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当攻克叶片制造难题为航空发动机加动力

发布时间:2021-09-10 03:04:01 阅读: 来源:胶条厂家

攻克叶片制造难题 为航空发动机加动力

航空发动机作为飞行器的核心,被誉为现代工业的“皇冠”。航空发动机中,涡轮叶片由于处于温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位而被列为第一关键件,被誉为“皇冠上的明珠”。

我国在大飞机制造技术上与西方发达国家仍存在较大差距,重大瓶颈问题就是发动机的推力严重不足。为提高发动机推力,就需要发动机的涡轮叶片具有更高的承温能力。

因此,国外大推力航空发动机全都采用单晶高温合金叶片。而在政府将强化重大项目招商引资我国,由于单晶高温合金叶片制造技术的落后,大推力航空发动机只能采用定向柱晶叶片,从而导致发动机的动力、寿命与可靠性严重不足。显然,单晶高温合金叶片制造技术的突破将成为我国大飞机制造发展的关键。

2007年,国内的航空航天技术也进入了新的发展阶段,国家宣布大飞机立项,迫切需要高温合金专业的研究人员。2009年6月,中国科学院金属研究所研究员周亦胄在中国科学院“百人计划”项目的支持下开始组建单晶高温合金制造技术实验室,瞄准我国航空航天发动机发展对单晶高温合金制造技术的重大需求,开展单晶高温合金制造技术及缺陷控制的研究工作。

攻克难题:成功研发中国制造的“皇冠明珠”

单晶高温合金叶片制造的技术难题,主要难在哪里?一是,单晶叶片的结构非常复杂,内部有精细的风冷通道需要铸造成形,这导致叶片铸造时会出现很多结构性缺陷;二是,单晶叶片制造过程中会出现杂晶、小角晶界、取向偏离、再结晶、型壳反应、表面疏松、热裂纹等多种不同类型的冶金缺陷,每种缺陷的产生都可以造成高温合金叶片的报废,导使误差不得大于0.10/1000致其合格率很低。

针对这些技术难题,周亦胄带领团队系统开展了杂晶、小角晶界、取向偏离、再结晶、型壳反应、表面疏松、热裂纹等缺陷形成机制的基础研究,他坚持深入一线进行模具设计、蜡模组合、铸造实验、样品制备以及观察分析。完成实验室研究工作后,他又带领科研团队到发动机叶片制造厂进行生产性验证。

周亦胄团队根据单晶叶片凝固缺陷的形成机制提出了多项工程上行之有效的凝固缺陷控制措施,形成了一套单晶叶片规模化制造的当卸去外力时全流程控制技术,成功研制出多种不同类型的单晶叶片,在现有的工业基础条件下实现了单晶叶片制造技术的突破,为中航工业发动机公司、航天科工集团公司等新型发动机的研制提供了叶片保障。

其中一项标志性成果,就是采用我国新型的第二代单晶高温合金DD405,成功铸造出了中航工业新型航空发动机中的高压涡轮转子单晶叶片。该叶片在发动机试车考核中表现优越,标志着我国在复杂结构单晶叶片制造技术上取得了重要进展。此外,多项单晶叶片铸造技术还以技术转移的方式推广到了中航工业沈阳黎明航空发动机集团公司,显着促进了我国单晶高温合金叶片铸造技术的进步。

变废为宝:实现稀贵金属再生循环利用

在高温合金叶片铸造过程中,需要通过浇道与冒口设置来保证叶片中不出现凝固缺陷。由于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、钽、钨、钼、钴等多种稀有贵重金属。

以铼为例,作为一种重要的战略稀缺金属,铼在世界范围内储量不足1万吨,而我国的保有储量仅为200余吨,价格约为3万元/千克,这使含铼单晶高温合金材料的价格非常昂贵。如:含3wt.%铼的第二代单晶高温合金价格为200万元/吨,含6wt.%铼的第三代单晶高温合金价格达到约300万元/吨。

目前,我国已开始大量采用第二代单晶高温合金制造航空航天发动机单晶叶片,在生产过程中产生出大量含铼高温合金废料。由于缺少相关分离提取技术,使得合金废料中铼、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。

针对这一难题,周亦胄进行了深入思考:能否从废料的回收再利用方面寻找突破口,减少巨大的资源浪费和经济损失,实现先进单晶叶片制造的长期可持续发展?由于国外对相关研究成果和技术方案的封锁,要研究高温合金废料中回收稀贵金属的技术,几乎是从零开始。

周亦胄迎难而上,着手在金属研究所组建稀贵金属资源再生循环利用实验室。为确定技术路线,他奔波于全国各地找资源循环利用专家进行讨论,分析各种回收处理高温合金废料方法的可行性。

经过反复论证,周亦胄最终确定了采用电化学溶解法多步分离提取高温合金废料中稀贵金属元素的技术路线。随后,他组织起一支具有电化学腐蚀与化学分离提取研究背景的科研队伍,探索了高温合金废料电化学溶解、沉淀分离、萃取分离、离子交换分离、金属化合物重结晶提纯、金属化合物气体还原、金属粉末热压烧(6)实行新材料重大项目示范工程结等环节中的关键科学与技术问题。

经过反复实验,周亦胄研究团队建立起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、钽、钨、钼、钴等稀贵金属元素的目标,填补了国内的技术空白,并形成了与之配套的高温合金低成本制造技术,该技术可使第二、三代单晶高温合金的制造成本显着降低。

谈到取得多项突破性科研成果的成功经验,周亦胄说:“科研工作者必须具备两方面能力:一是要把国家需求和研究方向密切结合,围绕国家需求推动和促进专业领域发展。二是要有不息探索的执着和锲而不舍的精神。一项成功的研究成果背后可能隐藏着上百次甚至上千次的失败,只有锲而不舍的执着精神才能带领我们走出失败,走向成功。”

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