到国际先进水平。 创新开发GH4169双组织双性能一体锻件的“特种成型工艺”、GH3600超长精细薄壁无缝管特殊清洗技术和管材表面质量检验标准图谱。实物质量达到国际先进水平。 系统掌握新型大推力航空发动机用GH4169G转动件关键材料生产工艺技术,并实现工程化使用。材料承温极限由原来的650℃提高到680℃。产品质量达到国际先进水平。 上述成果打破国外技术垄断,极大推动了我国高温合金生产技术走向精密制造的前进步伐;整体技术达到国际先进水平,为我国两机专项等技术的发展做出了突出贡献。 4、技术的成熟程度,适用范围和安全性 本项目开发的GH4169、GH4738和GH3600等冶炼和热加工及冷加工等技术成熟;工艺稳定、产品质量良好。适合先进航空发动机、航天发动机的研制和批产。 开发的GH4169G合金大规格棒材,经数十个炉批生产验证,工艺稳定、质量良好。可用于新型大推力航空发动机小批量试制生产。 5、应用情况及存在的问题 应用情况： 1)制定的超纯净冶炼和热加工工艺技术经近十年批生产验证,工艺稳定、冶金质量良好。 2)开发的GH4169、GH4738等关键材料用于先进涡轴发动机和涡扇发动机涡轮盘等批产。 3)独家研制的液氢液氧发动机用GH4169系列转子锻件和GH3600超长精细薄壁无缝管等顺利通过多次试车考核。成功助力长征五号大推力运载火箭的首飞和复飞。 4)开发的GH4169G大棒材用于某大型高端航空发动机等研究与试制。 5)开发的软包套保温锻造技术用于难变形高温合金锻造开坯和大棒材及锻件研制与批产。 存在问题：需进一步优化工艺技术控制,降低生产成本。 6、历年获奖情况; 2019年,本项目相关技术荣获“中国宝武技术创新重大成果奖一等奖”