我国700℃超超临界汽轮机用镍基汽缸材料研制取得重要进展

　　近日，我国高温合金领域接连取得两项标志性进展。中国科学院金属研究所周亦胄研究员团队自主研发的多款高代次单晶高温合金已在多型新型发动机中通过装机考核；与此同时，该所联合国内9家单位研制的重达16.6吨的700℃超超临界汽轮机用K317镍基汽缸铸件全尺寸工业试制件通过专家评审，成为目前世界上质量最大的同类铸件。两项突破分别面向航空动力与清洁煤电两大战略方向。
　　单晶合金：从“元素叠加”到“机理重构”
　　航空发动机与燃气轮机是现代工业的“皇冠”，涡轮叶片则是“皇冠上的明珠”，而单晶高温合金正是涡轮叶片的核心基础材料。随着新一代航空动力涡轮前进口温度突破2200K，传统单晶合金的耐受极限已被逼近。长期以来，高代次单晶合金依靠添加钨、钼、铼等难熔金属提升承温性能，但这一路径容易诱发有害的拓扑密排相，导致高温组织失稳和强度衰减。
　　周亦胄团队摒弃传统的“元素叠加改良”思路，提出基于层错能调控的位错协同强化新机制，通过精准引入扩展位错及位错锁结构、优化铝钽原子配比，从根本上抑制有害TCP相的形核与生长。系列高代次镍基单晶高温合金的综合性能已对标国际同代先进水平，并完成装备适配验证。
　　在工程化环节，团队探明杂质元素在TCP相附近的偏聚机理，自主开发出超纯净化冶炼成套工艺，将合金硫含量稳定控制在1ppm以下。更具战略意义的是，团队建立了杂质—合金化元素交互作用设计方法，在无须添加稀缺贵金属钌的前提下，使国产单晶高温合金的组织稳定性达到高端含钌单晶合金的水准。此外，团队在精密铸造环节攻克了型壳微结构调控、型芯表面改性等技术难题，打通了从冶炼到精密叶片成型的全链条自主制造工艺。
　　该团队还深度融合人工智能技术，依托国产大模型整合数十年高温合金试验数据、物理机理模型和工程实践经验，搭建了高温合金智能设计系统。目前，该系列技术已获国家授权发明专利20余项，近五年创造产值超亿元。产业化层面，第二代单晶高温合金DD6已成为我国应用量最大的单晶高温合金。
　　700℃汽缸：16.6吨铸件刷新世界纪录
　　10月10日，由中国科学院金属研究所联合二重（德阳）重型装备有限公司、东方电气集团东方汽轮机有限公司等9家单位组成的产学研用攻关队伍，历经两年联合攻关，成功研制出重达16.6吨的K317汽缸铸件全尺寸工业试制件，并在德阳通过现场见证专家评审。
　　K317是一种沉淀强化型镍基铸造高温合金，使用温度可达720℃，其高温持久强度较上一代K325合金提高了约50℃。将这种高性能合金从实验室推向10吨级以上的工业化铸件，面临一系列极端工程挑战。项目团队突破了37吨大吨位镍基合金钢水在非真空环境下的纯净化、均匀化及成分精准控制熔炼技术，同时解决了大型镍基汽缸铸件的浇铸、补焊、热处理技术以及HGH317配套焊丝制造技术等一系列关键难题。
　　该成果为700℃超超临界发电机组的工程化扫清了核心材料障碍。700℃超超临界技术可大幅提升燃煤发电效率、降低供电煤耗和碳排放，是煤炭清洁高效利用的关键路径。K317汽缸铸件的成功研制，标志着我国在700℃超超临界发电机组用铸造镍基耐热合金及大型高温铸件制造技术方面处于世界前列。
　　两项技术突破的背后，是全球高温合金需求的持续高景气。据行业研究，预计2024至2028年全球航空航天和燃气轮机高温合金需求复合增速将达20%，2026年全球需求量将达到45万吨。国内方面，2018年至2025年高温合金产量从2.2万吨增长至6.2万吨，年均复合增长率约16%，但高端产品仍存在约30%的供给缺口。