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先進(jìn)高溫合金精密成型智能制造技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目可行性研究報(bào)告
思瀚產(chǎn)業(yè)研究院 英 力 特    2023-07-25

1、項(xiàng)目基本情況

本項(xiàng)目擬投資 15,000 萬元，開展高溫合金超限精密鑄造技術(shù)研究、高溫合金智能鑄造技術(shù)、高溫合金精密鑄件冶金質(zhì)量及服役性能評價(jià)等關(guān)鍵技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)由基于傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)的鑄造工藝設(shè)計(jì)向大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智能鑄造工藝設(shè)計(jì)模式的轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)鑄件冶金質(zhì)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(jìn)一步提升江蘇精鑄高溫合金精密鑄造的核心競爭力。

本項(xiàng)目實(shí)施后，將形成一整套完備的高溫合金精密成型智能制造專利技術(shù)集群，并在航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)用高溫合金精密鑄件研制及生產(chǎn)中得到充分應(yīng)用，進(jìn)一步提升產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。同時(shí)，本項(xiàng)目有利于促進(jìn)我國先進(jìn)高溫材料及其智能化精密成型制造技術(shù)發(fā)展，為中國航空航天事業(yè)做出貢獻(xiàn)。

2、項(xiàng)目建設(shè)的必要性

（1）加強(qiáng)公司自主研發(fā)能力，滿足公司發(fā)展需要

在黨的二十大報(bào)告中指出：“加強(qiáng)企業(yè)主導(dǎo)的產(chǎn)學(xué)研深度融合，強(qiáng)化目標(biāo)導(dǎo)向，提高科技成果轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)化水平。強(qiáng)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(lǐng)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(dòng)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(qiáng)化企業(yè)科技創(chuàng)新主體地位的戰(zhàn)略意義。

本次擬投資的先進(jìn)高溫合金精密成型智能制造技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目，將提升公司的自主創(chuàng)新能力，符合我國建設(shè)創(chuàng)新型國家的發(fā)展方向。通過掌握更多的核心技術(shù)，具備強(qiáng)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(dòng)權(quán)，從而為我國科技創(chuàng)新事業(yè)做出貢獻(xiàn)。

（2）深化技術(shù)研發(fā)，增強(qiáng)公司核心競爭力

高溫合金鑄件是航空發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)及航天重大裝備中不可或缺的熱端部件。產(chǎn)品特點(diǎn)向耐更高溫、復(fù)雜薄壁、精密、整體化的方向發(fā)展，產(chǎn)品的內(nèi)部冶金質(zhì)量和外部尺寸精度的要求也愈加嚴(yán)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(shù)的成型極限。

為了應(yīng)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(zhì)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(guān)鍵技術(shù)展開深入研究并將成果充分應(yīng)用于高溫合金精密鑄件的批量化制造上，才能增強(qiáng)公司核心競爭力，促進(jìn)公司持續(xù)發(fā)展。

3、項(xiàng)目建設(shè)的可行性

（1）政策支持為項(xiàng)目實(shí)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(gè)重要領(lǐng)域的重要零部件，在日益復(fù)雜的國際環(huán)境下，盡早實(shí)現(xiàn)我國高溫合金精密鑄件的全自主研發(fā)和進(jìn)口替代，解決各項(xiàng)“卡脖子”技術(shù)是我國近年來的重點(diǎn)發(fā)展方向。

當(dāng)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(diǎn)突破領(lǐng)域。高溫合金是制造航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的關(guān)鍵材料，提升關(guān)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(jìn)高溫材料行業(yè)面臨著巨大的歷史機(jī)遇，本項(xiàng)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(shí)施。

（2）江蘇精鑄具備項(xiàng)目實(shí)施的研發(fā)基礎(chǔ)

