航空发动机选材图解说明

高温合金锭

单晶叶片毛坯

从高温合金废料中回收获得的铼锭

先进航空发动机制造技术是一个国家科技工业水平和综合实力的重要标志，其技术进步与涡轮叶片制造技术的发展密不可分。为了提高航空发动机的推力，美国、欧洲与俄罗斯的大推力航空发动机全都采用了单晶高温合金叶片。在单晶高温合金材料和单晶叶片制造技术方面，我国与发达国家相比存在较大差距，航空发动机的动力、寿命与可靠性亟待提高。

我国单晶高温合金材料的瓶颈问题主要体现在三个方面：一是合金中有害杂质元素O、N、S等含量高；二是合金中易烧损元素成分范围波动大；三是可控杂质元素个数少。针对这三个问题，中国科学院金属研究所通过研究合金熔体中O、N、S等有害杂质元素在不同冶炼阶段的反应去除机理与过程控制，将单晶高温合金的O、N、S含量从20ppm以上降低到5ppm以下，接近了国际单晶高温合金的最高冶炼水平（1-2ppm）。通过开展合金主元素在不同温度、真空度条件下的挥发和烧损规律研究，实现了合金中各主元素含量的精确控制，把最容易发生成分波动的C、Y元素含量控制在±0.01wt.%以内，Cr、Hf、Al等元素成分波动控制在±0.1wt.%以内，显著提高了单晶高温合金的力学及工艺性能稳定性。结合化学成分对单晶高温合金显微组织、物理性能、力学性能、高温腐蚀性能、铸造性能影响的研究，确定了单晶高温合金中20多种杂质元素的成分控制范围。在此基础上，研制出了多种先进单晶高温合金，缓解了我国多个型号航空发动机急需的关键材料问题。

我国单晶高温合金叶片制造技术的瓶颈问题主要体现在叶片制造工艺基础研究薄弱，复杂结构单晶叶片合格率较低上。单晶叶片制造工艺流程复杂，涉及冶炼、铸造、模具设计、型壳型芯、单晶生长、化学脱芯、热处理、无损检测、机加、焊接、表面涂层等几十个工艺环节，如果这些工艺过程的基础研究不到位，单晶叶片制造过程中就会不可避免地出现杂晶、小角晶界、取向偏离、界面反应、热裂纹、再结晶、显微疏松、夹杂、铸瘤、欠铸等冶金缺陷。由于缺少对单晶铸造缺陷形成机制的深入认识，长期以来我国一直不能制定出有效的缺陷控制措施。针对这些问题，金属研究所从开展单晶叶片铸造缺陷形成机制与控制方法基础研究着手，发展了从模具设计到铸件检验的单晶叶片制造全流程控制技术，并成功应用于多种型号与类型的单晶叶片研制，促进了我国单晶叶片铸造技术的进步，为中航工业发动机公司以及航天科工集团公司多个新型发动机的研制提供了叶片保障。

高温合金叶片铸造过程中，需要通过浇道与冒口设置来避免叶片中出现不可接受的铸造缺陷。铸造后浇道与冒口内的高温合金不允许在航空发动机零部件制造中重复使用，因此高温合金叶片铸造过程中产生出的废料常高达总用料的70%。单晶高温合金材料的基体为镍元素，其中含有铼、钌、钽、钨、钼、钴等稀有贵重金属。由于缺少相关分离提取技术，使得合金废料中铼、钌、钽、钨、钼、钴等高价值元素只能被当作镍来对待，造成了极大的资源浪费和经济损失。针对这一问题，金属研究所建立了从高温合金废料中分离回收稀贵金属元素的技术路线，实现了从高温合金废料中分离回收铼、钌、钽、钨、钼、钴等稀贵金属元素的目标，同时形成了与之配套的高温合金低成本制造技术，该技术可使含铼、钌单晶高温合金的制造成本显著降低。

目前，我国的自主创新正朝着更高、更远、更强展翅飞翔，金属研究所将秉承老一辈科技人员“我们的科研文章发表在祖国的蓝天上”的思想，以科研创新为国产先进航空发动机的研制与发展增添新动力。

作者系中国科学院金属研究所研究员