高温合金精密铸件智能铸造技术研发项目可行性研究报告
思瀚产业研究院 中超控股    2023-06-28

1、项目基本情况

本项目拟投资 15,000 万元，开展高温合金超限精密铸造技术研究、高温合金智能铸造技术、高温合金精密铸件冶金质量及服役性能评价等关键技术研究，实现由基于传统经验的铸造工艺设计向大数据驱动的智能铸造工艺设计模式的转变，实现铸件冶金质量与尺寸精度的精确稳定控制，从而不断提高江苏精铸的精确制造能力、生产效率，进一步提升江苏精铸高温合金精密铸造的核心竞争力。

本项目实施后，将形成一整套完备的高温合金精密铸件智能铸造专利技术集群，并在航空发动机及燃气轮机用高温合金精密铸件研制及生产中得到充分应用，进一步提升产品质量和生产效率。同时，本项目有利于促进我国先进高温材料及其智能化精密成型制造技术发展，为中国航空航天事业做出贡献。

2、项目建设的必要性

（1）加强公司自主研发能力，满足公司发展需要

习近平总书记在党的二十大报告中指出：“加强企业主导的产学研深度融合，强化目标导向，提高科技成果转化和产业化水平。强化企业科技创新主体地位，发挥科技型骨干企业引领支撑作用，营造有利于科技型中小微企业成长的良好环境，推动创新链产业链资金链人才链深度融合。”这些重要论述，明确了强化企业科技创新主体地位的战略意义。

本次拟投资的高温合金精密铸件智能铸造技术研发项目，将提升公司的自主创新能力，符合我国建设创新型国家的发展方向。通过掌握更多的核心技术，具备强大的自主创新能力，公司才能在高温合金精密铸造行业掌握战略主动权，从而为我国科技创新事业做出贡献。

（2）深化技术研发，增强公司核心竞争力

高温合金铸件是航空发动机、燃气轮机及航天重大装备中不可或缺的热端部件。产品特点向耐更高温、复杂薄壁、精密、整体化的方向发展，产品的内部冶金质量和外部尺寸精度的要求也愈加严苛，铸造工艺难度逐渐提升，甚至很多产品逐渐超出了传统熔模精密铸造技术的成型极限。

为了应对新形势下产品新要求，解决高温合金精密铸件研制周期长、质量不稳定、精确控制难等问题。公司需尽快提高自主创新能力，对关键技术展开深入研究并将成果充分应用于高温合金精密铸件的批量化制造上，才能增强公司核心竞争力，促进公司持续发展。

3、项目建设的可行性

（1）政策支持为项目实施提供了有利保障

高温合金精密铸件作为航空、航天、石油化工、能源等各个重要领域的重要零部件，在日益复杂的国际环境下，尽早实现我国高温合金精密铸件的全自主研发和进口替代，解决各项“卡脖子”技术是我国近年来的重点发展方向。

当前我国已出台系列支持新材料行业发展的政策，如《中国制造 2025》、《新材料产业发展指南》，均将高温合金作为高端装备发展的重点突破领域。高温合金是制造航空航天发动机热端部件的关键材料，提升关键战略材料保障能力是国家战略所需。在国家产业政策支持下，我国先进高温材料行业面临着巨大的历史机遇，本项目可以借助国家政策的落地和行业的快速发展而顺利实施。

（2）江苏精铸具备项目实施的研发基础

江苏精铸自 2017 年成立以来，与上海交大开展“产学研”合作，开展了航空发动机高温合金大型复杂薄壁铸件相关的专利技术研发，并于 2020 年开始与上海交通大学共同承担了江苏省工业和信息产业转型升级专项资金-关键核心技术（装备）攻关项目《国产宽体客机发动机高温合金超大型复杂薄壁涡轮机匣超限精密成型技术攻关研究》，分别在大型复杂薄壁涡轮机匣的微量元素测定、浇冒系统设计、疏松及偏析等铸造缺陷预测及冶金控制、镍基高温合金大型铸件精密铸造用陶瓷型壳制备方法、大尺寸陶瓷型芯制备方法、全流程尺寸变形控制等方面取得了较好的专利技术成果。

目前公司拥有的已授权的发明专利 23 项，实用新型专利 12 项，还有 14 项发明专利已公示。另外，公司还参与国家标准编制 2 项，行业团体标准编制 6 项。

江苏精铸拥有实施本项目的研发团队，包括本科以上学历研发人员 15 人，其中博士 6 人，硕士 5 人，并于 2022 年通过国家“启明人才计划”引进海外专家 1 名。研发人员的专业包括金属材料、机械设计、模具开发、自动控制和企业管理等。同时，江苏精铸已形成较为成熟的研发体系，建立了科学有效的研发管理机制，为本次项目实施奠定了坚实基础。

