科创中国

针对我国燃机轮机重大专项及高级别重型燃机关键热端部件国产化需求，钢研高纳联合中国重燃、抚顺特钢、二重万航及国内高校开展协同攻关研究，成功研制出世界最大级别整体制备的超大型高温合金透平轮盘锻件，锻件重量超过13吨、直径超过2300mm，属于变形高温合金领域“极限制造”。本成果成功解决国内高温合金大铸锭特种冶炼、极限锻造成形与均质控性的工艺瓶颈问题，制备出的GH4706高温合金透平轮盘性能与传统耐热钢部件相比，500℃高温屈服强度提升40%，550℃/10万小时高温长时持久强度提升300%以上，推动重型燃机透平轮盘关键部件的性能跨越一个代次，可为我国燃气轮机重大专项任务突破提供有力的材料技术基础支撑。GH4706高温合金透平轮盘锻件主要性能指标：（1）锻件无损探伤：连续缺陷不大于直径2.0mm当量平底孔；（2）室温拉伸性能：σb ≥1250MPa，σ0.2 ≥1000MPa，δ5 ≥13%，ψ ≥20%；（3）650℃/690MPa持久寿命：τ ≥50h；（4）室温冲击性能：AkV ≥40J/cm2；（5）550℃/10万小时持久强度：σ（550, 1000

GH4706高温合金透平轮盘锻件是重型燃气轮机的关键热端部件之一，为满足燃机结构设计要求轮盘锻件的重量超过10吨、直径超过2200mm，需在高温、高载荷、腐蚀气体等复杂环境中服役10万小时以上，其制备技术长期被欧美等发达国家垄断，严重限制了我国高温合金大型构件制备的自主化道路。北京钢研高纳与全国多家单位“产学研用”协同，制定了“三联冶炼+反复镦拔+两次镦饼+一火模锻+整体成形”国际先进制备工艺路线，立足国内现有设备，攻克了高温合金大锭型冶炼、超大规格棒坯锻造、超大尺寸轮盘模锻成型与组织性能控制三大技术难关，分别制备出了直径900mm以上超大尺寸三联冶炼高温合金均质细晶棒材和世界上直径最大的ø2380mm高温合金涡轮盘整体模锻件。该锻件组织与性能全部符合中国联合重燃的技术条件，通过了验收评审。本项成果突破了10吨级高温合金轮盘的极限制造瓶颈，奠定了国内特大型高温合金透平轮盘“高纯、均质、细晶”制备的工艺基础，取得了里程碑式的成果，这是我国在变形高温合金领域重大突破，是国内变形高温合金工艺创新与新材料研制的先锋之举，推动国内特大型涡轮盘制备技术达到了国际先进水平。

先进重型燃气轮机代表着国家重大装备制造业的总体水平，其核心制造技术一直被国外封锁，自主研发对于国家能源调整和环保具有重要意义。重型燃气轮机用高温合金涡轮盘锻件的直径超过2200mm、重量超过10吨，对材料性能要求极为苛刻，制造工艺十分复杂，长期依赖进口，亟待实现国产化。

重型燃机GH4706合金透平轮盘锻件的研制成功，打通了13吨级特大型高温合金涡轮盘制备的工艺路线，取得了里程碑式的成果，为我国重型燃气轮机自主研制奠定了坚实的基础。同时也完善了国内高温合金透平轮盘锻件的材料及工艺规范和质保体系，形成小批量生产能力，不仅满足重型燃机自主设计和迭代试验需求，而且还能推动国内大尺寸高温合金盘锻件制备技术水平提升，为自主设计更高级重型燃机和1600℃级等更先进重型燃机提供候选材料和技术储备。本项成果可应用于重型燃机汽轮机透平轮盘、轴或其他热端部件，应用前景十分广阔。

