金属材料企业核心技术研发与创新机制.docx
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金属材料企业核心技术研发与创新机制
2019年金属材料企业核心技术研发与创新机制
一、企业主营业务
企业主营业务为高温合金、特种不锈钢等高性能合金材料及其制品的研发、生产和销售。
企业拥有先进的特种冶炼、熔模铸造、制管等装备，建立了特种熔炼、锻造、热轧、轧拔、铸造的全产业链生产流程，自主生产高温合金、精密合金、特种不锈钢等高性能特种合金材料，并通过冷、热加工工艺，形成了棒材、丝材、带材、管材、铸件等较完整的产品结构，是国内少数能同时批量化生产变形高温合金、铸造高温合金（母合金、精密铸件）产品的企业之一。
企业凭借掌握的高温合金材料超纯净熔炼、近净型熔模精密铸造、高精度无缝管材制造等关键核心技术，致力于为航空航天、舰船、能源等高端装备制造领域提供产品和服务，为航空发动机、燃气轮机高端装备制造提供超纯净镍基高温合金等重要原材料，为阳江、田湾、福清等核电站的建设提供堆内构建和驱动机构材料，为航空发动机配套科研、生产提供大型复杂薄壁高温合金结构件，为飞机、航空发动机配套科研、生产提供高温合金和特种不锈钢无缝管材。
近年来，企业实现了高温合金中O、S元素含量小于10ppm的超纯净高温合金产业化生产，处于国内行业先进水平；大型复杂薄壁精密铸件在国内率先采用国际先进近净型铸造技术，产品精度和尺寸规格国内领先，成型方式和最大产品规格生产能力填补了国内空白；集成了超纯净熔炼、精细加工、真空热处理等先进的制管技术，企业航空用高品质高温合金、特种不锈钢无缝管材已占据一定市场份额。
同时，随着先进技术的产业化，制备的高温合金品种逐步增加，企业目前形成了K4648、K424、K4169、K403等铸造高温合金系列及GH4080A、GH4169（IN718）、GH2132（A286）、GH3625等变形高温合金系列共30多个品种合金材料及多规格铸件制品的完整产品结构，在航空、核电等行业实现了批量生产供货。
企业以“专、精、特”的产品特性适应市场，以差异化竞争和技术服务开拓市场，通过多年的积累和发展，已成为国内高温合金产品的主要生产企业之一、国内航空发动机用大型复杂薄壁高温合金结构件的重要供应商、国内飞机、航空发动机用高温合金和特种不锈钢无缝管材的主要供应商。
同时，企业形成了具有一定规模的科研生产一体化的完整业务关系，建立了高效的科研管理体系和研发流程，并能够对产品研制实施全过程的闭环管理，为企业高效的技术产出奠定了制度基础。
企业建有“国家级博士后科研工作站”、“江苏省高温合金工程技术研究中心”、“企业院士工作站”、“特种合金工程实验室”等研发机构与平台，承担了国家“973”计划子课题、“863”计划子课题、国际科技合作、江苏省重大科技成果转化等多项国家、省级重大科技计划项目，在新材料领域取得了重大创新与成果，获得了国家发明专利授权32项，实用新型专利授权1项，并先后获得了江苏省科技进步二等奖1项，国家重点新产品1项，江苏省高新技术产品3项。
此外，企业承担并完成了多项国家重点型号军用航空发动机关键重要部件的研制生产任务，为我国国防装备建设做出了重要贡献。
2014年，为表彰企业在大飞机工程中所做出的贡献，企业获得了由集团B颁发的“鲲鹏”优秀集体奖。
二、企业技术和研发情况
（一）企业拥有的主要核心技术
企业专注于高性能合金材料及其制品的研发和制造，对照国际领先企业制造及检测标准，通过自主创新、产学研合作创新、引进消化再创新等方式，掌握和拥有生产超纯净高温合金材料、精密铸件、高温合金和特种不锈钢无缝管材、特种丝材等核心技术。
各项技术均经过批量生产过程验证，处于成熟阶段。
企业主要产品的核心技术如下：
1、超纯净高温合金熔炼技术
随着航空发动机、燃气轮机等装备技术的不断升级，其对高温合金材料的性能稳定性、持久寿命的要求越来越高。
