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                為“雄鷹”打造強大“心臟”——我國高溫合金在▓航空發動機應用一覽

                為“雄鷹”打造強大“心臟”——我國高溫合金在航空發動機應用一覽

                • 發布時間:2019-11-11
                • 0

                【概要描述】11月11日,中國人民解放軍空軍迎來成立70周年紀念日。70年來,在黨█的堅強領導下,人民空軍在維護國家主權、安全、發展利益等方面發揮著至關重要的作用,建立了不朽的功勛。
                70年來,鋼鐵工業為現代空軍建設和發展做出了突出貢獻,打造出一系列“空中鐵拳”“藍天利器”。今天,小編要給您介紹的是在航空發動機上應用的高溫合金鋼,正是它,為空軍“雄鷹”打造了強大的“心臟”!

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                詳情
                11月11日,中國人民解放軍空軍迎來成立70周年紀念日。70年來,在黨的堅強領導下,人民空軍在維護國家主權、安全、發展利益等方面發揮著至關重要的作用,建立了不朽的功勛。
                70年來,鋼鐵工業為現代空軍建設和發展做出了突出貢獻,打造出一系列“空中鐵拳”“藍天利器”。今天,小編要給您介紹的是在航空發動機上應用的高溫合金鋼,正是它,為空軍“雄鷹”打造了強大的“心臟”!
                 
                經過新中國航空工業70年的發展,我國已經從最初仿制蘇聯戰機,發展到具備完全獨立自主的設計、制造能力。從仿制米格的殲-5、殲-6、殲-7等起步,到殲-8開始自主創新,到殲-10作為“爭氣機”的一飛沖天,再到殲-20的橫空出世,中國的戰機一舉趕上了國外軍機水平。70年來,我國█冶金工業為戰機的發展和人民空軍的壯大做出了不可磨滅的貢獻,為我國歷代戰機打造強大的“心臟”——航空發動機提供了關鍵材料支撐。
                 

                圖為九寨航空發動機。


                我國航空用高溫合金的研發和生產概況

                高溫合金作為軍用和民用燃氣渦輪發動機熱端部件不可替代的一類關鍵金屬材料,在先進的航空發動機中,目前其用量占比已高達50%以上。發動機的性能水平在很大程度上取決於高溫合金材料的性能水平,因此高溫材料有“先進發動機基石”的美譽。如果沒有冶金工業研制的高溫合金,就不可能有高速發展、高效率、安全可靠的航空工業,也就不能實現我國航空發動機從中等推力到大推力的跨越、從渦噴發動機到渦扇發動機的跨越、從第二代發動機到第四代發動機的跨越。

                高溫合金是在鎳基耐蝕合金基礎上發展起來的,但其發展的原動力是航空用噴氣發動機發展需求的牽引。我國航空發動機於1955年問世,於1956年試制出了最簡單的鎳基高溫合金GH3030。1958年前後,為適應航空工業發展的需要,我國開始研制自己的高溫合金,如GH4033、GH4037、GH4049和K417等合金。從20世紀60年代以來,我國研制的高溫合金牌號超過百余個,其中有些已經達到國外同類合金水平,例如葉片用合金K417、K417G、K403、DZ404、DZ422、DZ417G、DZ4125、DZ4125L、IC6(JG4006)、DD403、DD402、DD407、DD406等,渦輪盤用合金GH2901、GH4133B、GH4169、GH4720、GH4065、FGH4097等,燃燒室用合金GH1140、GH4099、GH1015、GH3230等和環形件用合金GH2903、GH2907、GH2909。總之,我國的高溫合金已基本形成了具有中國特色的體系和研究生產基地,航空和其他工業部門使用的各種高溫合金均可在國內生產供應。

