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高溫合金精密鑄件智能鑄造技術研發(fā)項目可行性研究報告
思瀚產(chǎn)業(yè)研究院 中超控股    2023-06-28

1、項目基本情況

本項目擬投資 15,000 萬元，開展高溫合金超限精密鑄造技術研究、高溫合金智能鑄造技術、高溫合金精密鑄件冶金質量及服役性能評價等關鍵技術研究，實現(xiàn)由基于傳統(tǒng)經(jīng)驗的鑄造工藝設計向大數(shù)據(jù)驅動的智能鑄造工藝設計模式的轉變，實現(xiàn)鑄件冶金質量與尺寸精度的精確穩(wěn)定控制，從而不斷提高江蘇精鑄的精確制造能力、生產(chǎn)效率，進一步提升江蘇精鑄高溫合金精密鑄造的核心競爭力。

本項目實施后，將形成一整套完備的高溫合金精密鑄件智能鑄造專利技術集群，并在航空發(fā)動機及燃氣輪機用高溫合金精密鑄件研制及生產(chǎn)中得到充分應用，進一步提升產(chǎn)品質量和生產(chǎn)效率。同時，本項目有利于促進我國先進高溫材料及其智能化精密成型制造技術發(fā)展，為中國航空航天事業(yè)做出貢獻。

2、項目建設的必要性

（1）加強公司自主研發(fā)能力，滿足公司發(fā)展需要

習近平總書記在黨的二十大報告中指出：“加強企業(yè)主導的產(chǎn)學研深度融合，強化目標導向，提高科技成果轉化和產(chǎn)業(yè)化水平。強化企業(yè)科技創(chuàng)新主體地位，發(fā)揮科技型骨干企業(yè)引領支撐作用，營造有利于科技型中小微企業(yè)成長的良好環(huán)境，推動創(chuàng)新鏈產(chǎn)業(yè)鏈資金鏈人才鏈深度融合?！边@些重要論述，明確了強化企業(yè)科技創(chuàng)新主體地位的戰(zhàn)略意義。

本次擬投資的高溫合金精密鑄件智能鑄造技術研發(fā)項目，將提升公司的自主創(chuàng)新能力，符合我國建設創(chuàng)新型國家的發(fā)展方向。通過掌握更多的核心技術，具備強大的自主創(chuàng)新能力，公司才能在高溫合金精密鑄造行業(yè)掌握戰(zhàn)略主動權，從而為我國科技創(chuàng)新事業(yè)做出貢獻。

（2）深化技術研發(fā)，增強公司核心競爭力

高溫合金鑄件是航空發(fā)動機、燃氣輪機及航天重大裝備中不可或缺的熱端部件。產(chǎn)品特點向耐更高溫、復雜薄壁、精密、整體化的方向發(fā)展，產(chǎn)品的內部冶金質量和外部尺寸精度的要求也愈加嚴苛，鑄造工藝難度逐漸提升，甚至很多產(chǎn)品逐漸超出了傳統(tǒng)熔模精密鑄造技術的成型極限。

為了應對新形勢下產(chǎn)品新要求，解決高溫合金精密鑄件研制周期長、質量不穩(wěn)定、精確控制難等問題。公司需盡快提高自主創(chuàng)新能力，對關鍵技術展開深入研究并將成果充分應用于高溫合金精密鑄件的批量化制造上，才能增強公司核心競爭力，促進公司持續(xù)發(fā)展。

3、項目建設的可行性

（1）政策支持為項目實施提供了有利保障

高溫合金精密鑄件作為航空、航天、石油化工、能源等各個重要領域的重要零部件，在日益復雜的國際環(huán)境下，盡早實現(xiàn)我國高溫合金精密鑄件的全自主研發(fā)和進口替代，解決各項“卡脖子”技術是我國近年來的重點發(fā)展方向。

當前我國已出臺系列支持新材料行業(yè)發(fā)展的政策，如《中國制造 2025》、《新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展指南》，均將高溫合金作為高端裝備發(fā)展的重點突破領域。高溫合金是制造航空航天發(fā)動機熱端部件的關鍵材料，提升關鍵戰(zhàn)略材料保障能力是國家戰(zhàn)略所需。在國家產(chǎn)業(yè)政策支持下，我國先進高溫材料行業(yè)面臨著巨大的歷史機遇，本項目可以借助國家政策的落地和行業(yè)的快速發(fā)展而順利實施。

