矢志航空特種鍛造的技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)發(fā)展

文/郭鴻鎮(zhèn)，寧永權(quán)·西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院

渦輪盤作為發(fā)動機(jī)核心熱端部件，直接決定航空發(fā)動機(jī)的推重比。飛機(jī)超音速巡航時渦輪盤在超高溫條件下轉(zhuǎn)速高達(dá)20000r/min以上，嚴(yán)苛的超高溫和超高轉(zhuǎn)速服役環(huán)境要求渦輪盤必須具備卓越的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。圍繞重大發(fā)動機(jī)型號對復(fù)雜形狀、超高溫度、超快轉(zhuǎn)速的渦輪盤裝機(jī)需求，針對高溫合金穩(wěn)定塑性流變、充分均勻細(xì)化、顯著結(jié)構(gòu)梯度化制造難題，特種鍛造團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)開展了高溫合金渦輪盤形性一體化制造技術(shù)研究，支撐了我國多個發(fā)動機(jī)型號中渦輪盤的塑性加工制造。近5 年，團(tuán)隊(duì)取得主要學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)、創(chuàng)新成果及其科學(xué)價值或社會經(jīng)濟(jì)意義如下：

針對高溫合金塑性流動差和易開裂問題，闡明了不同軟硬間隙相影響的塑性硬化與動態(tài)軟化的競爭機(jī)制，揭示了晶界局部剪切導(dǎo)致開裂本質(zhì)，優(yōu)化了多火次跨相區(qū)開坯鍛造工藝，實(shí)現(xiàn)了高溫合金細(xì)晶棒材批量穩(wěn)定生產(chǎn)。英國劍橋大學(xué)、德國馬普所正面評價了相關(guān)組織演變與調(diào)控機(jī)理。研究成果應(yīng)用到高溫合金細(xì)晶棒材工業(yè)化生產(chǎn)，解決了因鍛造開裂難以變形細(xì)化的問題，涉及10 余種骨干高溫合金，攻關(guān)后GH4169、GH4133B 工業(yè)級棒材提高2 ～3 個晶粒度等級，為某發(fā)動機(jī)保供裝機(jī)起到重要的支撐作用。

圍繞渦輪盤鍛件組織不均勻問題，發(fā)現(xiàn)微觀塑性流變導(dǎo)致組織演變差異性根本原因，明確了坯料形狀、模具結(jié)構(gòu)、鍛造工藝造成微觀差異流動的關(guān)鍵因素，實(shí)現(xiàn)了高溫合金渦輪盤鍛件組織均勻性主動調(diào)控，發(fā)展了基于最先形核、順序形核、重復(fù)形核的面棱隅競爭再結(jié)晶理論。采用柔性預(yù)制坯體積分配、變速控溫多火次鍛造、變斜控圓開式模具設(shè)計等技術(shù)創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了渦輪盤荒坯在高凸臺、長輻板、外飛邊盤形模腔內(nèi)穩(wěn)定塑性流變，使得某高溫合金渦輪盤平均晶粒度由9 級提高到11 級，應(yīng)用企業(yè)渦輪盤鍛件新增銷售收入5000 萬元。該成果作為主要支撐獲2019 年中國產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新成果二等獎。

聚焦雙性能渦輪盤梯度結(jié)構(gòu)中粗晶不粗、細(xì)晶不細(xì)難題，探明了梯度熱處理過程中低溫區(qū)促晶粒形核細(xì)化、高溫區(qū)助晶界移動粗化的組織演變機(jī)制，發(fā)明了分體式柔性梯度熱處理設(shè)備和梯度溫度精準(zhǔn)調(diào)控方法，實(shí)現(xiàn)了輪轂、輻板、輪緣的梯度結(jié)構(gòu)控制。研究成果在中國航發(fā)推廣應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了高溫合金渦輪盤梯度熱處理，獲得了晶粒顯著變化的梯度結(jié)構(gòu)，保障了某型號研制任務(wù)，為研制更高要求的粉末雙性能渦輪盤奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。該成果作為主要支撐獲2020年中國發(fā)明創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新二等獎。

立足金屬塑性制造，圍繞重大型號需求，特種鍛造團(tuán)隊(duì)先后承擔(dān)A 重大專項(xiàng)、大飛機(jī)重大專項(xiàng)、裝發(fā)預(yù)研項(xiàng)目、科工局配套科研、國家自然科學(xué)基金等科學(xué)研究、技術(shù)攻關(guān)、人才計劃37 項(xiàng)。發(fā)表高水平論文300 余篇，SCI 單篇引用91 次；出版《鍛造工藝學(xué)與模具設(shè)計》、《合金鋼與有色合金鍛造》、《Hot Forming of Superalloy Parts and Structures》；持有中國發(fā)明專利21 件；先后獲得人社部“香江學(xué)者”獎、中國產(chǎn)學(xué)研合作軍民融合獎、創(chuàng)新成果獎和中國發(fā)明創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新獎。