矢志航空特種鍛造的技術創新與產業發展

文/郭鴻鎮，寧永權·西北工業大學材料學院

渦輪盤作為發動機核心熱端部件，直接決定航空發動機的推重比。飛機超音速巡航時渦輪盤在超高溫條件下轉速高達20000r/min以上，嚴苛的超高溫和超高轉速服役環境要求渦輪盤必須具備卓越的微觀結構和力學性能。圍繞重大發動機型號對復雜形狀、超高溫度、超快轉速的渦輪盤裝機需求，針對高溫合金穩定塑性流變、充分均勻細化、顯著結構梯度化制造難題，特種鍛造團隊系統開展了高溫合金渦輪盤形性一體化制造技術研究，支撐了我國多個發動機型號中渦輪盤的塑性加工制造。近5 年，團隊取得主要學術貢獻、創新成果及其科學價值或社會經濟意義如下：

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軟化的競爭機制，揭示了晶界局部剪切導致開裂本質，優化了多火次跨相區開坯鍛造工藝，實現了高溫合金細晶棒材批量穩定生產。英國劍橋大學、德國馬普所正面評價了相關組織演變與調控機理。研究成果應用到高溫合金細晶棒材工業化生產，解決了因鍛造開裂難以變形細化的問題，涉及10 余種骨干高溫合金，攻關后GH4169、GH4133B 工業級棒材提高2 ～3 個晶粒度等級，為某發動機保供裝機起到重要的支撐作用。

圍繞渦輪盤鍛件組織不均勻問題，發現微觀塑性流變導致組織演變差異性根本原因，明確了坯料形狀、模具結構、鍛造工藝造成微觀差異流動的關鍵因素，實現了高溫合金渦輪盤鍛件組織均勻性主動調控，發展了基于最先形核、順序形核、重復形核的面棱隅競爭再結晶理論。采用柔性預制坯體積分配、變速控溫多火次鍛造、變斜控圓開式模具設計等技術創新，實現了渦輪盤荒坯在高凸臺、長輻板、外飛邊盤形模腔內穩定塑性流變，使得某高溫合金渦輪盤平均晶粒度由9 級提高到11 級，應用企業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 年中國產學研合作創新成果二等獎。

聚焦雙性能渦輪盤梯度結構中粗晶不粗、細晶不細難題，探明了梯度熱處理過程中低溫區促晶粒形核細化、高溫區助晶界移動粗化的組織演變機制，發明了分體式柔性梯度熱處理設備和梯度溫度精準調控方法，實現了輪轂、輻板、輪緣的梯度結構控制。研究成果在中國航發推廣應用，實現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構，保障了某型號研制任務，為研制更高要求的粉末雙性能渦輪盤奠定了堅實的基礎。該成果作為主要支撐獲2020年中國發明創業創新二等獎。

立足金屬塑性制造，圍繞重大型號需求，特種鍛造團隊先后承擔A 重大專項、大飛機重大專項、裝發預研項目、科工局配套科研、國家自然科學基金等科學研究、技術攻關、人才計劃37 項。發表高水平論文300 余篇，SCI 單篇引用91 次；出版《鍛造工藝學與模具設計》、《合金鋼與有色合金鍛造》、《Hot Forming of Superalloy Parts and Structures》；持有中國發明專利21 件；先后獲得人社部“香江學者”獎、中國產學研合作軍民融合獎、創新成果獎和中國發明創業創新獎。