江蘇精鑄自 2017 年成立以來，與上海交大開展“產(chǎn)學(xué)研”合作，開展了航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫合金大型復(fù)雜薄壁鑄件相關(guān)的專利技術(shù)研發(fā)，并于 2020 年開始與上海交通大學(xué)共同承擔(dān)了江蘇省工業(yè)和信息產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級專項(xiàng)資金-關(guān)鍵核心技術(shù)（裝備）攻關(guān)項(xiàng)目《國產(chǎn)寬體客機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)高溫合金超大型復(fù)雜薄壁渦輪機(jī)匣超限精密成型技術(shù)攻關(guān)研究》，分別在大型復(fù)雜薄壁渦輪機(jī)匣的微量元素測定、澆冒系統(tǒng)設(shè)計(jì)、疏松及偏析等鑄造缺陷預(yù)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(shù)成果。

目前公司擁有的已授權(quán)的發(fā)明專利 23 項(xiàng)，實(shí)用新型專利 12 項(xiàng)，還有 14 項(xiàng)發(fā)明專利已公示。另外，公司還參與國家標(biāo)準(zhǔn)編制2 項(xiàng)，行業(yè)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)編制 6 項(xiàng)。

江蘇精鑄擁有實(shí)施本項(xiàng)目的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，包括本科以上學(xué)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(jì)劃”引進(jìn)海外專家 1 名。研發(fā)人員的專業(yè)包括金屬材料、機(jī)械設(shè)計(jì)、模具開發(fā)、自動(dòng)控制和企業(yè)管理等。同時(shí)，江蘇精鑄已形成較為成熟的研發(fā)體系，建立了科學(xué)有效的研發(fā)管理機(jī)制，為本次項(xiàng)目實(shí)施奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

4、項(xiàng)目實(shí)施主體

本項(xiàng)目的實(shí)施主體為江蘇中超航宇精鑄科技有限公司。

5、項(xiàng)目建設(shè)的主要內(nèi)容

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

本項(xiàng)目將面向國家重大需求、國內(nèi)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(shù)發(fā)展規(guī)劃，致力于先進(jìn)高溫材料及其精密成型技術(shù)的研發(fā)，持續(xù)攻克航空發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、航天發(fā)動(dòng)機(jī)及武器裝備領(lǐng)域用高溫合金精密鑄件智能化設(shè)計(jì)、精確鑄造等關(guān)鍵技術(shù)，不斷研究和開發(fā)出具有國際先進(jìn)水平的新產(chǎn)品。

同時(shí)，為確保項(xiàng)目順利進(jìn)行，公司將繼續(xù)加強(qiáng)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(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)。

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

（1）高溫合金超限精密鑄造技術(shù)研究

隨著航空航天飛行器設(shè)計(jì)水平的跨越式提升，鑄件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出現(xiàn)了重大變化，正向尺寸更大、結(jié)構(gòu)更復(fù)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(jié)構(gòu)復(fù)雜程度均超出了傳統(tǒng)精密鑄造技術(shù)的極限，外輪廓超過 1000mm，最大尺寸接近 2000mm，大面積壁厚 2mm（甚至最小 1.0mm），復(fù)雜內(nèi)腔結(jié)構(gòu)、大面積空心薄壁曲面結(jié)構(gòu)與變截面系數(shù)陡增成為常態(tài)。

此外，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的變化對保證產(chǎn)品內(nèi)部冶金質(zhì)量和外部尺寸精度控制提出了更高的技術(shù)要求，逐漸超出了傳統(tǒng)熔模精密鑄造技術(shù)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(zhuǎn)型升級攻關(guān)項(xiàng)目支持的江蘇精鑄自主開發(fā)建設(shè)的大型復(fù)雜薄壁渦輪后機(jī)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(zhì)量控制等高溫合金大型復(fù)雜超限精密鑄造的關(guān)鍵難題展開系統(tǒng)深化研究和優(yōu)化，并形成標(biāo)準(zhǔn)化。

1）主要研究內(nèi)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(jī)制，攻克大型復(fù)雜薄壁鑄件鑄造工藝設(shè)計(jì)難題，形成澆冒系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范；研究大型復(fù)雜薄壁鑄件的“大尺寸效應(yīng)”、“變截面效應(yīng)”和“薄壁效應(yīng)”對缺陷影響規(guī)律，構(gòu)建基于結(jié)構(gòu)特性的工藝性能表征體系，揭示缺陷形成動(dòng)力學(xué)機(jī)制和抑制途徑；

