项目名称：航空动力轴新材料代系发展及关键技术突破与应用

完成单位：钢铁研究总院有限公司 等

完成人：王春旭 等

航空发动机是国家高端制造业和整体实力的标志，可是我国商用发动机完全依赖进口，C919大型客机被法国LEAP发动机紧紧卡住脖子，习近平总书记指出：加快航空发动机自主研制步伐，让中国的飞机用上更加强劲的“中国心”。

动力轴被誉为发动机的“脊梁”，是发动机全生命周期不可失效的核心部件，核心技术西方一直严格封锁。GE公司亚太总裁王鹏表示：“航空发动机90%以上的零件都在中国制造，但低压转子的轴没有，因为中国的技术不行”。

低压涡轮轴最长，超过2300mm，最大，承载着低压涡轮盘等超过1200个转子件，最强，推力超过10吨，但是最薄处只有3mm，提高强度一直是核心发展方向，可是当强度跨越2000MPa时，传统析出强化理论出现了强度和疲劳性能相背离现象，亟待突破新型强韧化理论。每一秒钟要转动80次，全生命周期超过60亿次，任何微小加工缺陷都会造成灾难性后果，但是现有多次重复的真空冶金工艺遭遇瓶颈，亟待破解高效纯净化难题；我国多火次分部成形工艺组织一致性差，晶粒度级差超过3级；动力轴的变形问题一直未能有效解决，直接影响发动机的平衡。

国家先后出台了大飞机专项、两机专项、核心攻关任务等专项支持，自2009年起开展我国长江发动机动力轴、20发动机动力轴、直升机旋翼轴的集中攻关。面向疲劳可靠性要求，团队提出了合金由强度设计向位错调控设计转变、夹杂物由总量控制向选择性控制转变、锻件由分部式成形向仿形一体化成形转变、零件由机械加工控制向应力遗传控制转变的总体思路，构建我国自主理论体系和技术体系。

创新点一：位错调控合金设计新理论

通过由传统强化设计向位错设计转变，实现新一代动力轴强度与疲劳寿命同步提升。针对强度与疲劳性能矛盾问题，强度越高疲劳越差，团队发现位错在界面的塞积才是诱发裂纹的主要因素，提出了基于位错调控的合金设计新思路，突破了两项关键技术。

（1）界面调控技术。发现了C元素对大角度界面的影响作用，针对超低C的Fe-Ni马氏体大角度界面低，协同变形能力差问题，调控Fe-Ni马氏体向Fe-C马氏体转变，晶粒尺寸从5.45微米细化至1.82微米，大角度界面占比从50%提高至78%，位错密度由1015次方提高至1016次方。

（2）位错调控技术。发现了不同析出相对位错平面滑移速度的影响不同，低错配度的NiAl相会加速位错滑移，高错配度M2C碳化物恰恰相反，利用这种差异性协调碳化物与NiAl相比例由1：1提高至2：1，析出密度从2.4提升至5.6×1023次方，与三代钢C250钢相比，强度由1800MPa提升到2030MPa，疲劳寿命从106提升至107。与美国GE1014相比，1100MPa载荷下疲劳寿命提高近1倍。

创新点二：“夹杂物分类控制”纯净化技术

通过夹杂物由总量控制向精准控制转变，实现经济性与疲劳性能的同步提升。

明确了塑性硫化物的尺寸是影响9310、4340钢疲劳破坏主要原因，针对920mm钢锭硫化物偏聚形成贯穿裂纹问题，冒口提升技术将硫化物集中在钢锭顶端；进一步提出了7ppm硫含量控制基准，液相中不再满足MnS的析出条件，从源头上抑制硫化物的形成，疲劳寿命由2000小时提升到6000小时，为大锭型纯净化提供了理论依据。

明确了脆性氮化钛是影响1800MPaC250钢疲劳破坏的主要因素，针对传统工艺精炼期进行脱氮、脱氮效果存在边际问题，开发了“氩气分压”新技术，通过前移熔化期脱氮，氩气循环大幅降低氮气分压，实现氮含量从传统15ppm降低至5ppm，低周疲劳寿命从6000次提升至20000次以上。

创新点三：“多场补偿”仿形一体化成形技术

通过应变场-温度场-表面润滑多物理场协同调控，实现非均匀截面一火次仿形一体化整体成形。

针对非均匀截面充型过程应变场的不均匀问题，通过坯料由传统圆柱形向“纺锤形”转变；限阻台阶调控流动速度，流变导向引导金属流向，通过对位补偿实现应变效应提高50%。

针对温度场的不均匀问题，开发了 “车轴形”端部补偿技术，实现端部电磁场补偿平衡；二次补热技术实现温度稳定；电偶矫正技术负责温度精准，温度偏差由150℃降低为+10℃。

针对新生表面润滑不足问题，“锥桶形”二次润滑补偿技术，实现润滑补偿；精确设定咬入角42度，实现连续100%表面覆盖；再结晶温度润滑剂，实现再结晶区间成形，获得8级均匀晶粒。

创新点四：“应力遗传”精密加工技术

通过动力轴由传统机械加工控制向应力遗传控制转变，实现动力轴高精度加工。

针对动力轴一直存在的变形问题，团队发现整个制造过程实际是一个连续的应力演化过程，提出了“应力遗传”技术新方法：1、源头控制：消除各向异性；2、演化控制：实现轴线回归；3、末端补偿：减少应力干扰。

针对成形变形问题，圆周对称技术采用流体静压力平衡原理，实现金属流速场在360°周向达到高度一致；针对热处理变形问题，蠕变消减技术诱导残余应力高峰区金属有意发生定向的蠕变变形，驱动峰值应力降低50-80%，实现直线度回归。针对机加工变形问题，基准遗传技术每一道工序直接继承上一道工序的基准面，避免基准转换造成精度缺失。应力遗传控制技术首次实现了成品率由80%提高到100%。

国际水平对比及成果应用

与美国GE公司相比，我国SF1900钢在静态性能相当情况下，疲劳寿命提高近1倍；与法国赛峰公司相比，我国C250钢强度和韧性全面领先；与欧洲直升机相比，4340钢旋翼轴杂质元素S、P含量仅为对方一半，性能一致性更好。同法国LEAP发动机的闭式模锻相比，我国首创的仿形一体化成形技术，长江1000发动机风扇平均晶粒度由5级提升至8级，级差由3级减小到1级，居国际领先地位。

2项国家标准、38项授权专利，22篇学术论文，10份PCD文件，构建了自主技术体系。金属学会专家委员会一致认为项目整体达到国际领先水平。

SF1900钢实现装备长江1000发动机45台份、装备长江2000发动机6台份；助力长江-1000A完成了全部317项适航审定任务。C250超高强度钢装备20系列发动机200台份；9310钢、4340钢旋翼轴装备直升机1150架份。

SF1900钢已经进入我国30系列发动机材料目录，成为主干材料；仿形一体化成形技术已经推广到961涡轮轴、Ti55531旋翼轴，开启由分部模锻向一体化挤压成形跨越新时代。未来20年，我国商用发动机需求接近25000台份，前景广阔、意义深远。

本项目实现了我国动力轴代系化发展、创建了仿形一体化成形技术平台、新一代材料开发实现国际领先，助力C919实现装备“中国心”的梦想，实现我国由“跟跑”到“领跑”的跨越。