PDF《技术发明奖公示：》

技术发明奖公示: 项目名称 航空发动机单晶高温合金叶片典型铸造缺陷的全流程控制技术及应用 提名者 中国科学院沈阳分院 提名意见 我单位认真审阅了该项目提名书及附件材料,确认全部材料真实 有效,相关栏目符合填写要求.

按照要求,我单位和完成人所在单位 都已对该项目进行了公示,目前无异议. 该项目针对单晶高温合金叶片制备过程中出现的杂晶、小角晶界、 取向偏离、再结晶和型壳反应等缺陷开展了全流程控制技术研究,并 逐步形成了一套从模具设计到铸件检验的单晶叶片制造全流程控制技 术.该项目提出了螺旋选晶器起始段和螺旋段的优选结构和优化工艺 控制单晶叶片的取向偏离.提出了在杂晶形成区预置晶核、主动控制 该区域局部散热条件以及抽拉速度等杂晶缺陷控制方法.阐明了小角 晶界的形成机理是以枝晶偏转方式形成,提出了通过控制单晶晶体取 向偏离度减少小角晶界的新思路.在认识形变储能是诱发单晶高温合 金再结晶的本质驱动力的基础上,提出了减少单晶高温合金叶片再结 晶的方法.发明了通过控制陶瓷型芯与型壳材料成分以及利用还原性 气体抑制陶瓷材料与合金熔体发生界面反应的方法.该成果的应用不 仅成功解决了我国多种单晶叶片从无到有的问题,还大幅提高了多种 单晶叶片的合格率,在单晶叶片铸造技术领域达到国内领先水平.专 利技术成果在沈阳航发精密铸造有限公司、贵阳中航动力精密铸造有 限公司、西安中航动力精密铸造有限公司、安徽应流航源动力科技有 限公司实现了产业化应用.近3年带来新增产值过亿元. 对照省技术发明奖授奖条件, 提名该项目为

2018 年度辽宁省技术 发明奖一等奖. 项目简介 复杂冷却结构空心单晶叶片制备是困扰我国先进航空发动机装机 和定型的主要技术瓶颈之一.本项目针对单晶高温合金叶片制备过程 中出现的杂晶、小角晶界、取向偏离、再结晶和型壳反应等缺陷开展 了全流程控制技术研究. 首先采用双晶与三晶高温合金定向凝固实验探讨了晶粒竞争生长 机制,修正了教科书中定向凝固组织形成机制模型,完善了单晶高温 合金晶体生长与控制理论,为单晶生长过程中冶金缺陷控制和工艺优 化提供了理论指导和技术支持.基于晶粒和枝晶竞争生长理论,提出 了螺旋选晶器起始段和螺旋段的优选结构和优化工艺,将晶体取向偏 离超标的废品率从大于 20%降低到小于 1%. 根据自行设计的定向凝固过程连续测温装置和方法以及单晶高温 合金杂晶形成倾向性的评定方法, 研究了不同合金的杂晶形成倾向性, 发现复杂结构单晶构件定向凝固中固液界面前沿的温度场分布是控制 杂晶形核的决定性因素,提出了在杂晶形成区预置晶核、主动控制该 区域局部散热条件以及抽拉速度等杂晶缺陷控制方法,使单晶叶片杂 晶废品率从大于 90%降低到小于 10%. 阐明了小角晶界的形成机理是以枝晶偏转方式形成,提出了通过 控制单晶晶体取向偏离度减少小角晶界的新思路,将小角晶界的形成 频率从大于 90%降低到小于 30%. 针对单晶叶片的再结晶缺陷,通过预压缩、拉伸和喷丸等试验对 其形核及长大热力学与动力学进行了研究,发现形变储能是诱发单晶 高温合金再结晶的本质驱动力;

研究了再结晶对单晶高温合金蠕变性 能的影响;

提出了减少单晶高温合金叶片再结晶的方法,将单晶叶片 再结晶废品率从大于 60%降到 5%以下. 研究了高温合金熔体与陶瓷材料的作用机理,发明了通过控制陶 瓷型芯与型壳材料成分以及利用还原性气体抑制陶瓷材料与合金熔体 发生界面反应的方法,显著提高了单晶叶片的表面冶金质量. 通过对单晶高温合金典型铸造缺陷的形成机理研究,提出了多项 工程上行之有效的缺陷控制措施,发展了一套从模具设计到铸件检验 的单晶叶片全流程控制技术,不仅成功解决了我国多种单晶叶片从无 到有的问题, 还将实心单晶叶片的合格率从小于 20%提高到 75%以上, 复杂空心单晶叶片的合格率从小于 10%提高到 50%以上,极大地促进 了我国单晶叶片铸造技术的进步,为我国多个新型航空发动机的研制 提供了叶片保障. 本项目研究期间,获得国家授权专利