高溫合金復(fù)雜渦輪機(jī)匣偏析及脆性相形成與抑制研究，形成大型復(fù)雜鑄件偏析程度的預(yù)測方法；攻克復(fù)雜鑄造系統(tǒng)下高溫合金鑄件尺寸精度全流程控制技術(shù)難題，研究時(shí)變擾動(dòng)與尺寸映射關(guān)系、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)-工藝-尺寸關(guān)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(fù)雜鑄件復(fù)合陶瓷型殼與自固化型芯材料及其制備技術(shù)，攻克超大型復(fù)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(bǔ)焊技術(shù)，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(shù)難點(diǎn)；開發(fā)復(fù)雜內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的內(nèi)部缺陷及輪廓尺寸的精確三維 CT 無損檢測技術(shù)等。

2）預(yù)期目標(biāo)

項(xiàng)目從全流程出發(fā)，深化對高溫合金復(fù)雜薄壁超限精密鑄造的關(guān)鍵共性基礎(chǔ)科學(xué)技術(shù)問題研究，在熔體特性、凝固組織協(xié)同精確調(diào)控、薄壁完整充型方案、冶金缺陷、尺寸精度和表面質(zhì)量系統(tǒng)控制、精確三維無損檢測方法方面獲得成套技術(shù)成果，突破超高服役溫度合金、超大尺寸、超薄壁及極復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高性能復(fù)雜薄壁精密鑄件數(shù)字化精確成形制造關(guān)鍵技術(shù)，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(chǔ)。

開發(fā)系列航空發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)用大型復(fù)雜薄壁精密鑄件產(chǎn)品并批量穩(wěn)定生產(chǎn)能力；進(jìn)一步提高產(chǎn)品尺寸精度，局部關(guān)鍵尺寸從 CT6 級提升至 CT4 級；進(jìn)一步提升產(chǎn)品冶金質(zhì)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(shù)研發(fā)完成后，預(yù)計(jì)申請專利 5～10 項(xiàng)、起草行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 1 項(xiàng)、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn) 1 項(xiàng)等。

綜上，項(xiàng)目完成后，公司的高溫合金精密鑄件的生產(chǎn)將實(shí)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(shù)

如何提高鑄件質(zhì)量并實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的自動(dòng)化和設(shè)計(jì)智能化是當(dāng)前我國正面臨著從鑄造大國向鑄造強(qiáng)國邁進(jìn)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(yàn)積累和簡單循環(huán)試錯(cuò)為特征的“經(jīng)驗(yàn)尋優(yōu)”方式，其科學(xué)性差、質(zhì)量不穩(wěn)定，造成研制周期長、成本高。

在大型復(fù)雜薄壁高端鑄件研制方面，目前國內(nèi)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(rèn)識不夠，智能計(jì)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(chǔ)理論指導(dǎo)，難以解決鑄造工藝優(yōu)化、成型過程質(zhì)量控制等共性技術(shù)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(jì)算、數(shù)字孿生、大數(shù)據(jù)與人工智能相結(jié)合的鑄造精密成型全過程優(yōu)化與智能工藝設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)，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(nèi)容

領(lǐng)域知識驅(qū)動(dòng)的澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)與軟件開發(fā)，實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜薄壁鑄件精密鑄造成型工藝澆注系統(tǒng)的智能設(shè)計(jì)；領(lǐng)域知識驅(qū)動(dòng)的補(bǔ)縮系統(tǒng)設(shè)計(jì)及軟件開發(fā)，實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜薄壁金屬構(gòu)件液態(tài)精密成型工藝補(bǔ)縮系統(tǒng)的智能設(shè)計(jì)；

時(shí)變擾動(dòng)性與鑄造缺陷的映射關(guān)系研究，建立時(shí)變參數(shù)與鑄造缺陷的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，用于鑄造工藝參數(shù)優(yōu)化，以及設(shè)備端參數(shù)設(shè)置的自動(dòng)調(diào)整，最終實(shí)現(xiàn)鑄造缺陷的智能控制；數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的鑄造工藝設(shè)計(jì)與軟件開發(fā)，實(shí)現(xiàn)面向大型復(fù)雜薄壁金屬構(gòu)件液態(tài)精密成型的基于大數(shù)據(jù)分析的多目標(biāo)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(gòu)建，實(shí)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(yīng)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(shù)解決方案。

