文/祝 侶

在“十二五”期間，面向上?？萍紕?chuàng)新工作中新興產(chǎn)業(yè)培育工程的科技規(guī)劃，圍繞“健康上海、綠色上海、精品上海、數(shù)字上海”四個(gè)上海中新興培育工程部署的20項(xiàng)重大任務(wù)，上海組織研究和編制了區(qū)域戰(zhàn)略性技術(shù)路線圖。本文以“精品上?！敝邢冗M(jìn)材料為案例，選擇飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)高溫合金材料進(jìn)行分析，通過(guò)研究高溫合金材料的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀、技術(shù)體系、上海創(chuàng)新資源分布、優(yōu)劣勢(shì)及機(jī)遇與挑戰(zhàn)，構(gòu)建了上海飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)高溫合金材料的區(qū)域戰(zhàn)略性技術(shù)路線圖，一方面為政府進(jìn)行科技創(chuàng)新管理提供決策支持，另一方面為上?？萍紕?chuàng)新主體的各方提供技術(shù)決策指導(dǎo)。

飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)高溫合金材料的未來(lái)情景描述

首先，我們對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)高溫合金材料的歷史發(fā)展、國(guó)際發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了跟蹤和搜集，勾勒出了飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)高溫合金產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。

1.國(guó)際飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)高溫合金材料發(fā)展趨勢(shì)。目前，國(guó)外飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)以高溫合金、鈦合金、鋼和復(fù)合材料為主要結(jié)構(gòu)材料。高溫合金仍是飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)用量最大的材料，CFM56 發(fā)動(dòng)機(jī)中的高溫合金用量比例約達(dá)65%?，F(xiàn)在歐美現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用主要包括鑄造高溫合金（等軸高溫合金，定向高溫合金、單晶高溫合金），變形高溫合金，粉末高溫合金等。

自上世紀(jì)50年代至今，變形高溫合金的典型牌號(hào)為GH4169 合金（國(guó)外In718 合金）在國(guó)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)上得到了廣泛應(yīng)用，主要用于制造渦輪盤(pán)和壓氣機(jī)盤(pán)等關(guān)鍵轉(zhuǎn)動(dòng)部件。目前，國(guó)外提高該合金使用性能的兩個(gè)主要發(fā)展趨勢(shì)為：通過(guò)改進(jìn)工藝充分發(fā)揮合金的性能潛力；通過(guò)改進(jìn)合金化機(jī)制提高合金的穩(wěn)定性和工作溫度。

進(jìn)一步更高使用溫度的超高合金化材料是粉末高溫合金和鑄造高溫合金。目前國(guó)際上發(fā)展的粉末高溫合金材料有Rene95、In100、Rene88DT、Astroloy。GE90 發(fā)動(dòng)機(jī)采用了第二代粉末高溫合金Rene 88DT作為高壓渦輪盤(pán)材料，與第一代粉末高溫合金Rene 95 相比，該合金的成分、制造工藝、純凈度、使用溫度和損傷容限性能等都有很大提高。在發(fā)動(dòng)機(jī)用鑄造高溫合金方面，國(guó)外已研制和應(yīng)用了第二代、第三代單晶合金，其分別比第一代單晶高溫合金的承溫能力提高約30 ℃和60 ℃，而近年來(lái)出現(xiàn)的第四代單晶合金的承溫能力更達(dá)到1180 ℃。

2.飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)高溫合金材料在未來(lái)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中的需求與效益。飛機(jī)的高可靠性、高安全性、高耐久性、低環(huán)境污染、低油耗、低全壽命成本均極大程度上依靠發(fā)動(dòng)機(jī)性能的提高。上海作為我國(guó)三大動(dòng)力裝備研發(fā)生產(chǎn)基地之一，長(zhǎng)期以來(lái)在相關(guān)技術(shù)方面開(kāi)展了卓有成效的工作，取得一些重要成果并建立了相對(duì)雄厚的研究和制造基礎(chǔ)。根據(jù)《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》中，將大型飛機(jī)項(xiàng)目確定為“未來(lái)15年力爭(zhēng)取得突破的16 個(gè)重大科技專(zhuān)項(xiàng)”之一，而大型飛機(jī)發(fā)展的核心又是掌握和突破先進(jìn)渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的制造技術(shù)。因此，以上海所擁有的良好基礎(chǔ)，承擔(dān)起研發(fā)和生產(chǎn)任務(wù)，在不太長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)攻克關(guān)鍵技術(shù)難題，進(jìn)而提升上海的現(xiàn)代裝備制造業(yè)的技術(shù)水準(zhǔn)和實(shí)力，并形成核心生產(chǎn)力，是歷史所賦予的責(zé)任、挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

