中國科學(xué)院金屬研究所高溫合金研究部

一、概 況

中國科學(xué)院金屬研究所成立于1953年，是新中國成立后中國科學(xué)院創(chuàng)建的首批研究所之一。創(chuàng)建者是我國著名的物理冶金學(xué)家李薰先生。建所以來，一直致力于材料的結(jié)構(gòu)、性能、使役行為及其防護(hù)技術(shù)的研究，同時注重材料制備與加工及工程化研究。經(jīng)過老一代科學(xué)家的艱苦創(chuàng)業(yè)和幾代科技工作者的不懈努力，中國科學(xué)院金屬研究所已經(jīng)發(fā)展成為我國材料科學(xué)與工程領(lǐng)域重要的研究基地和人才培養(yǎng)基地，為材料科學(xué)的發(fā)展做出了杰出貢獻(xiàn)。

金屬研究所高溫合金研究部由兩院院士、2010年國家最高科學(xué)技術(shù)獎獲得者師昌緒先生創(chuàng)建于上世紀(jì)六十年代，主要從事高溫結(jié)構(gòu)材料的合金設(shè)計、制備工藝、微觀結(jié)構(gòu)和使役性能等方面的研究工作，多年來研制了系列鑄造和變形高溫合金，發(fā)展了真空精鑄、定向凝固和電磁離心鑄造等多種先進(jìn)工藝技術(shù)。

目前，高溫合金研究部以推進(jìn)先進(jìn)高溫合金材料與技術(shù)的工程化，突破制約國內(nèi)相關(guān)行業(yè)發(fā)展的技術(shù)瓶頸為主要目標(biāo)，保持基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究均衡發(fā)展。近年來高溫合金研究部承擔(dān)了多項高溫結(jié)構(gòu)材料的基礎(chǔ)科研和工程研制任務(wù)。例如，2009年，承擔(dān)了國家863重大項目“重型燃?xì)廨啓C(jī)關(guān)鍵技術(shù)及系統(tǒng)”子課題“透平葉片材料與工藝研究”;2010年，組織實施了國家973項目“高溫合金材料設(shè)計與制備的基礎(chǔ)研究”;2011年，承擔(dān)了中科院戰(zhàn)略先導(dǎo)科技專項“未來先進(jìn)核裂變能——釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)”中“合金結(jié)構(gòu)材料”子課題，同時還承擔(dān)了國家自然科學(xué)基金聯(lián)合資助基金重點項目2項;近五年來，研究部承擔(dān)了20余項國家自然科學(xué)基金面上項目和青年基金項目。

高溫合金研究部現(xiàn)有職工和研究生近200人，其中中國工程院院士1人，研究員14人，副研究員15人;40歲以下的科技人員中，75%以上擁有博士學(xué)位。自2003年以來，有3人入選中國科學(xué)院“百人計劃”引進(jìn)海外杰出人才項目，到高溫合金研究部工作。

目前金屬所高溫合金研究部研發(fā)試驗中心已經(jīng)正式投入使用，試驗中心集高溫合金母合金熔煉、型殼型芯制造、精密鑄造及相關(guān)分析檢測于一體，為高溫合金研究部承擔(dān)的多項攻關(guān)課題提供了先進(jìn)的制備和檢測平臺。

2010年，師昌緒院士獲“國家最高科學(xué)技術(shù)獎”

二、主要研究方向

·鑄造高溫合金(等軸晶、定向柱晶、單晶):針對先進(jìn)動力系統(tǒng)用高溫結(jié)構(gòu)材料，開展合金設(shè)計、制備工藝、微觀結(jié)構(gòu)和使役性能等方面的研究

·變形高溫合金:針對渦輪盤用變形高溫合金，開展成分設(shè)計優(yōu)化、制備工藝、微觀結(jié)構(gòu)和使役性能等研究

·金屬間化合物:NiAl、Ni3Al等金屬間化合物的設(shè)計制備與組織性能研究

·高溫合金的純凈化冶煉:高溫合金的純凈化冶煉技術(shù)研究

·外場作用下的凝固過程控制:電磁離心鑄造、超細(xì)晶等多種材料凝固過程的模擬和實驗研究

·高溫合金的腐蝕與防護(hù)研究:復(fù)雜環(huán)境條件下，高溫合金的腐蝕與防護(hù)機(jī)理、涂層滲層制備技術(shù)研究

·計算模擬:針對凝固過程、缺陷控制及枝晶生長理論、涂層失效機(jī)理、材料組織性能演化開展計算模擬研究

三、研究成果

上世紀(jì)60年代，師昌緒院士帶領(lǐng)金屬所的科研人員成功研制了K417高溫合金，發(fā)展了真空精密鑄造技術(shù)，突破了空心葉片鑄造工藝難關(guān)，實現(xiàn)了從鍛造合金到鑄造合金、從實心葉片到空心葉片兩個飛躍，僅用一年多的時間就研制出了我國第一枚鑄造空心葉片，也使中國成為當(dāng)時世界上除美國之外第二個掌握鑄造空心渦輪葉片制造技術(shù)的國家。這一成就是中國高溫合金發(fā)展的一座里程碑，引領(lǐng)了此后幾十年中國高溫合金研發(fā)與應(yīng)用領(lǐng)域的迅速發(fā)展。師昌緒院士因在我國高溫合金和新型合金鋼領(lǐng)域的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)，2010年榮獲“國家最高科學(xué)技術(shù)獎”。