2）預(yù)期目標(biāo)

項(xiàng)目將開發(fā)澆注系統(tǒng)參數(shù)化標(biāo)準(zhǔn)圖庫，建立不少于 10 類 500個(gè)澆注系統(tǒng)參數(shù)化設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)模型，鑄造工藝設(shè)計(jì)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(fù)使用的鑄造工藝仿真模板，用于個(gè)人終端或仿真平臺；

開發(fā)基于鑄件質(zhì)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(bǔ)縮系統(tǒng)、鑄造工藝設(shè)計(jì)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(jī)匣等復(fù)雜薄壁金屬鑄件由于充型流程長、凝固傳熱復(fù)雜等導(dǎo)致的工藝設(shè)計(jì)優(yōu)化難題；

基于精密鑄造物聯(lián)網(wǎng)初步實(shí)現(xiàn)精密鑄造關(guān)鍵鑄造工序的數(shù)字孿生；建立具有獨(dú)立運(yùn)行能力的智能鑄造工業(yè)大數(shù)據(jù)綜合技術(shù)云平臺，具備全過程自動(dòng)化的設(shè)計(jì)仿真和信息-物理交互能力，構(gòu)建熔模精密鑄造柔性加工產(chǎn)線HCPS，促進(jìn)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(zhuǎn)型。

綜上，項(xiàng)目完成后，公司高溫合金精密鑄件智能設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)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(zhì)量控制水平以及生產(chǎn)效率。

（3）高溫合金精密鑄件冶金質(zhì)量及服役性能評價(jià)

高溫合金精密鑄件作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主要零部件，其使用溫度和性能要求不斷提高，且零件結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜。鑄造高溫合金的微觀組織缺陷是影響鑄件的機(jī)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(guān)性，因此，研究凝固過程中疏松和夾雜等缺陷的形成機(jī)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(shí)，對疏松判據(jù)的模擬以及缺陷等級與力學(xué)性能映射關(guān)系的研究能夠有效指導(dǎo)鑄件的設(shè)計(jì)，改進(jìn)產(chǎn)品的制備工藝，對提高鑄件的冶金質(zhì)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(shù)和標(biāo)準(zhǔn)，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(dǎo)致了國內(nèi)高溫合金精密鑄件成本居高不下。本項(xiàng)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(zhì)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(nèi)容

建立微觀缺陷模擬方法和微觀缺陷對鑄件力學(xué)性能影響的模擬預(yù)測方法；形成高溫合金微觀缺陷的定位預(yù)設(shè)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(yīng)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(yù)期目標(biāo)

項(xiàng)目將利用新型鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與成型方法，實(shí)現(xiàn)鑄件疏松、夾雜等缺陷形貌、尺寸、含量的可控設(shè)計(jì)；建立材料性能數(shù)據(jù)庫以支撐鑄件標(biāo)準(zhǔn)冶金缺陷要求的制定和型號項(xiàng)目鑄件任務(wù)；建立高溫合金返回料再利用技術(shù)，大幅降低鑄件生產(chǎn)成本。

綜上，項(xiàng)目完成后預(yù)計(jì)公司的高溫合金精密鑄件產(chǎn)品的質(zhì)量可靠性將得到進(jìn)一步提升，同時(shí)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(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益評價(jià)

本項(xiàng)目不直接產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)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(jìn)而給公司帶來間接經(jīng)濟(jì)效益。

7、項(xiàng)目涉及報(bào)批事項(xiàng)情況

截至本報(bào)告公告日，本項(xiàng)目已取得宜興市行政審批局出具的《江蘇省投資項(xiàng)目備案證》（備案證號：宜行審?fù)秱洹?023】350 號）。本項(xiàng)目無需實(shí)施建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評價(jià)審批或備案。