隨著高溫合金的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛，其中采用單晶高溫合金渦輪葉片已經(jīng)成為先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主要趨勢(shì)，其對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)及現(xiàn)代裝備制造業(yè)的推動(dòng)作用十分明顯。隨著國(guó)家大飛機(jī)研制項(xiàng)目開(kāi)始立項(xiàng)，使我國(guó)對(duì)以高溫合金單晶渦輪葉片為代表的重型燃?xì)廨啓C(jī)核心部件制造技術(shù)的創(chuàng)新和國(guó)產(chǎn)化需求日益緊迫，其對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展、現(xiàn)代裝備制造水平提高，以及國(guó)防現(xiàn)代化等都具有巨大的社會(huì)意義、市場(chǎng)前景、經(jīng)濟(jì)效益。

飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)高溫合金材料的技術(shù)體系梳理分析

從飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)高溫合金材料產(chǎn)業(yè)分類(lèi)的角度，我們對(duì)高溫合金產(chǎn)品的功能模塊進(jìn)行了分解，對(duì)不同功能模塊的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了歸納整理。

1.在變形高溫合金技術(shù)體系與關(guān)鍵技術(shù)方面，我國(guó)經(jīng)過(guò)多年應(yīng)用研究，對(duì)變形高溫合金中GH4169合金的冶煉工藝，鍛件的制造工藝、組織和性能等有了較深入的了解，也發(fā)展了制造盤(pán)件的普通工藝、高強(qiáng)工藝和直接時(shí)效工藝。國(guó)內(nèi)GH4169 合金主要采用兩聯(lián)工藝（VIM+VAR）生產(chǎn)，棒材采用快速水壓機(jī)開(kāi)坯生產(chǎn)，盤(pán)鍛件采用快速水壓機(jī)自由鍛制坯，在錘或水壓機(jī)上采用包套模鍛工藝或在等溫?cái)?shù)控液壓機(jī)上采用近等溫鍛工藝生產(chǎn)。但國(guó)內(nèi)GH4169 合金及其關(guān)鍵轉(zhuǎn)動(dòng)零件的現(xiàn)有生產(chǎn)和制造水平與國(guó)外差距很大，不能滿足大客發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)壽命、高可靠性的要求。國(guó)內(nèi)發(fā)展趨勢(shì)是：采用三聯(lián)冶煉工藝進(jìn)一步提高合金純潔度；采用細(xì)晶制坯和等溫鍛造工藝穩(wěn)定鍛件生產(chǎn)工藝，提高鍛件的持久蠕變性能和批次穩(wěn)定性；進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)動(dòng)件加工水平，延長(zhǎng)關(guān)鍵轉(zhuǎn)動(dòng)件的使用壽命和可靠性。

2.在粉末高溫合金技術(shù)體系與關(guān)鍵技術(shù)方面，我國(guó)開(kāi)展的是以FGH96 合金為代表的使用溫度為750℃的第二代損傷容限型粉末高溫合金的研究。“十一五”初期采用的是氬氣霧化粉末（AA 粉）＋熱等靜壓（HIP）+等溫鍛造（HIF）+熱處理工藝。盡管經(jīng)過(guò)多年的研究探索，我國(guó)FGH96 高壓渦輪盤(pán)的研究已經(jīng)取得了很大進(jìn)展，但盤(pán)件的純凈度水平尚待提高，關(guān)鍵工藝缺乏工程化應(yīng)用研究，盤(pán)件的性能數(shù)據(jù)不完備，缺乏盤(pán)件制備的全套工藝技術(shù)文件，嚴(yán)重影響了FGH96 在大客發(fā)動(dòng)機(jī)中的進(jìn)一步應(yīng)用。

3.在鑄造高溫合金技術(shù)體系與關(guān)鍵技術(shù)方面，目前我國(guó)在產(chǎn)和在研的定向凝固渦輪葉片大多尺寸較小，在帶冠大展弦比定向凝固渦輪葉片的研制方面經(jīng)驗(yàn)較少，目前葉片合格率僅為20%—30%。我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的低成本第二代單晶高溫合金DD6 具有優(yōu)良的綜合性能，該合金達(dá)到軍機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)所規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)，解決了我國(guó)第二代單晶合金的有無(wú)問(wèn)題；但我國(guó)的單晶高溫合金還未成熟，尚未完全掌握大型飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)所需要的單晶高溫合金的使用性能和應(yīng)用技術(shù)。

飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)高溫合金材料的現(xiàn)狀基礎(chǔ)分析

通過(guò)實(shí)地調(diào)研和專(zhuān)家咨詢，我們對(duì)上海飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)高溫合金材料相關(guān)的科技資源稟賦現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，主要涉及企業(yè)的主營(yíng)業(yè)務(wù)、區(qū)域分布、知識(shí)產(chǎn)權(quán)等情況；高校和科研院所的擅長(zhǎng)領(lǐng)域、產(chǎn)學(xué)研合作、研發(fā)團(tuán)隊(duì)等情況；以及配套平臺(tái)的相關(guān)設(shè)施和服務(wù)情況。

