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编号：江苏大学学生科研项目申请书课题名称:航空发动机用镍基单晶高温合金涡轮叶片的制备申请者：彭发学所在学院：材料科学与工程学院年级、专业：金属材料工程0902指导老师：王安东副教授/博士申请日期：2011-4-23项目类别（在相应的类别上打√）A、自然科学类论文B、发明制作类C、社会科学类论文江苏大学学生科研立项管理委员会制说明l、申报者应在认真阅读此说明各项内容后按要求详细填写。2、表内项目填写时一律打印，此申报书可复制。3、编号由学生科研立项管理委员会统一填写。4、申报作品有关材料请以打印件附于申请书后，申请书为A3纸双面复印中缝装订，一份，（活页部分单独装订），由所在单位审查签署意见后在规定时间内统一报送校团委，团委不接受个人申报。5、在前几期大学生科研课题立项中立项，但没有结题的同学，不得申报此次大学生科研课题。6、有关其他事宜请向校团委咨询。7、联系人：杜明拴（88780040）E-mail:dms@ujs.edu.cn申请者姓名彭发学性别男出生年月1992—10—18政治面貌共青团员所在学院材料科学与学院工程专业年级金属材料工程0902学历高中联系电话15262903770其他联系方法18952944944申请者曾承担科研项目及完成情况课题名称批准时间完成情况申请者本人近几年以来的主要研究成果（注明刊物的年、期或出版社、出版日期）合作者情况姓名性别年龄学历学院专业班级申请者所在学院分管科研的领导对该项目的基本评价签章：年月日学院意见签章：年月日编号：江苏大学学生科研项目申请书（活页）课题名称：航空发动机用镍基单晶高温合金涡轮叶片的制备申请年度：2011-4-23江苏大学学生科研立项管理委员会制说明l、申报者应在认真阅读此说明各项内容后按要求详细填写。2、表内项目填写时一律打印，此申报书可复制。3、编号由学生科研立项管理委员会统一填写。4、申报作品有关材料请以打印件附于申请书后，申请书（活页）为A3纸双面复印中缝装订，一式三份和申请书一起由所在单位在规定时间内统一报送校团委，团委不接受个人申报。5、在活页中，一律不得出现申报者和指导教师的信息，否则取消申报资格。6、有关其他事宜请向校团委咨询。8、联系人：杜明拴（88780040）E-mail:dms@ujs.edu.cn研究课题名称航空发动机用镍基单晶高温合金涡轮叶片的制备所属类别（A）、A、自然科学类论文B、发明制作C、社会科学类论文起止时间2012年成果形式论文—专利—样品申请经费总额75万其它经费来源单位自筹一、项目的基本内容，项目研究的目的基本思路，国内外研究现状、水平和发展趋势，本研究达到的科学技术水平和预期社会经济效益项目的基本内容如下：1）研究单晶涡轮叶片熔模精密铸造工艺单晶高温合金叶片近净形熔模精密铸造生产工艺：开发适于单晶涡轮叶片生产的使用高强度、高导热系数、薄壁陶瓷壳型材料和制壳工艺；研发可溶性陶瓷芯的高性能材料和相应制芯技术；开发使用高软化点、小变形量模料的高精度叶片蜡模模样制备工艺。同时，研发防止单晶缺陷的特种模壳制备技术：针对杂晶、斑点等缺陷，根据叶片自身特点，在缺陷形成的高危区域，在模壳制备过程中通过改变局部模壳的材料、形状、厚度等方法，制备特种陶瓷模壳，达到消除专门单晶缺陷的效果。2）研究单晶涡轮叶片的定向凝固工艺在现有诸多专有技术的基础上，继续开发航空发动机用镍基高温合金涡轮叶片的单晶制备工艺，研发专有的定向凝固过程中的可变挡板技术，优化挡板上方保温加热器温度和挡板下方的水冷结晶器向下拉制速度等工艺参数，研发对型壳内金属液的温度场、应力场、流动场的动态控制技术，确保不同成分的高温合金以及不同形状大小的叶片实现单晶凝固的固液界面状态及所需的温度梯度和晶体生长速度，制备出符合航空发动机要求的单晶涡轮叶片项目研究的目的基本思路如下：目的：：本项目瞄准航空发动机用单晶高温合金涡轮叶片生产的国际先进水平，以国产大飞机项目为导向，研究开发包括新型单晶高温合金及熔炼工艺、近净形单晶叶片熔模铸造技术、单晶叶片凝固控制技术等在内的具有自主知识产权的航空发动机用镍基单晶高温合金涡轮叶片生产共性关键制造技术，突破我国航空发动机制造业的瓶颈。