（2）江蘇精鑄具備項目實施的研發(fā)基礎

江蘇精鑄自 2017 年成立以來，與上海交大開展“產(chǎn)學研”合作，開展了航空發(fā)動機高溫合金大型復雜薄壁鑄件相關的專利技術研發(fā)，并于 2020 年開始與上海交通大學共同承擔了江蘇省工業(yè)和信息產(chǎn)業(yè)轉型升級專項資金-關鍵核心技術（裝備）攻關項目《國產(chǎn)寬體客機發(fā)動機高溫合金超大型復雜薄壁渦輪機匣超限精密成型技術攻關研究》，分別在大型復雜薄壁渦輪機匣的微量元素測定、澆冒系統(tǒng)設計、疏松及偏析等鑄造缺陷預測及冶金控制、鎳基高溫合金大型鑄件精密鑄造用陶瓷型殼制備方法、大尺寸陶瓷型芯制備方法、全流程尺寸變形控制等方面取得了較好的專利技術成果。

目前公司擁有的已授權的發(fā)明專利 23 項，實用新型專利 12 項，還有 14 項發(fā)明專利已公示。另外，公司還參與國家標準編制 2 項，行業(yè)團體標準編制 6 項。

江蘇精鑄擁有實施本項目的研發(fā)團隊，包括本科以上學歷研發(fā)人員 15 人，其中博士 6 人，碩士 5 人，并于 2022 年通過國家“啟明人才計劃”引進海外專家 1 名。研發(fā)人員的專業(yè)包括金屬材料、機械設計、模具開發(fā)、自動控制和企業(yè)管理等。同時，江蘇精鑄已形成較為成熟的研發(fā)體系，建立了科學有效的研發(fā)管理機制，為本次項目實施奠定了堅實基礎。

4、項目實施主體

本項目的實施主體為江蘇中超航宇精鑄科技有限公司。

5、項目建設的主要內容

本項目總投資 15,000 萬元，投資明細主要包括研發(fā)軟硬件采購及安裝、研發(fā)投入、產(chǎn)學研合作費等，全部使用募集資金。

本項目將面向國家重大需求、國內外市場發(fā)展需求及企業(yè)長期發(fā)展需求，制定中長期技術發(fā)展規(guī)劃，致力于先進高溫材料及其精密成型技術的研發(fā)，持續(xù)攻克航空發(fā)動機、燃氣輪機、航天發(fā)動機及武器裝備領域用高溫合金精密鑄件智能化設計、精確鑄造等關鍵技術，不斷研究和開發(fā)出具有國際先進水平的新產(chǎn)品。同時，為確保項目順利進行，公司將繼續(xù)加強與上海交大等優(yōu)勢高?；蜓芯吭核暮献鳎ㄟ^合作開發(fā)等形式，加快關鍵技術的攻關。

研發(fā)重點包括高溫合金超限精密鑄造技術研究、智能鑄造技術研究、高溫合金精密鑄件冶金質量及服役性能評價研究。具體情況如下：

（1）高溫合金超限精密鑄造技術研究

隨著航空航天飛行器設計水平的跨越式提升，鑄件的結構設計出現(xiàn)了重大變化，正向尺寸更大、結構更復雜、壁厚更薄、尺寸更精密的方向發(fā)展，鑄件的尺寸、壁厚和結構復雜程度均超出了傳統(tǒng)精密鑄造技術的極限，外輪廓超過 1000mm，最大尺寸接近 2000mm，大面積壁厚 2 mm（甚至最小 1.0 mm），復雜內腔結構、大面積空心薄壁曲面結構與變截面系數(shù)陡增成為常態(tài)。

此外，產(chǎn)品結構的變化對保證產(chǎn)品內部冶金質量和外部尺寸精度控制提出了更高的技術要求，逐漸超出了傳統(tǒng)熔模精密鑄造技術的成型極限。本次擬投資 5,000 萬元，在 2020～2022 年江蘇省工信廳產(chǎn)業(yè)轉型升級攻關項目支持的江蘇精鑄自主開發(fā)建設的大型復雜薄壁渦輪后機匣精密鑄造研發(fā)平臺上，針對薄壁完整充型、冶金缺陷、尺寸精度和表面質量控制等高溫合金大型復雜超限精密鑄造的關鍵難題展開系統(tǒng)深化研究和優(yōu)化，并形成標準化。

1）主要研究內容

研究熔體特性、純凈度、澆注工藝等對產(chǎn)品凝固組織的影響機制，攻克大型復雜薄壁鑄件鑄造工藝設計難題，形成澆冒系統(tǒng)設計規(guī)范；研究大型復雜薄壁鑄件的“大尺寸效應”、“變截面效應”和“薄壁效應”對缺陷影響規(guī)律，構建基于結構特性的工藝性能表征體系，揭示缺陷形成動力學機制和抑制途徑；