4、项目实施主体

本项目的实施主体为江苏中超航宇精铸科技有限公司。

5、项目建设的主要内容

本项目总投资 15,000 万元，投资明细主要包括研发软硬件采购及安装、研发投入、产学研合作费等，全部使用募集资金。

本项目将面向国家重大需求、国内外市场发展需求及企业长期发展需求，制定中长期技术发展规划，致力于先进高温材料及其精密成型技术的研发，持续攻克航空发动机、燃气轮机、航天发动机及武器装备领域用高温合金精密铸件智能化设计、精确铸造等关键技术，不断研究和开发出具有国际先进水平的新产品。同时，为确保项目顺利进行，公司将继续加强与上海交大等优势高校或研究院所的合作，通过合作开发等形式，加快关键技术的攻关。

研发重点包括高温合金超限精密铸造技术研究、智能铸造技术研究、高温合金精密铸件冶金质量及服役性能评价研究。具体情况如下：

（1）高温合金超限精密铸造技术研究

随着航空航天飞行器设计水平的跨越式提升，铸件的结构设计出现了重大变化，正向尺寸更大、结构更复杂、壁厚更薄、尺寸更精密的方向发展，铸件的尺寸、壁厚和结构复杂程度均超出了传统精密铸造技术的极限，外轮廓超过 1000mm，最大尺寸接近 2000mm，大面积壁厚 2 mm（甚至最小 1.0 mm），复杂内腔结构、大面积空心薄壁曲面结构与变截面系数陡增成为常态。

此外，产品结构的变化对保证产品内部冶金质量和外部尺寸精度控制提出了更高的技术要求，逐渐超出了传统熔模精密铸造技术的成型极限。本次拟投资 5,000 万元，在 2020～2022 年江苏省工信厅产业转型升级攻关项目支持的江苏精铸自主开发建设的大型复杂薄壁涡轮后机匣精密铸造研发平台上，针对薄壁完整充型、冶金缺陷、尺寸精度和表面质量控制等高温合金大型复杂超限精密铸造的关键难题展开系统深化研究和优化，并形成标准化。

1）主要研究内容

研究熔体特性、纯净度、浇注工艺等对产品凝固组织的影响机制，攻克大型复杂薄壁铸件铸造工艺设计难题，形成浇冒系统设计规范；研究大型复杂薄壁铸件的“大尺寸效应”、“变截面效应”和“薄壁效应”对缺陷影响规律，构建基于结构特性的工艺性能表征体系，揭示缺陷形成动力学机制和抑制途径；

高温合金复杂涡轮机匣偏析及脆性相形成与抑制研究，形成大型复杂铸件偏析程度的预测方法；攻克复杂铸造系统下高温合金铸件尺寸精度全流程控制技术难题，研究时变扰动与尺寸映射关系、数据驱动的结构-工艺-尺寸关系模型、获得铸件全流程尺寸精度控制方法；攻克超大型高温合金复杂铸件复合陶瓷型壳与自固化型芯材料及其制备技术，攻克超大型复杂薄壁铸件完整成型难题；开发一套适用于抑制大型薄壁铸件焊接缺陷及焊接变形控制的补焊技术，突破一直制约大型薄壁铸件焊接缺陷及焊接变形控制的技术难点；开发复杂内腔结构的内部缺陷及轮廓尺寸的精确三维 CT 无损检测技术等。

2）预期目标

项目从全流程出发，深化对高温合金复杂薄壁超限精密铸造的关键共性基础科学技术问题研究，在熔体特性、凝固组织协同精确调控、薄壁完整充型方案、冶金缺陷、尺寸精度和表面质量系统控制、精确三维无损检测方法方面获得成套技术成果，突破超高服役温度合金、超大尺寸、超薄壁及极复杂结构的高性能复杂薄壁精密铸件数字化精确成形制造关键技术，为持续提升我国航空航天用高温合金产品的精确制造能力打下基础。

开发系列航空发动机、燃气轮机用大型复杂薄壁精密铸件产品并批量稳定生产能力；进一步提高产品尺寸精度，局部关键尺寸从 CT6 级提升至 CT4 级；进一步提升产品冶金质量，延伸产品疲劳寿命，提高产品的可靠性和耐久性。本技术研发完成后，预计申请专利 5～10 项、起草行业标准 1 项、产品标准 1 项等。

综上，项目完成后，公司的高温合金精密铸件的生产将实现全流程控制，精确制造能力将得到显著提升，从而有利于提高产品合格率。

（2）高温合金智能铸造技术

如何提高铸件质量并实现生产的自动化和设计智能化是当前我国正面临着从铸造大国向铸造强国迈进的重要课题。长期以来，精密铸件的研发依赖于大量经验积累和简单循环试错为特征的“经验寻优”方式，其科学性差、质量不稳定，造成研制周期长、成本高。在大型复杂薄壁高端铸件研制方面，目前国内缺乏数字化智能化理论模型与方法，对铸造热成型过程控制认识不够，智能计算与工程人员协同创新不足，缺乏成套的智能控制方法与基础理论指导，难以解决铸造工艺优化、成型过程质量控制等共性技术难题。

