先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)是一個(gè)國家科技工業(yè)水平和綜合實(shí)力的重要標(biāo)志，其技術(shù)進(jìn)步與渦輪葉片制造技術(shù)的發(fā)展密不可分。為了提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的推力，美國、歐洲與俄羅斯的大推力航空發(fā)動(dòng)機(jī)全都采用了單晶高溫合金葉片。在單晶高溫合金材料和單晶葉片制造技術(shù)方面，我國與發(fā)達(dá)國家相比存在較大差距，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力、壽命與可靠性亟待提高。
我國單晶高溫合金材料的瓶頸問題主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：一是合金中有害雜質(zhì)元素O、N、S等含量高；二是合金中易燒損元素成分范圍波動(dòng)大；三是可控雜質(zhì)元素個(gè)數(shù)少。針對(duì)這三個(gè)問題，中國科學(xué)院金屬研究所通過研究合金熔體中O、N、S等有害雜質(zhì)元素在不同冶煉階段的反應(yīng)去除機(jī)理與過程控制，將單晶高溫合金的O、N、S含量從20ppm以上降低到5ppm以下，接近了國際單晶高溫合金的最高冶煉水平（1-2ppm）。通過開展合金主元素在不同溫度、真空度條件下的揮發(fā)和燒損規(guī)律研究，實(shí)現(xiàn)了合金中各主元素含量的精確控制，把最容易發(fā)生成分波動(dòng)的C、Y元素含量控制在±0.01wt.%以內(nèi)，Cr、Hf、Al等元素成分波動(dòng)控制在±0.1wt.%以內(nèi)，顯著提高了單晶高溫合金的力學(xué)及工藝性能穩(wěn)定性。結(jié)合化學(xué)成分對(duì)單晶高溫合金顯微組織、物理性能、力學(xué)性能、高溫腐蝕性能、鑄造性能影響的研究，確定了單晶高溫合金中20多種雜質(zhì)元素的成分控制范圍。在此基礎(chǔ)上，研制出了多種先進(jìn)單晶高溫合金，緩解了我國多個(gè)型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)急需的關(guān)鍵材料問題。
我國單晶高溫合金葉片制造技術(shù)的瓶頸問題主要體現(xiàn)在葉片制造工藝基礎(chǔ)研究薄弱，復(fù)雜結(jié)構(gòu)單晶葉片合格率較低上。單晶葉片制造工藝流程復(fù)雜，涉及冶煉、鑄造、模具設(shè)計(jì)、型殼型芯、單晶生長(zhǎng)、化學(xué)脫芯、熱處理、無損檢測(cè)、機(jī)加、焊接、表面涂層等幾十個(gè)工藝環(huán)節(jié)，如果這些工藝過程的基礎(chǔ)研究不到位，單晶葉片制造過程中就會(huì)不可避免地出現(xiàn)雜晶、小角晶界、取向偏離、界面反應(yīng)、熱裂紋、再結(jié)晶、顯微疏松、夾雜、鑄瘤、欠鑄等冶金缺陷。由于缺少對(duì)單晶鑄造缺陷形成機(jī)制的深入認(rèn)識(shí)，長(zhǎng)期以來我國一直不能制定出有效的缺陷控制措施。針對(duì)這些問題，金屬研究所從開展單晶葉片鑄造缺陷形成機(jī)制與控制方法基礎(chǔ)研究著手，發(fā)展了從模具設(shè)計(jì)到鑄件檢驗(yàn)的單晶葉片制造全流程控制技術(shù)，并成功應(yīng)用于多種型號(hào)與類型的單晶葉片研制，促進(jìn)了我國單晶葉片鑄造技術(shù)的進(jìn)步，為中航工業(yè)發(fā)動(dòng)機(jī)公司以及航天科工集團(tuán)公司多個(gè)新型發(fā)動(dòng)機(jī)的研制提供了葉片保障。
高溫合金葉片鑄造過程中，需要通過澆道與冒口設(shè)置來避免葉片中出現(xiàn)不可接受的鑄造缺陷。鑄造后澆道與冒口內(nèi)的高溫合金不允許在航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件制造中重復(fù)使用，因此高溫合金葉片鑄造過程中產(chǎn)生出的廢料常高達(dá)總用料的70%。單晶高溫合金材料的基體為鎳元素，其中含有錸、釕、鉭、鎢、鉬、鈷等稀有貴重金屬。由于缺少相關(guān)分離提取技術(shù)，使得合金廢料中錸、釕、鉭、鎢、鉬、鈷等高價(jià)值元素只能被當(dāng)作鎳來對(duì)待，造成了極大的資源浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失。針對(duì)這一問題，金屬研究所建立了從高溫合金廢料中分離回收稀貴金屬元素的技術(shù)路線，實(shí)現(xiàn)了從高溫合金廢料中分離回收錸、釕、鉭、鎢、鉬、鈷等稀貴金屬元素的目標(biāo)，同時(shí)形成了與之配套的高溫合金低成本制造技術(shù)，該技術(shù)可使含錸、釕單晶高溫合金的制造成本顯著降低。
目前，我國的自主創(chuàng)新正朝著更高、更遠(yuǎn)、更強(qiáng)展翅飛翔，金屬研究所將秉承老一輩科技人員“我們的科研文章發(fā)表在祖國的藍(lán)天上”的思想，以科研創(chuàng)新為國產(chǎn)先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制與發(fā)展增添新動(dòng)力。