                目前,我國已建成了以撫順特鋼、寶武特冶(原為上鋼五廠)和攀長特等為主體的變形高溫合金材料生產基地,年生產能力達2萬噸以上,可生產鍛件、棒、板、絲、帶、環、管材;形成了以鋼研高納、北京航空材料研究院、中科院金屬所為主體的高溫合金研發與多品種小批量生產基地,擁有大批知名專家、學者、經驗豐富的工程技術人員和工人。

                由於高溫合金是航空發動機的關鍵材料,國際上高溫合金化學成分,力學█性能公開,生產工藝是嚴格保密和封鎖的。幾十年來,我國依靠自力更生、自主創新,克服了各種難關,結合國情走自己特色的道路,形成了產學研結合、有中國特色、具有自主創新能力的高溫合金研發體系,滿足了先進航空發動機熱端關鍵部件的需求,為我國航空工業發展做出了巨大的貢獻。

                原創和跟蹤相結合,在跟蹤中創新,結合國情走自己特色的研究道路是我們的一貫方針。通過幾十年的發展,我國取得了一批達到國際水平的科研成果,原始創新了一批合金,典型高溫合金有█GH4133B、 GH3128、GH4586、K13、GH4761等;生產工藝技術創新有微量元素改性及微合金化技術、高合金化高溫合金熱加工技術、包套鍛造技術██、純凈化和低偏析特種熔煉技術、特大型渦輪盤生產技術等。

                伴隨著真空冶金技術的成熟、合金化設計水平的提高,大量采用新工藝,“設計、工藝、材料一體化結合”, 冶金加工過程數學模型和模擬的建立和運用,我國高溫合金體系已趨於成熟。國內唯一的高溫合金學術機構就設立在中國金屬學會高溫合金學術委員會。2018年4月,中國鋼研科技集團、鋼研高納,聯合國內60余家主要從事高溫合金研發、生產和應用的企事業單位成立了中國高溫合金產業技術創新戰略聯盟,以推動高溫合金全產業鏈的協同創新,實現我國高溫合金產業高質量發展,更好地服務於我國航空工業。

                 

                圖為渦扇-B(太行B)發動機。


                高溫合金在我國航空發動機上的應用

                目前,高溫合金主要應用於航空發動機的四大熱端部件:燃料室,渦輪導向葉片、渦輪工作葉片和渦輪盤,此外還用於機匣、環件和尾噴口調節片、渦輪軸、支撐環、殼體、各種螺栓等部件。在高性能的航空發動機中,高溫合金也用於壓氣機後端的盤和轉子葉片等。由於航空發動機結構較為復雜,各部位溫度和受力情況等差別較大,對材料的要求和選用也就各不相同。

                渦輪盤用高溫合金。我國在產和在研的發動機渦輪盤用變形高溫合金有10多種。渦輪盤用變形高溫合金可分為兩類:第一類為鐵基高溫合金,典型的有GH2036、GH2132、GH2901等,工作溫度在650℃以下;第二類為鎳基高溫合金,典型的有:GH4169適合在650℃以下工作,GH4133、GH4133B和GH4698適合在700℃~750℃範圍內工作,GH4500、GH4710、GH4720、GH4742、GH4079適合在800℃以下工作。我國研制的FGH4097高溫合金粉末渦輪盤綜合性能也已完全達到俄羅斯EP741NP粉末盤的水平。

                在上述合金中,GH2132合金是最早開發的鐵基高溫合金,除用來做渦輪盤外,還可以軋制成型材,用於制作航空發動機其他用高溫零件。GH4133B合金是在GH4033合金的基礎上經過微合金化研制的國產化合金,是目前用得最好、用得最廣的一種高溫合金,用在10余種發動機上,制造了數十種渦輪盤。GH4169合金主要用來制作盤件、葉片、軸、緊固件等,在航空工業中具有廣闊的應用前景。太行發動機采用了多種GH4169合金盤件,其中利用先進的DA工藝生產的優質高強GH4169合金高壓渦輪盤,是國內迄今為止生產的尺寸最大的、性能最高的GH4169渦輪盤。“十五”以來,隨著鋼廠對冶煉設備和開坯設備的技術改造,我國生產出直徑達660mm的優質GH4169合金真空自耗錠。目前,國內鋼廠可以冶煉出高質量的GH4169合金,使我國高溫合金的冶煉水平上了一個臺階。隨著GH4169合金在多種型號的直升機、殲擊機和火箭發動機中的成功應用,該品種的市場需求量越來越大,質量要求也不斷提升,因此,降低GH4169合金的生產成本,提高其在國際市場上的競爭力和產品質量是今後要研究和努力的方向。

