我国高温合金产业与发达国家差距大，解决这些问题才能摆脱进口依赖！

2017年5月25日北京信威科技公司宣布拟以10亿英镑收购英国航空零部件厂商Doncasters公司,并100%控股。然而,因Doncasters公司的国防事业部涉及应用于美国导弹和发射系统的组件,美国政府以担心国家安全为由,阻止了该交易。

Doncasters是一家国际领先的高精度特种合金部件制造商,其产品可在高温高压,腐蚀性强等严苛条件下使用。产品广泛应用于航空航天、工业燃气轮机、汽车和石油化工市场,在精密铸造、锻造、机加工、高温合金生产以及汽车螺柱焊接设备的供应和制造领域处于领先水平。从该失败案例可见,我国与发达国家所拥有的先进技术与工艺仍有着较大的差异,本文将对我国高温合金领域存在的差距及问题进行浅析。

我国高端工业装备与美国等发达国家有较大差距

我国高端工业装备与美国等发达国家有着较大的差距,主要体现在以下三方面:

1.国产重型燃气轮机与国外相差整整一代。国外重型燃气轮机已研发到H级,转换效率高达60%。目前重型燃气轮机的技术几乎被美国通用电气(GE)、日本三菱日立、德国西门子、意大利安萨尔多4家公司所垄断。我国只有除叶片以外的非核心部件的生产许可权,一旦生产许可到期,我国燃气轮机的应用便失去了保障。而国内重型燃气轮机自主研发才到F级,2016年北京华清燃气轮机与煤气化联合循环工程技术公司研发出了具有完全自主知识产权的F级重型燃气轮机CGT-\60F,输出功率为300MW,燃气温度为1400°C。叶片应用的是国内外首创的全三维复合倾斜透平静叶片。虽然我国目前尚未将H级燃机投入商业运营,但中国哈电集团已经与GE签署了重型燃机合资协议,在河北秦皇岛建立燃机制造基地,积极推进重型燃气轮机的本土化制造。

2.我国航空发动机始终依赖国外进口。国外航空发动机整机制备技术先进,正往低成本高效率方向发展;国内航空发动机多依赖国外进口,但目前正在逐渐缩小差距。

3.国内外高端特种金属结构材料的差距集中在成本和寿命上。成本的高低与合金元素、合金比例、制备工艺设计相关,我国在某些零件的制备流程上过于复杂,无法一次成型,导致原材料利用率低。寿命短是由合金性能和工艺的不足所导致的,这方面需要科研人员和产业工作人员通过长期多次反复性实验来提高。

我国核心部件关键技术不够成熟

近几年国内对特种合金的关注度大大增加,尤其是高温合金领域。目前应用于涡轮叶片、燃烧室、涡轮盘等的高温合金部件全部依赖进口。然而要研发出自己的发动机,我国要具备独立研发制造高性能高温合金的能力,才能不受国外技术封锁的限制。在发展核心热端部件的同时,也要紧抓其他高端制造业的发展,如结构部件的研发、测试和量产等。

在应用于重型燃气轮机、航空发动机叶片的高温合金方面,目前急需突破的关键技术还是合金制备工艺,这是缩短我国和外国航空发电机与重型燃气轮机差距的有效途径。以叶片为例,目前存在着原材料纯度不够造成性能不达标、服役过程中性能退化导致寿命大大缩减、特种铸造工艺影响我国整机研发进度等问题。

在应用于航空航天结构件的特种合金方面,对高性能轻质合金的研发与制造有着较高的要求。我国目前欠缺的是铸造、锻造、轧制、焊接、挤压等常见的生产工艺的设计能力,面对复杂结构难以设计合适的加工流程。

此外,试验周期长,缺乏数据支持、国内生产企业缺乏先进设备和操作熟练的工人、生产流程自动化程度不高等客观因素也制约了我国整机的研发。

总体而言,我国在重工业领域全面发展,机械设计、结构设计、材料设计等方面稳步前进。除少数性能要求极其苛刻且必须保证在恶劣环境下维持足够寿命的关键部件需要进口外,其他百分之八十以上的零部件均可以自行生产不依靠进口。未来合金方面的发展方向是合理利用现有的技术基础、物质资源、人才资源等,保持优势,有针对性地突破严重限制我国航空工业及重工业水平发展的核心。

高温合金是指以铁、镍、钴为基,能在600℃以上的高温及一定应力作用下长期工作的一类金属材料;并具有较高的高温强度,良好的抗氧化和抗腐蚀性能,良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能。高温合金为单一奥氏体组织,在各种温度下具有良好的组织稳定性和使用可靠性。

基于上述性能特点,且高温合金的合金化程度较高,又被称为“超合金”,是广泛应用于航空、航天、石油、化工、舰船的一种重要材料。按基体元素来分,高温合金又分为铁基、镍基、钴基等高温合金。铁基高温合金使用温度一般只能达到750~780℃,对于在更高温度下使用的耐热部件,则采用镍基和难熔金属为基的合金。 镍基高温合金在整个高温合金领域占有特殊重要的地位,它广泛地用来制造航空喷气发动机、各种工业燃气轮机最热端部件。