矢志航空特种锻造的技术创新与产业发展

文/郭鸿镇，宁永权·西北工业大学材料学院

涡轮盘作为发动机核心热端部件，直接决定航空发动机的推重比。飞机超音速巡航时涡轮盘在超高温条件下转速高达20000r/min以上，严苛的超高温和超高转速服役环境要求涡轮盘必须具备卓越的微观结构和力学性能。围绕重大发动机型号对复杂形状、超高温度、超快转速的涡轮盘装机需求，针对高温合金稳定塑性流变、充分均匀细化、显著结构梯度化制造难题，特种锻造团队系统开展了高温合金涡轮盘形性一体化制造技术研究，支撑了我国多个发动机型号中涡轮盘的塑性加工制造。近5 年，团队取得主要学术贡献、创新成果及其科学价值或社会经济意义如下：

针对高温合金塑性流动差和易开裂问题，阐明了不同软硬间隙相影响的塑性硬化与动态软化的竞争机制，揭示了晶界局部剪切导致开裂本质，优化了多火次跨相区开坯锻造工艺，实现了高温合金细晶棒材批量稳定生产。英国剑桥大学、德国马普所正面评价了相关组织演变与调控机理。研究成果应用到高温合金细晶棒材工业化生产，解决了因锻造开裂难以变形细化的问题，涉及10 余种骨干高温合金，攻关后GH4169、GH4133B 工业级棒材提高2 ～3 个晶粒度等级，为某发动机保供装机起到重要的支撑作用。

围绕涡轮盘锻件组织不均匀问题，发现微观塑性流变导致组织演变差异性根本原因，明确了坯料形状、模具结构、锻造工艺造成微观差异流动的关键因素，实现了高温合金涡轮盘锻件组织均匀性主动调控，发展了基于最先形核、顺序形核、重复形核的面棱隅竞争再结晶理论。采用柔性预制坯体积分配、变速控温多火次锻造、变斜控圆开式模具设计等技术创新，实现了涡轮盘荒坯在高凸台、长辐板、外飞边盘形模腔内稳定塑性流变，使得某高温合金涡轮盘平均晶粒度由9 级提高到11 级，应用企业涡轮盘锻件新增销售收入5000 万元。该成果作为主要支撑获2019 年中国产学研合作创新成果二等奖。

聚焦双性能涡轮盘梯度结构中粗晶不粗、细晶不细难题，探明了梯度热处理过程中低温区促晶粒形核细化、高温区助晶界移动粗化的组织演变机制，发明了分体式柔性梯度热处理设备和梯度温度精准调控方法，实现了轮毂、辐板、轮缘的梯度结构控制。研究成果在中国航发推广应用，实现了高温合金涡轮盘梯度热处理，获得了晶粒显著变化的梯度结构，保障了某型号研制任务，为研制更高要求的粉末双性能涡轮盘奠定了坚实的基础。该成果作为主要支撑获2020年中国发明创业创新二等奖。

立足金属塑性制造，围绕重大型号需求，特种锻造团队先后承担A 重大专项、大飞机重大专项、装发预研项目、科工局配套科研、国家自然科学基金等科学研究、技术攻关、人才计划37 项。发表高水平论文300 余篇，SCI 单篇引用91 次；出版《锻造工艺学与模具设计》、《合金钢与有色合金锻造》、《Hot Forming of Superalloy Parts and Structures》；持有中国发明专利21 件；先后获得人社部“香江学者”奖、中国产学研合作军民融合奖、创新成果奖和中国发明创业创新奖。