高溫合金復雜渦輪機匣偏析及脆性相形成與抑制研究，形成大型復雜鑄件偏析程度的預測方法；攻克復雜鑄造系統(tǒng)下高溫合金鑄件尺寸精度全流程控制技術難題，研究時變擾動與尺寸映射關系、數(shù)據(jù)驅動的結構-工藝-尺寸關系模型、獲得鑄件全流程尺寸精度控制方法；攻克超大型高溫合金復雜鑄件復合陶瓷型殼與自固化型芯材料及其制備技術，攻克超大型復雜薄壁鑄件完整成型難題；開發(fā)一套適用于抑制大型薄壁鑄件焊接缺陷及焊接變形控制的補焊技術，突破一直制約大型薄壁鑄件焊接缺陷及焊接變形控制的技術難點；開發(fā)復雜內腔結構的內部缺陷及輪廓尺寸的精確三維 CT 無損檢測技術等。

2）預期目標

項目從全流程出發(fā)，深化對高溫合金復雜薄壁超限精密鑄造的關鍵共性基礎科學技術問題研究，在熔體特性、凝固組織協(xié)同精確調控、薄壁完整充型方案、冶金缺陷、尺寸精度和表面質量系統(tǒng)控制、精確三維無損檢測方法方面獲得成套技術成果，突破超高服役溫度合金、超大尺寸、超薄壁及極復雜結構的高性能復雜薄壁精密鑄件數(shù)字化精確成形制造關鍵技術，為持續(xù)提升我國航空航天用高溫合金產(chǎn)品的精確制造能力打下基礎。

開發(fā)系列航空發(fā)動機、燃氣輪機用大型復雜薄壁精密鑄件產(chǎn)品并批量穩(wěn)定生產(chǎn)能力；進一步提高產(chǎn)品尺寸精度，局部關鍵尺寸從 CT6 級提升至 CT4 級；進一步提升產(chǎn)品冶金質量，延伸產(chǎn)品疲勞壽命，提高產(chǎn)品的可靠性和耐久性。本技術研發(fā)完成后，預計申請專利 5～10 項、起草行業(yè)標準 1 項、產(chǎn)品標準 1 項等。

綜上，項目完成后，公司的高溫合金精密鑄件的生產(chǎn)將實現(xiàn)全流程控制，精確制造能力將得到顯著提升，從而有利于提高產(chǎn)品合格率。

（2）高溫合金智能鑄造技術

如何提高鑄件質量并實現(xiàn)生產(chǎn)的自動化和設計智能化是當前我國正面臨著從鑄造大國向鑄造強國邁進的重要課題。長期以來，精密鑄件的研發(fā)依賴于大量經(jīng)驗積累和簡單循環(huán)試錯為特征的“經(jīng)驗尋優(yōu)”方式，其科學性差、質量不穩(wěn)定，造成研制周期長、成本高。在大型復雜薄壁高端鑄件研制方面，目前國內缺乏數(shù)字化智能化理論模型與方法，對鑄造熱成型過程控制認識不夠，智能計算與工程人員協(xié)同創(chuàng)新不足，缺乏成套的智能控制方法與基礎理論指導，難以解決鑄造工藝優(yōu)化、成型過程質量控制等共性技術難題。

因此，隨著高端制造向智能化方向發(fā)展，開發(fā)并攻克基于集成計算、數(shù)字孿生、大數(shù)據(jù)與人工智能相結合的鑄造精密成型全過程優(yōu)化與智能工藝設計關鍵技術，是提升企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)及研制能力的重要手段。

1）主要研究內容

領域知識驅動的澆注系統(tǒng)設計與軟件開發(fā)，實現(xiàn)大型復雜薄壁鑄件精密鑄造成型工藝澆注系統(tǒng)的智能設計；領域知識驅動的補縮系統(tǒng)設計及軟件開發(fā)，實現(xiàn)大型復雜薄壁金屬構件液態(tài)精密成型工藝補縮系統(tǒng)的智能設計；時變擾動性與鑄造缺陷的映射關系研究，建立時變參數(shù)與鑄造缺陷的深度神經(jīng)網(wǎng)絡模型，用于鑄造工藝參數(shù)優(yōu)化，以及設備端參數(shù)設置的自動調整，最終實現(xiàn)鑄造缺陷的智能控制；

數(shù)據(jù)驅動的鑄造工藝設計與軟件開發(fā)，實現(xiàn)面向大型復雜薄壁金屬構件液態(tài)精密成型的基于大數(shù)據(jù)分析的多目標工藝參數(shù)智能優(yōu)化；精密鑄造工藝數(shù)字孿生系統(tǒng)構建，實現(xiàn)對精密鑄件的形性控制；智能鑄造 HCPS（人-信息-物理系統(tǒng)）系統(tǒng)開發(fā)及精密鑄造生產(chǎn)線集成系統(tǒng)示范應用，形成精密鑄件生產(chǎn)數(shù)字化和生產(chǎn)過程工藝自行決策優(yōu)化的整體技術解決方案。