25 项,发表 SCI 收录论文

100 余篇. 客观评价 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.而在我国,由于单晶高温合金叶片制造 技术的落后,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. 针对单晶叶片制造的技术难题,该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,完成实验室研究工作后,到发动机叶片制造厂进行生 产性验证.该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 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.具体见附件2其他附件. 中国科学院金属研究所开发的单晶高温合金叶片典型铸造缺陷的 全流程控制技术已在沈阳航发精密铸造有限公司、贵阳中航动力精密 铸造有限公司、西安中航动力精密铸造有限公司、安徽应流航源动力 科技有限公司的单晶叶片生产制造过程进行了推广应用,生产出了 DD5 合金单晶高压涡轮导向叶片、DD5 合金单晶高压涡轮工作叶片、 DD32 合金单晶高压涡轮工作叶片、DD5 合金单晶高压涡轮外环块等多 种航空发动机核心热端部件. 推广应用情况 1)沈阳航发精密铸造有限公司的推广应用情况 中国科学院金属研究所开发的单晶高温合金叶片典型铸造缺陷的 全流程控制技术已在沈阳航发精密铸造有限公司的单晶叶片生产制 造过程进行了推广应用, 生产出了 DD5 合金单晶高压涡轮导向叶片、 DD5 合金单晶高压涡轮工作叶片、DD5 合金单晶低压涡轮工作叶片、 DD6 合金单晶低压涡轮工作叶片等多种航空发动机核心热端部件.通 过产学研结合,共同承担了 DD5 单晶高压涡轮导向叶片研制 、 DD5 单晶高压涡轮工作叶片研制 等项目,共同培养了

10 余名单晶叶片制 造技术方面的专业人员.近3年带来新增产值

1683 万元. 2)贵阳中航动力精密铸造有限公司的推广应用情况 中国科学院金属研究所开发的单晶高温合金叶片典型铸造缺陷的 全流程控制技术已在贵阳航发精密铸造有限公司的单晶叶片生产制 造过程进行了推广应用, 生产出了DD32合金单晶高压涡轮工作叶片、 DD5 合金单晶高压涡轮导向叶片、DD5 合金单晶高压涡轮工作叶片、 DD5 合金单晶低压涡轮工作叶片等多种航空发动机核心热端部件.通 过产学研结合,共同承担了 DD32 单晶涡轮叶片的研制 、 DD5 单晶 高压涡轮导向叶片研制 等项目,共同培养了

10 余名单晶叶片制造技 术方面的专业人员.近3年带来新增产值

7320 万元. 3)西安航发精密铸造有限公司 中国科学院金属研究所开发的单晶高温合金叶片典型铸造缺陷的 全流程控制技术已在西安中航动力精密铸造有限公司的单晶叶片生产 制造过程进行了推广应用,生产出了 DD5 合金单晶高压涡轮导向叶 片、 DD5 合金单晶高压涡轮工作叶片、 DD5 合金单晶高压涡轮外环块、 SRR99 合金单晶Ⅱ级涡轮工作叶片等多种航空发动机核心热端部件. 通过产学研结合,与中国科学院金属研究所共同承担了 DD5 单晶高 压涡轮导向叶片研制 、 SRR99 合金单晶叶片的研制 等国家部委项 目.近3年带来新增产值

2280 万元. 4)金属研究所的应用情况 该技术发明成果已经在金属研究所承担的多个型号航空发动机单 晶叶片研制过程中应用,为我国多个新型发动机的研制提供了叶片保 障.主要应用情况包括:技术发明成果应用到 DD5 合金单晶高压涡轮 工作叶片和导向叶片的研制中,研制出我国第一个叶尖盖板整体铸造 成型的复杂空心单晶工作叶片和缘板与叶片叶身整体铸造成型的单晶 导向叶片,不仅解决了该类叶片从无到有的问题,还将叶片的合格率 提高到 30%以上.应用到 DD32 合金单晶高压涡轮工作叶片精铸件研 制中,将该叶片的合格率从 10%提高到 50%以上.应用到 DD5 工作 叶片铸件研制中,将该叶片的合格率从小于 20%提高到了 75%以上. 近3年带来新增产值

3900 万元. 主要知识产权证明目录(不超过

10 件) 知识 产权 类别 知识产权 具体名称 国家 (地区) 授权号 授权 日期 证书编 号 权利人 发明人 发明专 利有效 状态 发明 专利 一种高温 完全抗氧 化镍基单 晶合金及 其制备方 法 中国

20091024 8674.2 2012. 8.29 第103362

7 号 中国科学 院金属研 究所 孙晓峰,于金 江,金涛,赵 乃仁, 王志辉, 侯桂臣,管恒 荣,胡壮麒 专利权 维持 发明 专利 一种减少 单晶高温 合金精铸 件再结晶 的方法 中国

20121017 9680.9 2016. 6.1 第209006

4 号 中国科学 院金属研 究所 孟杰、王猛、 周亦胄、 金涛、 孙晓峰、 王亮、 徐福涛、李博 专利权 维持 发明 专利 单晶高温 合金杂晶 形成倾向 性的评定 方法 中国