1.國(guó)內(nèi)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的優(yōu)勢(shì)分布。在國(guó)內(nèi)主要有寶鋼股份有限公司特殊鋼分公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)寶鋼特鋼）、撫順特殊鋼有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)撫鋼）、長(zhǎng)城特鋼三家生產(chǎn)企業(yè)。

定向合金為國(guó)外第一代水平。目前國(guó)內(nèi)定向合金在航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片和導(dǎo)向葉片上獲得廣泛應(yīng)用，典型合金有DZ4、DZ22、DZ417G、DZ125、DZ125L 等；第二代定向高溫合金的研究剛起步，如DZ6 合金（仿制Rene142合金），第三代定向高溫合金的研究處于初步探索階段，如DZ12合金。

單晶合金為國(guó)外第二代水平。單晶合金的表合金為DD6。我國(guó)還沒(méi)有整臺(tái)份單晶高溫合金葉片在發(fā)動(dòng)機(jī)上服役。我國(guó)在上個(gè)世紀(jì)80年代末研制成功第一代單晶高溫合金DD3，并應(yīng)用于某軍機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪工作葉片。到目前為止，北京航空材料研究院已研制出3000 余件某軍機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)DD3 單晶實(shí)心渦輪工作葉片，已進(jìn)行了DD3 單晶葉片發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車(chē)考核，正在進(jìn)行飛行考核。

變形高溫合金發(fā)展較為成熟。以發(fā)動(dòng)機(jī)上用量最大的GH4169 變形高溫合金為例，我國(guó)自20世紀(jì)80年代以來(lái)，對(duì)GH4169合金開(kāi)展了大量的試驗(yàn)研究和應(yīng)用研究，取得了重要成果，掌握了生產(chǎn)和技術(shù)方面的許多規(guī)律。至今，GH4169合金在發(fā)動(dòng)機(jī)中的用量已由幾個(gè)、十幾個(gè)零件增加到二百多個(gè)，國(guó)產(chǎn)GH4169盤(pán)鍛件的性能已達(dá)到較高水平，每年生產(chǎn)某軍機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)用盤(pán)鍛件近1000件。

第一代粉末盤(pán)研制尚未完全成功。國(guó)內(nèi)粉末高溫合金研究是從上個(gè)世紀(jì)70年代末開(kāi)始的，自某軍機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)粉末盤(pán)項(xiàng)目開(kāi)題研究以來(lái)，大尺寸粉末盤(pán)的制造工藝和性能取得了一定的突破，重要的改進(jìn)措施是采用擠壓工藝路線。粉末純凈度水平顯著提高，部分盤(pán)件純凈度達(dá)到美國(guó)GE公司標(biāo)準(zhǔn)，性能達(dá)到Rene 88DT水平。

2.上海創(chuàng)新資源分布。上海在冶金方面具有較大的優(yōu)勢(shì)，上海寶鋼特鋼是上海地區(qū)具備高溫合金等民用航空材料生產(chǎn)可能的單位，寶鋼特鋼前身上鋼五廠和上海鋼研所曾為我國(guó)研制的大型運(yùn)輸機(jī)（運(yùn)十）以及我國(guó)軍用飛機(jī)供應(yīng)過(guò)數(shù)十噸鈦合金、高溫合金和特殊鋼棒材、鍛件等材料。同時(shí)，上海曾是用我國(guó)民用“運(yùn)十”客機(jī)變形合金主要供應(yīng)廠家，目前為我國(guó)航空戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)重點(diǎn)提供變形高溫合金。

從事飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)高溫材料的高校有上海大學(xué)、上海交通大學(xué)等。上海交通大學(xué)金屬基復(fù)合材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在先進(jìn)鈦合金、原位自生鈦基復(fù)合材料及其制備技術(shù)方面開(kāi)展了廣泛的研究，先后承擔(dān)了20多項(xiàng)國(guó)家重點(diǎn)項(xiàng)目，在耐熱原位自生鈦合金及鈦基復(fù)合材料超塑性研究方面取得了一系列重要研究成果。

3.上海面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。2011年11月，上海交大成立航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究院，并與中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)簽訂戰(zhàn)略合作協(xié)議。它將在國(guó)家和上海市的支持下，在中航工業(yè)等行業(yè)核心力量的幫助指導(dǎo)下，經(jīng)過(guò)十年左右的建設(shè)，建設(shè)成為世界級(jí)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)技術(shù)研發(fā)中心和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中心。