因此，随着高端制造向智能化方向发展，开发并攻克基于集成计算、数字孪生、大数据与人工智能相结合的铸造精密成型全过程优化与智能工艺设计关键技术，是提升企业产品开发及研制能力的重要手段。

1）主要研究内容

领域知识驱动的浇注系统设计与软件开发，实现大型复杂薄壁铸件精密铸造成型工艺浇注系统的智能设计；领域知识驱动的补缩系统设计及软件开发，实现大型复杂薄壁金属构件液态精密成型工艺补缩系统的智能设计；时变扰动性与铸造缺陷的映射关系研究，建立时变参数与铸造缺陷的深度神经网络模型，用于铸造工艺参数优化，以及设备端参数设置的自动调整，最终实现铸造缺陷的智能控制；

数据驱动的铸造工艺设计与软件开发，实现面向大型复杂薄壁金属构件液态精密成型的基于大数据分析的多目标工艺参数智能优化；精密铸造工艺数字孪生系统构建，实现对精密铸件的形性控制；智能铸造 HCPS（人-信息-物理系统）系统开发及精密铸造生产线集成系统示范应用，形成精密铸件生产数字化和生产过程工艺自行决策优化的整体技术解决方案。

2）预期目标

项目将开发浇注系统参数化标准图库，建立不少于 10 类 500个浇注系统参数化设计标准模型，铸造工艺设计效率提高 100%、铸造工艺仿真效率提升 2 倍，积累形成不少于 10 套可重复使用的铸造工艺仿真模板，用于个人终端或仿真平台；开发基于铸件质量控制的缺陷诊断专家信息系统，典型铸件浇注系统、补缩系统、铸造工艺设计效率提高 10 倍以上；

提升液态精密成型智能化水平，解决大型涡轮后机匣等复杂薄壁金属铸件由于充型流程长、凝固传热复杂等导致的工艺设计优化难题；基于精密铸造物联网初步实现精密铸造关键铸造工序的数字孪生；建立具有独立运行能力的智能铸造工业大数据综合技术云平台，具备全过程自动化的设计仿真和信息-物理交互能力，构建熔模精密铸造柔性加工产线HCPS，促进传统铸造产线向以物联网为核心的智能制造模式转型。

综上，项目完成后，公司高温合金精密铸件智能设计技术的应用将提升新产品的研发效率，基于数字孪生及 HCPS 智能铸造产线将有利于提升产品质量控制水平以及生产效率。

（3）高温合金精密铸件冶金质量及服役性能评价

高温合金精密铸件作为航空发动机的主要零部件，其使用温度和性能要求不断提高，且零件结构也越来越复杂。铸造高温合金的微观组织缺陷是影响铸件的机械性能的主要因素，常见的微观组织缺陷主要有疏松、偏析和夹杂物等。

由于这些缺陷的形成过程具有相关性，因此，研究凝固过程中疏松和夹杂等缺陷的形成机制有助于掌握材料微观组织演变规律并提高铸件使用寿命。同时，对疏松判据的模拟以及缺陷等级与力学性能映射关系的研究能够有效指导铸件的设计，改进产品的制备工艺，对提高铸件的冶金质量具有重要的意义。

此外，我国在高温合金返回料的再生利用方面仍然缺失技术和标准，大部分返回料仅能降级利用，镍、钴、钛等金属材料的利用效率低，导致了国内高温合金精密铸件成本居高不下。本项目通过研究高温合金返回料的回收利用，对于提高我国高温合金的质量和稳定性、降低铸件生产成本、保障战略资源安全等具有重要意义。

1）主要研究内容

建立微观缺陷模拟方法和微观缺陷对铸件力学性能影响的模拟预测方法；形成高温合金微观缺陷的定位预设与制造方法；建立 K4169，K447A，K438 三种典型高温合金不同等级冶金缺陷、不同晶粒度的材料性能数据库；针对 K4169，K447A，K438 高温合金等广泛应用的高温合金返回料，研究重熔冶炼工艺对合金中氧化物、氮化物的去除效果，形成返回料高效净化工艺，评估不同高温合金返回料的最佳使用比例。

2）预期目标

项目将利用新型铸件结构设计与成型方法，实现铸件疏松、夹杂等缺陷形貌、尺寸、含量的可控设计；建立材料性能数据库以支撑铸件标准冶金缺陷要求的制定和型号项目铸件任务；建立高温合金返回料再利用技术，大幅降低铸件生产成本。

综上，项目完成后预计公司的高温合金精密铸件产品的质量可靠性将得到进一步提升，同时生产成本将明显下降，从而有利于公司提高产品竞争力。

6、项目经济效益评价

本项目不直接产生经济效益，但能够提升公司自主创新能力与研发能力，提高公司产品生产效率，进而给公司带来间接经济效益。

7、项目涉及报批事项情况

截至本报告公告日，本项目涉及的备案等工作正在办理中。