20121013 8597.7 2014. 3.26 第136777

9 号 中国科学 院金属研 究所 张小丽,周亦 胄,金涛,孙 晓峰 专利权 维持 发明 专利 一种可调 节热膨胀 系数的硅 基陶瓷型 芯的制备 方法 中国

20141017 5419.0 2016. 6.1 第209272

3 号 中国科学 院金属研 究所,韩国 机械研究 院 林泉洪、 张炫、 梁静静、周亦 胄、金涛、孙 晓峰、 赵昌龙、 崔白圭、金仁 守、都政铉 专利权 维持 发明 专利 一种含铼 镍基单晶 高温合金 及其制备 方法 中国

20051004 6361.0 2009. 4.29 第493111 号 中国科学 院金属研 究所 于金江, 金涛, 赵乃仁,侯桂 臣,孙晓峰, 王志辉, 于洋, 管恒荣,胡壮 麒 专利权 维持 发明 专利 一种金属 单晶横向 晶体取向 的控制方 法 中国

02132531 .6 2005. 7.6 第216499 号 中国科学 院金属研 究所 郑启, 孙晓峰, 侯桂臣,管恒 荣,胡壮麒 专利权 维持 发明 专利 平面薄壁 铸件的制 备方法 中国

20121013 6757.4 2013. 7.10 第123223

1 号 中国科学 院金属研 究所 张小丽,周亦 胄,金涛,孙 晓峰 专利权 维持 发明 专利 一种定向 凝固镍基 高温合金 及其热处 理工艺 中国

20061004 7418.3 2010. 05.12 第619482 号 中国科学 院金属研 究所 孙晓峰,于金 江,管恒荣, 夏鹏成, 金涛, 赵乃仁,侯桂 臣,周鹏杰, 胡壮麒 专利权 维持 发明 专利 一种无铼 第二代镍 中国

20061004 6891.X 2009. 2.11 第470269 中国科学 院金属研 金涛, 赵乃仁, 王志辉,孙晓 专利权 维持 基单晶高 温合金 号 究所 峰,管恒荣, 胡壮麒 发明 专利 一种低成 本第三代 镍基单晶 高温合金 中国

20051004 7752.4 2008. 11.5 第439773 号 中国科学 院金属研 究所 金涛, 王文珍, 赵乃仁,王志 辉,刘金来, 侯桂臣,孙晓 峰,管恒荣, 胡壮麒 专利权 维持 完成人情况 摘自辽宁省技术发明奖提名书中 主要完成人情况表 中姓名、 排名、 行政职务、技术职称、工作单位、完成单位、对本项目贡献. 1. 姓名:周亦胄 ? 排名:1 ? 行政职务:无?技术职称:研究员 ? 工作单位:中国科学院金属研究所 ? 完成单位:中国科学院金属研究所 ? 对本项目贡献: 负责整个项目研究, 对六个发明点均有重要贡献. 带领研究组人员发展了一套从模具设计到铸件检验的单晶高温 合金叶片典型铸造缺陷的全流程控制技术, 并将该技术应用到了 金属研究所承担的新型航空发动机单晶叶片研制中, 研制出多种 新型单晶高温合金叶片;

将单晶高温合金叶片典型铸造缺陷的全 流程控制技术推广到沈阳航发精密铸造有限公司、 贵阳中航动力 精密铸造有限公司、 西安中航动力精密铸造有限公司、 安徽应流 航源动力科技有限公司等企业的单晶叶片生产制造过程中, 促进 了我国单晶叶片铸造技术的进步和航空事业的发展. 2. 姓名:李金国 ? 排名:2 ? 行政职务:无?技术职称:研究员 ? 工作单位:中国科学院金属研究所 ? 完成单位:中国科学院金属研究所 ? 对本项目贡献:参与了整个项目研究的研究工作,对发明点

一、

二、三有重要贡献.通过对不同取向晶粒竞争生长的研究,提出 了三维晶粒竞争生长模型. 在此基础上, 通过对螺旋选晶器的起 始段和螺旋端的晶粒演化机制研究,提出了螺旋选晶器设计准 则.基于对杂晶的成因分析,提出了杂晶的有效控制措施.所发 展的单晶叶片冶金缺陷控制技术在金属研究所和叶片生产厂得 到了实际应用和推广,有效提高了单晶叶片铸造合格率. 3. 姓名:于金江 ? 排名:3 ? 行政职务:无?技术职称:研究员 ? 工作单位:中国科学院金属研究所 ? 完成单位:中国科学院金属研究所 ? 对本项目贡献: 成功研制出 DD32 合金单晶定向凝固高压涡轮工 作叶片精铸件以及 SRR99 合金单晶 II 级涡轮工作叶片,并把相 关研制成果推广应用到贵阳中航动力精密铸造有限公司以及西 安中航动力精密铸造有限公司. 4. 姓名:孟杰 ? 排名:4 ? 行政职务:无?技术职称:副研究员 ? 工作................