我国高温合金的奠基人

yinalan

作为著名的材料科学家，师昌绪院士是中国高温合金研究创始人之一，被国外同行誉为“中国高温合金之父”。1957年他在国内率先开展了高温合金材料及工艺研究，研制出多种具有自主知识产权的高温合金及其部件，并结合实际推广应用。

　　1、针对国家急需，研制铸造镍基高温合金空心涡轮叶片

　　航空发动机是飞机的动力源，高温涡轮叶片是其关键部件，要求在高温、高速、高载荷、复杂受力状态、频繁交变温度下长寿命稳定工作，工作条件极其苛刻，可靠性要求高，一旦失效则导致机毁人亡。1964年，我国自行设计的新型飞机亟需配套发动机，经论证决定采用改进已有发动机的方案，要求增加推动力20%，这意味着要提高涡轮前温度（也就是涡轮叶片工作温度）100℃，需要研制高温合金材料和空心叶片，这在当时是极大的挑战。此前，国内外几乎所有叶片均为锻造后经机械加工而成的实心叶片，只有美国研制成功了铸造空心叶片，但制造材料、工艺严格保密。

　　师昌绪承担精密铸造空心涡轮叶片的研制任务后，在金属所组织带领上百名科技人员与设计和制造单位紧密结合，开展了冶炼、造型、脱芯、测壁厚、化学分析和相分析、控制合金质量、制定验收标准等环节的攻关工作。首先，研制出M17合金，该合金比重较原苏联合金轻9％，使发动机安全系数提高了35%。而且由于建立了一套低温精炼、低温脱气和低温浇铸工艺，结合成分调整，大大提高了合金的组织和性能稳定性。其次，采用真空精密铸造技术，突破了叶片铸造工艺的难题。同时，使用石英玻璃管并用氢氟酸溶解脱除的方法解决了型芯和脱芯的问题，发明了“自由端工艺”成功解决了型芯定位和断芯两大工艺难题，在实验室研制出了我国第一片9孔铸造空心涡轮叶片；他还开发出超声波和X射线测厚技术，用于检测叶片和定位型芯；综合考虑涡轮叶片受力状态和裂纹形成与扩展规律等因素，制定了铸造空心叶片的验收标准。应用上述技术，我国于1966年生产出第一台份铸造空心叶片，并装机试车成功。从承接任务到完成技术攻关，只用了短短一年时间。

　　铸造九孔涡轮叶片的研制是一项具有开拓性的工作，为我国铸造高温合金及其先进空心叶片的发展奠定了基础。它使我国涡轮叶片的发展迈上了两个台阶：一是由锻造加工改为真空精密铸造，二是由实心改为空心叶片。这项工作使我国成为继美国之后，世界上第二个成功使用精铸气冷涡轮叶片的国家。该叶片到目前为止仍是我国用量最大的航空涡轮叶片，装备我国多种航空发动机，40多年来没有因叶片失效而发生过事故，充分说明标准适当、生产工艺稳定。由该项技术发展出的冶炼、浇铸、型芯、检测等系列工艺和标准已推广到全国，直接指导着我国几十年来高温合金的制备和铸造涡轮叶片（多晶、定向和单晶）的生产。该成果于1985年获国家科技进步一等奖。

　　2、提出低偏析理论和技术，推动我国高温合金等材料的新发展

　　上世纪60年代初，金属所确定了以发展铸造高温合金为主攻方向以后，师昌绪便提出以“金属的凝固过程”作为主要学科方向。由于高温合金含十几种合金元素，而且合金化程度越来越高，凝固偏析成为高温合金进一步发展的主要障碍。通过试验和理论分析，发现某些微量元素（如磷、锆、硼、硅等）不仅本身产生严重的凝固偏析，而且还促进某些主元素的聚集。因此，通过有效控制这些微量元素，可大大减少合金的凝固偏析，这一发现被称之为“低偏析技术”。该技术的应用使得铸造高温合金工作温度提高了20-25℃，变形高温合金的开锻温度提高上百摄氏度。据此发展了一系列低偏析的铸造和定向高温合金，如M17F、M17G、M38G、DZ125L等等，多数已应用于我国先进航空发动机上。该成果还被广泛应用于不锈钢、抗氢钢的研制和生产中。为此，当时国家计委在金属所建立了“低偏析合金材料及制品示范基地”，世界银行贷款在金属所建立了高性能均质合金工程研究中心。该成果获1986年中国科学院科技进步一等奖及1987年国家自然科学三等奖。1998年7月在美国华盛顿国际材料研究学会上，师昌绪做了“微量元素控制的低偏析高温合金”报告，各国学者公认是原创性的工作，获得了国际材料研究学会联合会（IUMRS）颁发的 “Innovations in Real Materials Award（实用材料创新奖）”。当年全世界仅12项工作获此殊荣，该奖项至今也是中国唯一的实用材料创新奖。

　　3、20世纪70年代初开始抗热腐蚀涡轮叶片的研制

　　工业及舰用燃气轮机中，劣质燃油中的硫及空气中的碱金属在高温下会导致航空用镍基高温合金发生热腐蚀，因此除了调整合金成分外，还需要表面防护。在低偏析技术的牵引下，师昌绪带领科研人员在国内率先开展了抗热腐蚀高温合金的研制工作，发展了M38、M38G、DZ38G、DSM11、DD8和DD10系列抗热腐蚀合金。上世纪70年代四川发现大油气田，欲用管道东输上海，中间需要工业燃气机驱动的增压泵，师昌绪率队前往争取合作，最后确定涡轮叶片采用金属所开发的耐热腐蚀高温合金M38，由无锡动力机厂生产，金属所派技术人员常年驻厂。研究成果除满足地面燃气轮机的需求，还用于船舶。目前金属所在抗热腐蚀高温合金及叶片研制领域处于国内领先地位，与哈汽、上汽、东汽三大汽轮机厂等国内大型燃气轮机设计、制造单位都有密切合作，研制了系列的多晶、定向和单晶抗热腐蚀合金及大型复杂空心叶片，在工业燃机和发动机中得到广泛应用，在满足各类发动机的需求中发挥着重要作用。

　　4、在国内最早提出开展在接近使用条件下的材料性能研究

　　上世纪60年代，师昌绪院士认为高温合金研究必须建立新型强度实验室。因此，他在国内率先建立了低应变疲劳及蠕变疲劳交互作用试验装置及第一台液压伺服低频疲劳机，带动了国内强度研究的发展，为新型高温合金研制、选材及发动机设计提供了理论依据，在此基础上金属所建立了疲劳与断裂国家重点实验室。

　　5、提倡以铁基代镍基高温合金

　　师昌绪院士一直提倡立足国内自主发展高温合金。上世纪50年代末，根据我国国情提出了大力发展铁基高温合金的战略方针。高温合金通常以Ni、Cr为主，当时由于中苏关系恶化、国际封锁，国内Ni、Cr产量很少，飞机发动机制造面临巨大困难。师昌绪团队与抚顺钢厂合作，研制出我国第一个铁基高温合金GH135，部分代替了当时使用的镍基合金GH33，生产出数以千计的航空发动机涡轮盘，不但解决了当时亟需，同时还带动了全国开发铁基高温合金的热潮。

　　几十年来，师昌绪一直引导和关注我国高温合金的研究、开发、生产和应用，锻炼出了实践经验丰富、有较高理论水平的科研与生产队伍，建立了若干研究和生产基地。50多年来，我国航空发动机所用高温合金的研制与生产完全立足国内，成为继美、英和前苏联之后第四个具有高温合金体系的国家。

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