                渦輪導向器葉片用高溫合金。早期的發動機渦輪前溫度較低,導向葉片結構也較▓簡單,用GH4033、GH3128這兩種變形高溫合金可以滿足發動機的要求。但是,隨著發動機的發展,發動機渦輪前溫度提高,導向器葉片結構變得復雜(如采用冷卻),要求材料的工作溫度也提高。葉片材料經歷了從一般變形合金到傳統的鑄造等軸晶高溫合金和定向共晶、單晶高溫合金的發展過程,在實現熔模精鑄技術突破以後,鑄造高溫合金成為導向器葉片主導材料。

                我國先後發展了20余種鑄造高溫合金,通過熔模精鑄工藝制作渦輪導向器葉片,有實心葉片、空心葉片和復雜冷卻系統的定向凝固空心葉片,基本滿足了我國在役和在研發動機的需求。在近20余種的等軸晶鑄造高溫合金中,使用範圍最廣的是K403合金。K403合金應用於20多種不同型號國產發動機導向器葉片制造,使用溫度在900℃~1000℃範圍內,取得了良好效果,已實現批量生產。渦軸發動機用K418B、K406C等合金在制造整體渦輪導向器上取得良好效果。K438合金是抗腐蝕性能最好的合金,一些燃氣渦輪發動機用它做導向器葉片。定向凝固合金的應用,進一步提高了發動機的進口溫度。

                渦輪工作葉片用高溫合金。我國早期生產的發動機渦輪工作葉片,一般都采用變形高溫合金,其中使用最多的是GH4037(在5種發動機上制造6種葉片)和GH4049(在9種發動機上制造9種葉片)鎳基變形高溫合金,可在750℃~950℃溫度下長期穩定工作;使用較少的是GH4105、GH4080A、GH4720、GH4133、GH4220、GH4710合金,它們只在一種發動機上做過1~2種葉片。

                隨著發動機推重比(功重比)的提高,發動機渦輪進口溫度也隨之提高,設計部門要求使用承溫能力更高的渦輪工作葉片,從而開始用高合金化的、熱強性更高的鑄造高溫合金取代變形高溫合金。因此,在新機研制和老機種改型時,都選用鑄造高溫合金制造渦輪工作葉片。例如,WP7系列發動機,用K417合金鑄造九孔空心渦輪葉片取代GH4049合金鍛造實心葉片,在我國第一次完成了以鑄代鍛的科研任務,使WP7系列發動機的渦輪進口溫度提高100℃,大大改善了發動機的性能。後續定向凝固合金和第一代、第二代單晶合金的應用,進一步提高了先進發動機的進口溫度。

                燃燒室用高溫合金。我國燃燒室用的第一個高溫合金GH3030於1956年開始研制。在前蘇聯型號發動機的需求引領下,在20世紀50年代末和60年代就已研制成功並投用,如GH3030、GH3039、GH3044、GH4033和GH1140等。這些合金基本滿足了原蘇聯型號發動機的要求。

                20世紀60年代,我國又研制了一些使用溫度或強度更高的合金,如GH3128、GH4099、GH1015、GH1016等。20世紀70年代後期和80年代以後,我國又先後引進了WS9、WZ6和WZ8,研制了FWP14和WZ9等發動機,因此又研制了如GH3536、GH3600、GH3625、GH4080A、GH4090、GH4163、GH4150、GH4098、GH5188、GH5605、GH3230、 GH4648、MGH2756等高溫合金,其性能已完全達到了英、美等國同類高溫合金水平。