高溫合金研究部先后研發(fā)了系列(多晶、定向和單晶)鑄造高溫合金材料，為建立和完善我國高溫合金材料體系奠定了基礎(chǔ)。以抗熱腐蝕高溫合金為例，上世紀(jì)70年代，為了滿足Fr5系列燃機(jī)國產(chǎn)化的需要，高溫合金研究部研制出與IN738合金相當(dāng)?shù)腒438合金，用于制造Fr5系列燃機(jī)一級渦輪工作葉片;90年代K438合金作為MS6001燃機(jī)一級渦輪工作葉片材料，進(jìn)行了約5 000小時的運行考核。近年來，針對新型燃?xì)廨啓C(jī)的需求，研究部還研制了K444、K435、K452、K446合金，用于制造R0110重型燃?xì)廨啓C(jī)的全部四級渦輪工作葉片、四級導(dǎo)向葉片和九個渦輪整流支柱;研制了高強(qiáng)抗熱腐蝕定向合金DZ411，用于10MW級燃?xì)廨啓C(jī)和300MW級重型燃?xì)廨啓C(jī)的高壓渦輪葉片;研制了目前國內(nèi)強(qiáng)度水平最高的抗熱腐蝕單晶合金DD10，正在準(zhǔn)備進(jìn)行20MW級燃?xì)廨啓C(jī)的葉片考核。

先進(jìn)定向凝固技術(shù)是定向和單晶渦輪葉片研發(fā)和制造的基礎(chǔ)。高溫合金研究部從上世紀(jì)80年代開始高速凝固技術(shù)(HRS技術(shù))的研發(fā)工作，目前已經(jīng)為多型號的中小燃?xì)廨啓C(jī)研制了渦輪和導(dǎo)向葉片。2003年開始，金屬所在國內(nèi)率先開展了先進(jìn)高溫度梯度定向凝固技術(shù)——液態(tài)金屬冷卻(LMC)定向凝固技術(shù)的研發(fā)工作，先后自主研制了5 kg、15 kg、35 kg三臺LMC設(shè)備，突破了低熔點合金污染控制、高強(qiáng)抗熱裂陶瓷模殼制備等關(guān)鍵技術(shù)。針對具有復(fù)雜內(nèi)腔冷卻結(jié)構(gòu)的定向和單晶葉片，通過與國內(nèi)相關(guān)設(shè)計、制造單位的密切協(xié)作，成功研制了80～450 mm長的DZ411定向葉片和80～300 mm長的DD10單晶葉片。研究工作表明，與傳統(tǒng)HRS定向凝固技術(shù)比較，LMC技術(shù)可以顯著降低鑄件的縮孔、減輕偏析，同時在大型鑄件的定向凝固過程中始終保持固/液界面較高的溫度梯度，從而避免產(chǎn)生等軸晶、雀斑等常見缺陷。

整體鑄造葉輪一般用于中小型發(fā)動機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子，其轉(zhuǎn)速最高可達(dá)50 000 rpm以上。由于渦輪轉(zhuǎn)子工作狀態(tài)復(fù)雜，為避免葉片根部或輪盤疲勞斷裂，通常需要嚴(yán)格控制葉輪的晶粒尺寸。高溫合金研究部突破了葉盤整體細(xì)晶鑄造的關(guān)鍵技術(shù)，制備出葉片晶粒尺寸由0.1～1 mm均勻過度，葉盤的平均晶粒尺寸小于2 mm的整體葉輪。

上世紀(jì)90年代，高溫合金研究部的科研人員研究發(fā)現(xiàn)，在IN718等高溫合金中，磷主要通過在晶界和位錯等缺陷處偏聚的形式來強(qiáng)化晶界和基體，不改變合金的基本組織和工藝性能，但可以成倍地提高這些合金的持久和蠕變壽命，大幅度地改善疲勞性能，從而顯著提高合金的使用溫度。據(jù)此發(fā)展的磷和硼復(fù)合強(qiáng)化的GH4169G合金已經(jīng)在航空工業(yè)中獲得了重要應(yīng)用。

幾十年來，研究部有20多項研究成果先后榮獲國家、中科院和省(部、委)級獎勵，其中包括國家科技進(jìn)步一等獎，國際材料協(xié)會授予的“實用材料創(chuàng)新獎(Innovations in Real materials Award)”等。近年來，研究部的科研人員獲授權(quán)專利50余項，在國際材料領(lǐng)域的知名期刊Acta Mater.、Metall.Mater.Trans.A、Scripta Mater.、Mater.Sci.Eng.A等發(fā)表文章百余篇，多次受邀參加國際會議并做會議邀請報告。

四、交流與合作

2010年，在日本舉行的ECI國際高溫合金會議上，主辦方特別組織了獻(xiàn)給高溫合金研究部胡壯麒院士的“Honorary section”

中國科學(xué)院金屬研究所高溫合金部在與國內(nèi)高校、研究院所、企業(yè)等建立密切合作關(guān)系的同時，也與國際高溫合金主要研發(fā)機(jī)構(gòu)開展了廣泛的交流與合作。目前，研究部已經(jīng)與英、美、德、日、意、韓等10多個國家的研究機(jī)構(gòu)或?qū)W術(shù)團(tuán)體開展了學(xué)術(shù)交流。先后邀請德國Erlangen-Nuremberg University的R.F.Singer教授，美國University of California的T.M.Pollock教授，英國University of Birmingham的R.C.Reed教授等高溫合金領(lǐng)域的知名科學(xué)家來所交流，并向他們頒發(fā)了“李薰講座獎”。研究部還向日本、德國、韓國等高溫合金研發(fā)機(jī)構(gòu)派遣了多名研究生，開展合作研究。在長期合作交流的基礎(chǔ)上，2003年以來，高溫合金研究部與韓國材料研究所和日本國立材料研究所共同組織了三方高溫合金研討會，迄今已經(jīng)成功舉辦了五屆。