GH4706高温合金重燃盘团队由北京钢研高纳科技股份有限公司牵头，联合中国联合重型燃气轮机技术有限公司、抚顺特殊钢股份有限公司、中国第二重型机械集团德阳万航模锻有限责任公司及国内高校共同组成的“产学研用”协同团队，涵盖了高温合金材料基础研究、冶炼、锻造及应用领域。团队核心科研人员二十余人，教授级专家占比30%以上，高级技术人员占比40%以上，是一支老中青结合、层次合理搭配、人员结构合理和技术力量雄厚的科研队伍，长期从事大尺寸变形高温合金涡轮盘锻件研发和技术攻关，在高温合金大锭型、大棒材和大盘件研制领域具有丰富的研究经验。团队拥有国内最先进的20吨VIM炉、30吨ESR炉、20吨VAR炉和世界吨位最大的800MN油压机等设备，高温合金大铸锭三联冶炼技术、涡轮盘锻造成型技术和装备能力行业领先。近几年，团队先后承担大飞专项、两机专项等任务，为国产重型燃机重点型号作出了突出贡献。团队与国内多家生产、研究单位及高校长期保持着紧密的合作关系，为科技成果的推广应用提供了良好前景和广阔空间。

聚焦“十四五”能源领域科技创新规划中重型燃机关键热端部件的研发，服务于加快推进能源革命、实现能源高质量发展的国家战略部署，本项成果的成功研制显著提升了我国重型燃气轮机用关键材料、工艺、零部件创新研发和产业化应用水平，加快重型燃气轮机行业国产化进程，大幅度降低成本，提高产品的稳定性和国际竞争力，为“能源强国”、“双碳工程”、“科技创新”等国家重大战略的实施提供有力支持，在科学、社会、经济、生态等方面都取得显著的效益。

燃气轮机被誉为“工业皇冠上的明珠”，是当之无愧是大国重器。燃气轮机发电作为实现降碳目标的重要组成和电网安全的可靠支撑，我国燃机市场潜力巨大，2022年的市场总规模超过600亿元。目前，国外机组占国内市场存量的96%，降低对外依存度势在必行。作为其核心热端部件的高温合金涡轮盘长期被西方垄断，亟待加快推动自主化、国产化研发。本项目突破的关键技术将为重型燃气轮机用高温合金涡轮盘高品质、稳定制造提供技术支撑，提升我国燃气轮机用关键高温合金材料、工艺、设计创新研发和产业化应用水平，加快燃气轮机行业国产化进程，具有极为重要的经济和社会效益。

燃气轮机发电作为实现降碳目标的重要组成和电网安全的可靠支撑，将为中国电力领域的减排贡献巨大力量。本项成果的成功研制更好地推动我国能源结构调整优化、实施低碳发展。通过项目“产业研用”合作，整合国内高温合金冶金、锻造领域最先进的人员、技术和设备资源，通过产业链整合推动我国高温合金大铸锭和大锻件制备技术水平达到国际先进水平，确保产业链供应链安全稳定。

前期依托863项目针对9F级重型燃机用GH4706高温合金轮盘进行了探索性研究，验证了国产可行性。本项目完成了重型燃机GH4706合金透平轮盘锻件的研制，实现了从无到有。但仍需要立足国内冶炼设备自主开发三联冶炼锭型匹配方案及关键冶炼参数控制准则，针对临界锭型的冶金缺陷防控机制、宏微观偏析影响规律及开坯热塑性提升与组织精确控制机理等内容进行研究。预期需要再投入3000-5000万元进行研制，结合设备边界条件与材料参数，校正锻造载荷与组织预测有限元模型优化锻造成型工艺，开发适用于大型盘锻件组织性能与残余应力调控热处理技术，解决高温合金大型构件锻造成型抗力大、组织性能均匀性差、超声波可探性弱等成型控性协同问题，积累重型燃机设计用涡轮盘材料数据，进而实现10吨级超大型高温合金涡轮盘锻件的应用示范。

通过技术合作的产业化方式，产学研一体，根据各自的优势合理分工，需求和资源优势互补提高效率，继续完善国内高温合金透平轮盘锻件的材料及工艺规范和质保体系，形成为或更高级别重型燃机小批量供货能力，满足国内重型燃机自主设计和迭代试验需求。未来将继续研制能够满足更高级别的重型燃机需求的透平轮盘、轴或其他热端部件，或能进入国际市场。资金需求预计3000万元。