2）預期目標

項目將開發(fā)澆注系統(tǒng)參數(shù)化標準圖庫，建立不少于 10 類 500個澆注系統(tǒng)參數(shù)化設計標準模型，鑄造工藝設計效率提高 100%、鑄造工藝仿真效率提升 2 倍，積累形成不少于 10 套可重復使用的鑄造工藝仿真模板，用于個人終端或仿真平臺；開發(fā)基于鑄件質量控制的缺陷診斷專家信息系統(tǒng)，典型鑄件澆注系統(tǒng)、補縮系統(tǒng)、鑄造工藝設計效率提高 10 倍以上；

提升液態(tài)精密成型智能化水平，解決大型渦輪后機匣等復雜薄壁金屬鑄件由于充型流程長、凝固傳熱復雜等導致的工藝設計優(yōu)化難題；基于精密鑄造物聯(lián)網(wǎng)初步實現(xiàn)精密鑄造關鍵鑄造工序的數(shù)字孿生；建立具有獨立運行能力的智能鑄造工業(yè)大數(shù)據(jù)綜合技術云平臺，具備全過程自動化的設計仿真和信息-物理交互能力，構建熔模精密鑄造柔性加工產(chǎn)線HCPS，促進傳統(tǒng)鑄造產(chǎn)線向以物聯(lián)網(wǎng)為核心的智能制造模式轉型。

綜上，項目完成后，公司高溫合金精密鑄件智能設計技術的應用將提升新產(chǎn)品的研發(fā)效率，基于數(shù)字孿生及 HCPS 智能鑄造產(chǎn)線將有利于提升產(chǎn)品質量控制水平以及生產(chǎn)效率。

（3）高溫合金精密鑄件冶金質量及服役性能評價

高溫合金精密鑄件作為航空發(fā)動機的主要零部件，其使用溫度和性能要求不斷提高，且零件結構也越來越復雜。鑄造高溫合金的微觀組織缺陷是影響鑄件的機械性能的主要因素，常見的微觀組織缺陷主要有疏松、偏析和夾雜物等。

由于這些缺陷的形成過程具有相關性，因此，研究凝固過程中疏松和夾雜等缺陷的形成機制有助于掌握材料微觀組織演變規(guī)律并提高鑄件使用壽命。同時，對疏松判據(jù)的模擬以及缺陷等級與力學性能映射關系的研究能夠有效指導鑄件的設計，改進產(chǎn)品的制備工藝，對提高鑄件的冶金質量具有重要的意義。

此外，我國在高溫合金返回料的再生利用方面仍然缺失技術和標準，大部分返回料僅能降級利用，鎳、鈷、鈦等金屬材料的利用效率低，導致了國內高溫合金精密鑄件成本居高不下。本項目通過研究高溫合金返回料的回收利用，對于提高我國高溫合金的質量和穩(wěn)定性、降低鑄件生產(chǎn)成本、保障戰(zhàn)略資源安全等具有重要意義。

1）主要研究內容

建立微觀缺陷模擬方法和微觀缺陷對鑄件力學性能影響的模擬預測方法；形成高溫合金微觀缺陷的定位預設與制造方法；建立 K4169，K447A，K438 三種典型高溫合金不同等級冶金缺陷、不同晶粒度的材料性能數(shù)據(jù)庫；針對 K4169，K447A，K438 高溫合金等廣泛應用的高溫合金返回料，研究重熔冶煉工藝對合金中氧化物、氮化物的去除效果，形成返回料高效凈化工藝，評估不同高溫合金返回料的最佳使用比例。

2）預期目標

項目將利用新型鑄件結構設計與成型方法，實現(xiàn)鑄件疏松、夾雜等缺陷形貌、尺寸、含量的可控設計；建立材料性能數(shù)據(jù)庫以支撐鑄件標準冶金缺陷要求的制定和型號項目鑄件任務；建立高溫合金返回料再利用技術，大幅降低鑄件生產(chǎn)成本。

綜上，項目完成后預計公司的高溫合金精密鑄件產(chǎn)品的質量可靠性將得到進一步提升，同時生產(chǎn)成本將明顯下降，從而有利于公司提高產(chǎn)品競爭力。

6、項目經(jīng)濟效益評價

本項目不直接產(chǎn)生經(jīng)濟效益，但能夠提升公司自主創(chuàng)新能力與研發(fā)能力，提高公司產(chǎn)品生產(chǎn)效率，進而給公司帶來間接經(jīng)濟效益。

7、項目涉及報批事項情況

截至本報告公告日，本項目涉及的備案等工作正在辦理中。