国内外研究现状、水平和发展趋势如下：1航空发动机是航空工业核心竞争力的体现目前，世界上干线客机主要是美国的波音飞机、欧洲的空中客车及俄罗斯的“图”系列、“伊尔”系列飞机。航空发动机作为确保飞机使用性能、可靠性和经济性的决定因素，基本上被CFM国际公司、通用电气公司、普惠公司、英国罗·罗公司以及俄罗斯的4家发动机制造企业垄断。提高推重比、提高涡轮前进口温度、提高压气机平均级压比、降低油耗、使结构更紧凑是高性能军用发动机的发展方向。一台先进航空发动机性能水平很大程度上依赖于高温材料的性能水平[1]，单晶叶片和涡轮盘高温合金是发动机的关键材料，如发动机推重比的提高有赖于涡轮前进口温度的提高，而涡轮前进口温度的提高又有赖于涡轮转子及叶片等部件设计结构的改进和材料的更新。我国航空工业经过了50多年的发展，航空发动机一直是我航空工业的瓶颈[2,3]，也是决定我国大飞机专项成败的最为关键的因素。目前虽能自行设计和生产包括涡扇、涡喷、涡桨、涡轴在内的各型航空发动机，但与世界航空先进水平相比还存在不小的差距，如目前空军歼10战机装备的AL-31F发动机大修周期只有800小时，而西方CFM-56发动机（图1）寿命达到14000小时。国家16个重大科技专项之一的中国大型客机工程即通常所说的“大飞机”项，目是建设创新型国家的标志性工程，包括研制150座的中远程干线客机、大型军用运输机以及高涵道比涡扇发动机。我国民用高涵道比涡扇发动机的技术储备严重不足，而面对世界市场的激烈竞争，亟待推出具有当代国际先进水平的产品，是我国航空工业严峻的挑战。2010年，国产大飞机C919进入详细设计和制造阶段，将选用将由GE公司和法国SNECMA集团联合研制的LEAP－X1C发动机（图2），国产发动机验证机五年内研制成功。图1装配空客A320和波音737系列飞机的CFM56系列发动机图2我国C919客机选用的LEAP-X1C型发动机我国发展大飞机，发展更高性能的军机，必须要有大推力涡扇发动机；无论是商用的高涵道比涡扇发动机，还是军用的小涵道比涡扇发动机，都需要既能满足飞机要求，又有发展前途的性能优良的核心机，需要最好的发动机叶片。2单晶高温合金是涡轮发动机叶片的主导材料对于航空涡轮发动机来说，关键部位叶片在高温下承受较大复杂应力作用，是核心部件；单晶高温合金是迄今在先进发动机中用作涡轮叶片的最重要材料，具有高温性能和抗氧化性好，组织稳定性高的特点。目前几乎所有先进航空发动机都以采用单晶叶片为特色，镍基合金占先进航空发动机用材总重量的50％以上。从技术和经济的实践上看，在21世纪的相当长时期内，单晶合金仍将是燃气涡轮发动机最重要的主导材料[4-6]。3单晶涡轮叶片制造工艺是航空发动机的核心技术之一在航空发动机中，涡轮叶片由于处于温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位而被列为第一关键件，并被誉为“王冠上的明珠”，以说明其重要程度。涡轮叶片的性能水平(特别是承温能力成为一种型号发动机先进程度的重要标志，在一定意义上，也是一个国家航空工业水平的显著标志。随着航空技术的迅速发展，高温合金叶片组织由等轴晶到柱状晶再到单晶（图3），性能随之大幅提高。(a(b图3高温合金叶片微观组织(a及性能对比(b近年我国在这方面的研究取得了一定的进展,研制出了适用于单晶叶片精铸用的模料、型壳、型芯及相关工艺，但并不十分成熟，在工业应用方面仍有许多工作要做。国际上美国、英国、俄罗斯、法国、德国对定向凝固合金和单晶叶片的研究一直处于领先地位，并掌握精密熔模铸造制备飞机发动机涡轮叶片的关键技术。国外对定向凝固过程模拟仿真的研究始于上世纪80年代，目前已有商业软件形成；国内的研究多在理论方面，对于预测各种单晶缺陷形成与防止方面的研究几近空白。