中國(guó)商用飛機(jī)有限責(zé)任公司、中航工業(yè)商用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)公司近年來(lái)紛紛落戶于上海，這將為上海大力推進(jìn)大型飛機(jī)的研制工作提供了新的機(jī)遇。2008年5月，中國(guó)商用飛機(jī)有限責(zé)任公司在上海揭牌成立，開(kāi)啟了中國(guó)自主研制大型客機(jī)的新篇章。2009年1月中航工業(yè)商用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司在上海注冊(cè)成立，主要從事民用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)及相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、研制、生產(chǎn)、銷(xiāo)售、維修、服務(wù)、技術(shù)開(kāi)發(fā)和技術(shù)咨詢等業(yè)務(wù)。

總體而言，上海與國(guó)際先進(jìn)水平的差距還很大，而且與我國(guó)在新世紀(jì)研制和生產(chǎn)先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)、先進(jìn)民機(jī)及其高推比發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)載設(shè)備對(duì)熱加工技術(shù)的需求相比，其差距也很大。在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)高溫合金方面的主要差距表現(xiàn)為變形高溫合金雖可達(dá)到國(guó)際先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)要求，但產(chǎn)品實(shí)物質(zhì)量與歐美仍有明顯差距。由于歷史的原因，粉末高溫合金和鑄造高溫合金的研究和制造處于空白狀態(tài)，是重點(diǎn)攻克的方向。同時(shí)，大部分研究尚停留在實(shí)驗(yàn)階段，產(chǎn)品形成后還存在驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)等問(wèn)題，不能產(chǎn)業(yè)化。

飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)高溫合金材料技術(shù)路線選擇與分析

根據(jù)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)高溫合金材料情景圖的未來(lái)目標(biāo)設(shè)定，體系圖的技術(shù)體系，并給予上海現(xiàn)況的定位和發(fā)展方面，我們從研究任務(wù)的應(yīng)用技術(shù)體系中建立了技術(shù)功效指標(biāo)的時(shí)間軸與里程碑并選取了對(duì)于發(fā)展上海發(fā)展飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)高溫合金材料的關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)。所形成的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)高溫合金材料區(qū)域戰(zhàn)略性技術(shù)路線圖見(jiàn)右圖。到2015年，主要是完善現(xiàn)有第二代單晶為代表的高溫合金材料，提高產(chǎn)品質(zhì)量和成品率，降低成本。國(guó)產(chǎn)高溫合金材料用量達(dá)到驗(yàn)證機(jī)結(jié)構(gòu)重量35%，形成大型客機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)高溫合金材料適航符合性程序。大型客機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)主選高溫合金材料技術(shù)成熟度達(dá)到6—7級(jí)。到2020年，將發(fā)展第三代單晶葉片材料及其相匹配的其他高溫合金部件材料（如金屬間化合物和陶瓷材料等），并開(kāi)始應(yīng)用。國(guó)產(chǎn)高溫合金材料用量達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)重量40%以上。建立滿足發(fā)動(dòng)機(jī)適航要求的高溫合金材料體系和高溫合金材料應(yīng)用的技術(shù)支撐體系，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)國(guó)產(chǎn)高溫合金材料的批量供應(yīng)。大型客機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)主選高溫合金材料技術(shù)成熟度達(dá)到8—9級(jí)。關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)包括單晶高溫合金渦輪導(dǎo)向葉片和工作葉片制造技術(shù)、定向高溫合金渦輪葉片制造技術(shù)、長(zhǎng)壽命關(guān)鍵轉(zhuǎn)動(dòng)件用GH4169合金棒材研制技術(shù)、粉末高壓渦輪盤(pán)制造技術(shù)。

高溫合金材料戰(zhàn)略性技術(shù)路線圖

結(jié)論

區(qū)域產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新能力是以產(chǎn)業(yè)自主技術(shù)體系為重要載體，區(qū)域產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新能力的提升是彰顯科技創(chuàng)新支撐引領(lǐng)區(qū)域發(fā)展的關(guān)鍵作用的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。區(qū)域戰(zhàn)略性技術(shù)路線圖的發(fā)展與應(yīng)用，對(duì)于提升區(qū)域自主創(chuàng)新能力和核心競(jìng)爭(zhēng)力起到了優(yōu)化創(chuàng)新管理的作用。上海區(qū)域戰(zhàn)略性技術(shù)路線圖的編制是落實(shí)上?！笆濉笨萍家?guī)劃的重要嘗試和創(chuàng)新，它不僅是創(chuàng)新主體各方參與并形成廣泛共識(shí)的過(guò)程，而且是創(chuàng)新主體運(yùn)用最新的戰(zhàn)略路線圖研究方法對(duì)重點(diǎn)領(lǐng)域進(jìn)行科技規(guī)劃的過(guò)程，它將為上海市科技創(chuàng)新主體的各方提供公共產(chǎn)品的同時(shí)也著實(shí)提升了創(chuàng)新主體的規(guī)劃水平。