                傳統的Ni基、Fe基和Co基高溫合金板材受限▓於合金的本質(熔點),現幾乎已達到了其極限使用溫度,難以進一步發展。因此,我國自20世紀80年代以後,沒有出現使用性能更高的燃燒室用高溫合金或高溫材料。要使燃燒室用高溫材料獲得進一步發展,必須研究全新的材料基體和材料工藝。隨著燃燒室溫度的提升,除仍可采用部分現有材料外,還必須采用耐溫1000℃以上的高溫合金加高效冷卻壁加熱障塗層以及短環形、浮壁式結構才能保證其可靠使用。

                目前,我國已經開始研制和試制用於使用溫度在1100℃以上的,用於高航空發動機火焰筒、加力燃燒室、尾噴口內襯、火焰穩定器、合流機匣噴油桿等的MGH4756合金和氮化強化高溫合金。

                 

                圖為AEF3500新型渦扇發動機,為目前國產推力最大的發動機。


                高溫合金發展趨勢及應用前景

                隨著航空發動機的發展,發動機渦輪進口溫度的提高,要求做渦輪熱端部件材料的承溫能力越來越高。目前,高溫合金用量占燃氣渦輪總重▓的50%以上,以後定向凝固柱晶和單晶高溫合金、粉末冶金高溫合金等高性能合金所占的用量比例將越來越大。

                具體來說,未來高溫合金發█展的趨勢是:用Re、Ru、Ir作為合金化元素,最大限度提高高溫蠕變強度,發展第三代、第四代單晶合█金;含一定量Hf、Y提高合金氧化抗力和工藝性能;更廣泛地應用定向凝固和單晶渦輪葉片及導向器葉片鑄件;提高渦輪盤合金純潔度以便最大程度減少渦輪盤合金的固有內部缺陷;更廣泛地應用等溫鍛造使渦輪盤獲得均勻的晶粒組織;更廣泛地應用預合金化粉末生產渦輪盤合金;更廣泛地應用熱等▓靜壓工藝,使鑄造渦輪葉片減少疏松,組織更致密;更廣泛地發展和應用組合部件,這種組合部件是利用█精鑄或擴散連接方法將兩個或更多零件連接在一起,形成整體部件。

                不過,高溫合金的熔點低於1400℃,很難在1200℃或更高溫度條件下使用,因此也面臨著新的挑戰。金屬間化合物、碳-碳和金屬基復合材料、難熔金屬和陶瓷將是主要的競爭材料。但是這類材料塑性低,成型和焊接困難,在世界上都是一大難題。高溫合金雖然面臨新型材料強有力的挑戰,但我國新工藝的出現和新技術的發展,為研制新的高溫合金,提高合金使用溫度和可靠性、降低成本提供了條件。今後幾十年,高溫合金仍將是未來航空發動機的主導材料,在目前和未來仍有著較強的生命力和光明的前景。

                航空發動機已成為衡量一個國家科技水平、軍事實力和綜合國力的重要標誌之一。新時期,我們將繼續發揚傳統,學習國外先進技術,縮短與國外的差距,走中國特色高溫合金自主創新道路,大膽探索,加強基礎研究和前沿技術研究,加強原始創▓新、集成創新和引進消化吸收再創新,不斷增強創新能力,激發創新活力;冶金工業的廣大科技工作者將在以習近平同誌為核心的黨中央領導下,不忘初心,牢記使命,在高溫合金研制生產方面再立新功,繼續為高推重比航空發動機發展做出新的更大貢獻。

                (中國冶金報 中國鋼鐵新聞網 / 記者 羅忠河 / 轉載自中國冶金報社微信公眾號)

                 

