如何攻克航空发动机蜂窝密封用合金箔材“卡脖子”问题？让这一关键材料既“薄如蝉翼”，比普通A4纸还要薄，又“强韧耐热”，在高温高压气体反复冲刷下不氧化变形？
中国科学院金属研究所（以下简称金属所）高温合金研究部低偏析高温合金制备技术团队（以下简称技术团队）给出了答案。他们依托在高温合金制备领域雄厚的技术积累，研发出航空发动机蜂窝密封用GH214合金超薄箔材全套制备技术，构建了GH214合金国产化全链条体系，这一关键材料已正式告别进口依赖。
原创性技术
从源头优化材料“配方”
9月14日，金属所文化路园区一间实验室内，技术团队课题组组长刘恩泽研究员和信昕副研究员正在开展低偏析高温合金成分优化设计研究。“低偏析高温合金设计技术从源头优化材料‘配方’，可以根据需求的不同，对合金成分进行优化设计，从而实现对合金性能的精准控制。”刘恩泽说。
在实验室中，技术团队通过计算软件对合金材料中锆、硼、钇等微量元素进行优化设计、定量调控，得出不同成分组合对相析出行为的影响。随后在实验室中制备出材料的样品，并利用金相显微镜、透射电镜等设备对材料的组织、性能进行分析。
信昕指着摆放在实验室一张桌子上、卷成桶状的合金材料说：“这就是我们团队制备的GH214合金超薄箔材，其组织成分、力学性能等基础研究都出自实验室。”信昕拿出一个数显外径千分尺，一点点卡在材料表面，当数显外径千分尺与材料表面紧密贴合时，显示数值为0.074毫米，与0.076毫米的定型厚度，厚度公差处于±0.005毫米区间内，完全符合制备要求。
为什么GH214合金超薄箔材是航空发动机、燃气轮机蜂窝密封用合金箔材的“上上之选”？性能优势体现在哪里？目前，先进航空发动机和燃气轮机的机匣内壁普遍采用蜂窝密封结构。这种蜂窝密封结构就像一圈由许多六边形小格子组成的“金属蜂巢”，安装在静止的机匣与高速旋转的叶片之间。当发动机工作时，高压气体总会试图从叶片与机匣之间的缝隙“溜走”。蜂窝密封的作用，就是通过曲折的蜂窝通道增大气体泄漏阻力，减少气流损失，从而提升发动机推力和热效率。“GH214合金既耐高温、抗氧化，又能在长期服役中保持组织和性能稳定，正是制造蜂窝密封件的核心基材。”刘恩泽说。
国产化体系 打通材料制备全链条
刘恩泽、信昕等人驱车前往金属所沈抚新区园区，那里是依托金属所建设的辽宁新材料中试基地，是技术团队制备低偏析高温合金的“主战场”。
中试基地生产车间内，几名产品工程师正围绕25公斤半连续定向凝固炉和200公斤真空冶炼炉忙碌着，跟踪着合金材料熔炼的进度。刘恩泽走上前，提醒大家需要重点关注的指标数据。
“技术团队攻克了三大核心工艺，形成了完整的工艺体系，打通了GH214合金国产化全链条技术通道。”刘恩泽介绍，合金成分优化与高纯净化冶炼工艺是从源头入手，优化合金成分、降低杂质含量，让材料“底子”更纯净、更稳定。超薄高精度冷轧工艺则是在室温条件下，通过精密轧制工艺将合金逐步压薄，同时严格控制厚度均匀性，确保箔材尺寸精度。高质量表面退火工艺通过合理的热处理消除加工过程中产生的内应力，恢复材料塑性，并保证箔材表面质量，为后续加工和使用打下基础。
生产车间的举架很高，一台台真空冶炼炉、电渣重熔炉等设备分布各区、有序排列，看上去颇为壮观。刘恩泽介绍，低偏析高温合金中包含10余种合金元素，有些元素非常活泼，极易氧化，合金锭熔炼过程必须在真空环境下完成。车间内看不到铁花飞溅的景象，工作环境相当友好。
信昕指着一个柱状合金锭，说：“合金锭需要在电渣炉中进行二次重熔处理，此后就可以得到成分更均匀、性能更稳定的低偏析高温合金材料了。”
材料是否可靠好用，关键还在于是否能通过真实工况检验。经测试，GH214合金定型的0.076毫米规格箔材在合金纯净度、室温屈服强度、抗拉强度、延伸率等方面，与进口产品实测水平相当。同时GH214合金定型箔材又经历了累计500多小时长时试车，长期服役稳定性同样首屈一指。
“试车期间，我们的心情很复杂，既想早些知道试车结果，又不想过早接到电话。对我们来说，没有消息就是最好的消息。”信昕道出了团队所有人的共同心声。“采用GH214合金定型箔材加工的蜂窝组件装配至发动机后，发动机在试车过程中工况稳定，密封性能表现尤为优异。这意味着我们在航空发动机蜂窝密封用合金箔材关键材料领域不仅能‘造得出’，更能‘用得好’，真正攻克了‘卡脖子’难题。”说到这儿，刘恩泽脸上露出了笑容。
传承与发扬 实现关键材料自主可控
一片看似不起眼的金属薄片，背后是材料、工艺与工程验证的长期积累，凝聚着科研人员夜以继日、攻坚克难的不懈努力。
低偏析高温合金设计技术是金属所高温合金研究部在高温合金制备领域长期积累的技术优势之一，是在师昌绪院士带队发现并提出这一原创性成果基础上的继承和发扬。刘恩泽、信昕从事高温合金研究已有20余年，是金属所低偏析高温合金制备技术不断取得突破的亲历者、见证者，也是低偏析高温合金在多个大国重器上实现应用的践行者。
“金属所低偏析高温合金研究成果丰硕，技术储备雄厚，是几代人接力研发、奋斗的结果。”刘恩泽介绍，课题组早期负责人朱耀霄研究员是自己科研道路的领路人，从其身上获益良多。“做工程应用研究，一定要踏踏实实，深入一线，了解工艺全流程，才能不断突破自己，形成创新性的技术和产品。朱老师就是这样要求和锤炼我们年轻一代科研人员的。”
技术团队此前将发动机叶片气流冷却原理应用于石化乙烯裂解行业，解决了乙烯裂解中难以克服的结焦和渗碳问题，并申请了国际专利。刘恩泽说：“当时一家国外知名综合能源公司提出想出巨资购买我们的专利，以朱老师为代表的团队成员果断拒绝了。他们说，不能在这个领域再受制于人。”
刘恩泽认为，爱国奉献是技术团队始终坚守的初心、是攻坚克难的动力源泉。“国家的需要就是行动的命令。我们接到航空发动机蜂窝密封关键材料研制需求后没有丝毫犹豫，从前期成分优化设计研究到后期材料制备，200多道工序一道道打通关。团队成员都很辛苦，但也都收获了成长。”
刘恩泽将目光投向生产车间里的一台台设备和正在工作中的工程师们，语气坚定地说：“我们是材料研究的‘国家队’。GH214合金箔材的成功应用，为我国航空动力关键材料自主可控进程提供了坚实支撑。我们将在推进成果转化产业化，提升实验室、中试基地能级，产出更多优质成果服务国家所需的道路上一直走下去。”
沈阳日报、沈报全媒体记者 岳雨