本研究达到的科学技术水平和预期社会经济效益如下：项目能实现突破技术封锁、打破产业垄断，极大提升国内高温合金开发和单晶叶片的制造技术和性能水平，为航空核心机开发提供核心材料和技术保障，推动国内燃气轮机、航空发动机以及军工产业的自主发展，对我国航空航天等产业发展和国家安全保障具有重要的战略意义。二、项目的研究思路和方法，技术路线、实验方案及可行性分析（包括过去的研究工作基础、现有条件）1）新型镍基单晶高温合金及其熔炼工艺开发技术路线镍基单晶高温合金设计原材料纯净度的影响合金元素含量的影响O、S含量的影响熔炼过程烧损的影响超纯净镍基单晶高温合金三联熔炼工艺开发原材料清洗技术完善真空感应熔炼工艺(VIM电渣重熔工艺(ESR真空自耗重熔工艺(VAR2）航空发动机用镍基单晶涡轮叶片近净形熔模精密铸造生产工艺研发技术路线单晶叶片近净形熔模精密铸造工艺研发制备单晶叶片陶瓷模壳Al2O3陶瓷壳型材料和制壳工艺开发可溶性陶瓷芯的材料和制芯技术开发高精度叶片蜡模模样制备工艺开发防缺陷特种模壳制备技术研发壳型、壳芯高精度定位组培技术研发3）航空发动机用镍基高温合金涡轮叶片的单晶制备技术研发路线航空发动机用镍基高温合金单晶涡轮叶片制备工艺研发制备单晶涡轮叶片样品单晶凝固工艺参数研发凝固过程金属液温度场、应力场、流动场的动态控制技术研发带有可变挡板的定向凝固技术开发单晶涡轮叶片数值模拟技术研发建立杂晶、斑点等单晶缺陷预测模型凝固过程三维温度场模拟技术研发显微组织模拟技术研发建立枝晶尺寸和致密度的控制模型单晶涡轮叶片制备工艺优化4）航空发动机用镍基单晶高温合金涡轮叶片的制备工艺流程高精度叶片蜡模制备可溶性陶瓷芯制备Al2O3陶瓷壳型浆料配制叶片蜡模装配及型芯定位陶瓷壳型制备超纯净高温合金熔炼建立数值模拟模型温度场、微观组织、缺陷预测模拟定向凝固工艺预实验叶片单晶性及微观组织分析对比分析实验和模拟结果调整数值模拟参数再次模拟结果相符调整凝固工艺参数再次模拟符合要求优化定向凝固工艺参数定向凝固实验叶片单晶性及微观组织分析确定单晶定向凝固工艺制备单晶涡轮叶片结果理想YYNNNY性能评价三、作品的实际应用价值和现实意义（A、C类），作品的使用范围及推广前景及市场分析和经济效益预算（B类）1）突破单晶叶片制备关键技术，实现航空核心机自主制造为航空核心机开发提供核心材料和技术保障，推动国内燃气轮机、航空发动机以及军工产业的自主发展，对我国航空航天等产业发展和国家安全保障具有重要的战略意义。2）顺应我省产业布局优化，带动新材料类技术密集型产业链发展我省是国家新材料产业和相关产品产业链发展的重要省份，本项目属于新材料开发类技术密集型产品。项目的实施将推动我省航空、军工等相关产业的快速、健康发展，提高我省高温合金叶片产业在全国的地位和影响力。3）带动冶金、航海航空及电力等相关行业发展，提供可靠技术储备本项目实施亦可为我国今后发展大型高效燃气涡轮发电所必需的大型单晶涡轮叶片的制造提供可靠技术储备。四、年度研究计划及预期进展最终预期研究成果，有助于理解、评审的现有技术和参考文献检索目录年度研究计划如下：2012年10月至2013年6月主要工作内容:单晶涡轮叶片的定向凝固工艺的研发2014年1月至2014年4月主要工作内容:航空发动机用单晶涡轮叶片制备工艺的优化2014年5月至2014年6月主要工作内容:单晶涡轮叶片样品的制备项目研究预期成果及效益如下：设计开发出适用于航空发动机涡轮叶片的新型镍基单晶高温合金1～2种；开发一套超纯净铸造镍基单晶高温合金真空感应精炼-电渣重熔-真空自耗重熔（VIM+ESR+VAR）的三联熔炼工艺，并拥有完全自主知识产权；开发一套单晶涡轮叶片熔模精密铸造工艺；开发防止单晶缺陷的特种模壳制备技术；开发航空发机用镍基高温合金涡轮叶片的单晶制备工艺；开发带有可变挡板的定向凝固专有技术；研发单晶叶片制备的三维温度场、显微组织和缺陷预测数值模拟技术；形成具有自主知识产权的单晶涡轮叶片小试样品。申请国家发明专利3～4件，授权专利1～2件；在国内外重要核心刊物上发表论文3篇以上，其