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                2020 07-23

                【喜訊】ybvip股份在深交所創業板成功上市

                7月23日上午,江蘇ybvip合金股份有限公司掛牌上市儀式在深圳證券交易所順利舉行,ybvip股份喜迎首個上市交易日。 ybvip股份的成功上市,是公司數十年持續健康發展書寫的高質量答卷,在公司的發展歷程中具有裏程碑式的意義。 ?ybvip股份成功登陸國內資本市場,有賴於各級領導與監管部門的悉心指導、公司全體同仁與各中介機構的持續努力,更有賴於社會各界的信任與支持。 參加上市儀式貴賓合影 未來,ybvip股份將不負所望,以上市作為公司發展的新起點,把握機遇,乘勢而上,堅持自主創新、深耕核心技術,以持續、健康的發展,來回報股東、回報客戶、回報社會! ybvip股份董監高合影 此刻起,ybvip股份將遵守有關法律、行政法規、部門規章、規範性文件、深交所業務規則及其他相關規定,接受深交所對本公司的自律監管,誠實守信、規範運作,嚴格履行信息披露義務,切實維護投資者合法權益。 董事長萬柏方致辭 一個企業的能力是有限的,我們從事的事業是無限的。我們相信,通過我們堅持不懈的努力,定能夠與客戶、員工以及股東共同創造更大的價值,為我們所從事的航空航天、艦船、能源等高端裝備制造領域的發展貢獻更多的力量! ?
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                報告:全球制造業呈現六個重要趨勢
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                報告:全球制造業呈現六個重要趨勢

                最新研究報告分析指出,全球制造業呈現智能化、高端化、綠色化、自動化、服務化、品牌化等六個重要趨勢。 26日,由中國建投投資研究院、社會科學文獻出版社共同主辦的《中國投資發展報告(2020)》發布會在北京舉行。 報告稱,第一是智能化。隨著“大物移智雲”等新一代信息技術的發展以及信息化水平的普遍提高,數字技術、網絡技術和智能技術日益融入產品研發、設計、制造的全過程,推動產品生產方式的重大變革。主要發達國家和跨國企業均把智能制造作為新一輪發展的主攻方向,一些跨國企業也紛紛加大對智能化改造、先進機器人研發的投入力度,傳統制造加速向以人工智能、機器人和數字制造為核心的智能制造轉變。 第二是高端化。高端制造具有高技術密集、高附加值、高資本投入、高度品牌化等特點,處於產業鏈的頂端,反映一國制造業的綜合實力,因而成為各國戰略競爭的制高點。我國也正在推動制造業技術向中高端層面發展,明確了高端制造領域的主攻方向,突出以工業化與信息化深度融合為抓手,推動中國制造從大國向強國轉變、從中低端向中高端躍升。 第三是綠色化。綠色制造是指在保障產品質量和功能的同時,努力提高能源的使用效率,將產品制造過程中的環境汙染降到最小,進而實現可持續發展。為實現制造業從粗放型向綠色環保方向轉變,我國對能源消耗、汙染物排放等指標做出了明確規定,不斷推動傳統技術改造和工業設計理念的轉變。 第四是自動化。受勞動力成本攀升的壓力,全球重視和推進工業自動化。工業機器人密度是自動化水平的重要指標,中國已經成為全球工業機器人最大市場。 第五是服務化。根據已有國際經驗,制造業發展到一定階段後,其附加值和市場競爭力的提升更多地是靠生產服務業的支撐。隨著制造業和服務業融合程度不斷加深,服務化已經成為引領制造業升級和實現可持續發展的重要力量,是制造業向中高端邁進的重要標誌之一。 第六是品牌化。據經濟合作與發展組織統計,知名品牌占全球商標總量比重僅為3%,卻占據全球市場40%的份額和50%的銷售額。在當下中國制造業蓬勃發展的背景下,品牌價值日益成為影響企業在市場上獲得競爭優勢的重要因素。

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