周亦胄：为先进航空发动机研制增添新动力

航空发动机材料选择说明

高温合金锭

单晶叶片毛坯

从高温合金废料中回收铼锭

先进的航空发动机制造技术是一个国家科技产业水平和综合实力的重要标志。其技术进步离不开涡轮叶片制造技术的发展。为了提高航空发动机的推力，美国、欧洲和俄罗斯在高推力航空发动机中使用单晶高温合金叶片。在单晶高温合金材料和单晶叶片制造技术方面，我国与发达国家相比还有很大差距。航空发动机的功率、寿命和可靠性亟待提高。

我国单晶高温合金材料的瓶颈问题主要表现在三个方面:一是有害杂质元素氧、氮、硫等的含量。在合金中是高的；第二，合金中易烧元素的成分范围波动很大。第三，可控杂质元素数量少。针对这三个问题，中国科学院金属研究所通过研究不同熔炼阶段合金熔体中有害杂质元素如氧、氮、硫的反应去除机理和过程控制，将单晶高温合金中氧、氮、硫的含量从20ppm以上降至5ppm以下，接近国际单晶高温合金的最高熔炼水平(2ppm)。通过对合金主要元素在不同温度和真空度下的挥发和烧损的研究，实现了对合金中各主要元素含量的精确控制，最易发生成分波动的碳、钇元素含量控制在±0.01 wt %以内。%，并且诸如铬、铪、铝等元素的波动被控制在+/-0.1重量%之内。%，从而显著提高单晶高温合金机械和工艺性能的稳定性。通过研究化学成分对单晶高温合金组织、物理性能、力学性能、高温腐蚀性能和铸造性能的影响，确定了单晶高温合金中20多种杂质元素的成分控制范围。在此基础上，开发了各种先进的单晶高温合金，以缓解我国多种航空发动机急需的关键材料问题。

我国单晶高温合金叶片制造技术的瓶颈问题主要体现在叶片制造技术基础研究薄弱和复杂结构单晶叶片合格率低。单晶叶片的制造工艺复杂，涉及熔炼、铸造、模具设计、壳芯、单晶生长、化学去芯、热处理、无损检测、机械加工、焊接、表面涂层等几十个工艺环节。如果这些工艺过程的基础研究不到位，冶金缺陷，如杂质晶体、小角度晶界、取向偏差、界面反应、热裂纹、再结晶、微孔隙、夹杂物、铸造结节、欠铸造等。在单晶叶片的制造过程中不可避免地会发生。由于缺乏对单晶铸造缺陷形成机理的深入了解，我国长期以来一直无法制定有效的缺陷控制措施。为了解决这些问题，金属研究所从单晶叶片铸造缺陷的形成机理和控制方法的基础研究入手，开发了单晶叶片制造从模具设计到铸造检验的全过程控制技术，并成功应用于各种类型单晶叶片的开发，推动了我国单晶叶片铸造技术的进步，为AVIC发动机公司和航天科技集团公司的几款新发动机的开发提供了叶片保障。

在高温合金叶片的铸造过程中，有必要通过设置浇道和冒口来避免叶片中不可接受的铸造缺陷。铸造后的转轮和冒口中的高温合金不允许再用于制造航空发动机零件，因此高温合金叶片铸造过程中产生的废料往往占总材料的70%。单晶高温合金材料的基体是镍，其中含有稀有和贵金属，如铼、钌、钽、钨、钼、钴等。由于缺乏相关的分离提取技术，合金废料中的铼、钌、钽、钨、钼、钴等高价值元素只能作为镍处理，造成了巨大的资源浪费和经济损失。针对这一问题，金属研究所建立了从高温合金废料中分离和回收稀有和贵金属元素的技术路线，实现了分离和回收稀有和贵金属元素如铼、钌、钽、钨、钼、钴等的目标。来自高温合金废料。同时，一种低成本的高温合金制造技术已经形成，它可以显著降低含铼和钌的单晶高温合金的制造成本。

目前，中国的自主创新正在向更高、更远、更强的水平展开翅膀。金属研究所将秉承老一辈科学家和技术人员“我们的科研文章发表在祖国的蓝天上”的理念，以科研创新为国内先进航空发动机的研发注入新的动力。

作者是中国科学院金属研究所的研究员。