提高材料的纯净度是改善高温合金组织均匀性、提高材料力学性能一致性及批量制造稳定性的关键因素。
同时，超纯净度高温合金有更为优越的铸造性能，在生产高质量大型薄壁铸件时，为铸件减少疏松、薄壁处充型提供材料保证。
企业通过加大自身研发投入力度、与国内知名高校、科研院所建立密切合作关系等方式，开展了高温合金纯净化熔炼的研究工作，获得了关于镍基高温合金的冶金热力学和动力学基础数据，建立了纯净化冶金试验平台。
依托国际先进的熔炼装备，开展了多品种、多规格高温合金的熔炼技术攻关，形成了原料预处理、高纯度钙质坩锅打结与冶炼、复合脱S等多项原始创新技术，实现了超纯净高温合金熔炼技术集成。
企业利用超纯净高温合金熔炼技术，制备出S、O含量均小于10ppm的高温合金，处于国内行业先进水平。
同时，随着企业先进技术的产业化，制备的高温合金品种逐步增加，目前形成了K4648、K424、K4169、K403等铸造高温合金系列及GH4080A、GH4169（IN718）、GH2132（A286）、GH3625等变形高温合金系列30多个品种合金材料及铸件制品的批生产供货能力，在航空、电力、核能等行业获得广泛应用，获得一致好评。
2、组织均匀性控制技术
随着高端制造业的发展，国内变形高温合金进入高速发展阶段，对合金组织、性能稳定性的要求也越来越高，均质化、组织均匀性控制技术成为变形高温合金发展方向之一。
企业采用先进的同轴供电、电压摆动、熔速递减、控温空冷等重熔技术，显著提高了合金铸锭成分均匀性。
依据合金关键合金化元素扩散特征、高温变形组织演变规律、金属流变行为，针对性地开发了高温扩散退火技术，将铸锭或锻坯在略低于固相线的温度长期加热，消除或减少大型铸锭化学成分及显微组织（枝晶）偏析；开发了梯度变温锻造技术，使锻造棒材横断面晶粒度级差由3-5级降低到了1-2级，实现了组织均匀性有效控制；开发了多火次大变形量锻造工艺，大幅度降低了棒材锻造缺陷，提高了成材率；通过批量工程化制造试验和验证，形成了系列均质化、组织均匀性控制的变形高温合金制造技术。
采用上述技术，企业实现了Nimonic80A均质化、组织均匀的棒材稳定化制造生产，在高性能船用柴油机气阀获得应用，并成功打入国际市场，实现批量供货；实现了核电蒸发器传热管用Inconel690和Inconel600合金均质化、组织均匀的棒材制造，在国内率先完成了高品质传热管坯料国产化制造，对提高传热管组织均匀性、力学性能一致性、批量制造稳定性和成品率提供了可靠的材料基础保障。
相关技术在新型变形高温合金U26、GH4985及多品种丝材制造过程中得到应用和推广，效果显著。
3、近净型熔模精密铸造技术
传统工艺生产的大型铸件存在加工余量大、壁厚较厚、超重等技术瓶颈，难以满足大推重比航空发动机的要求，这对高温合金大型结构件的减重提出了苛刻要求。
企业通过技术创新，掌握了大型复杂薄壁高温合金结构件熔模精密铸造技术，建立了完善的近净型精密铸造技术研发及生产体系，企业生产的铸件尺寸精度高、加工余量小，壁厚薄，具备了为航空制造企业稳定的供货保障能力。
企业形成的近净型熔模精密铸造技术主要涵盖：
（1）采用计算机辅助计算和模拟技术开展铸件结构优化、高温合金熔体流场和温度场预报、铸造缺陷先期预测及工艺优化，获得优化后的浇注系统、制壳层数、浇注温度、铸型预热温度、铸型预热升温速度、浇注速度、铸型保温处理、铸件冷却速度等关键工艺参数；
（2）采用分体压注、组焊成型整体蜡模技术，取代传统大型复杂薄壁铸件蜡模整体压注成型技术，消除了传统工艺对压注设备要求高、模具设计制造难度大、蜡模压注成功率低、蜡模尺寸精度难以控制、蜡模工序中损伤难以控制等弊端，显著提升了整体蜡模的精度；
（3）设计了独特、高效的环形浇道和浇冒系统，为铸件顺序凝固创造了有利条件，显著降低了铸件变形；
（4）陶瓷型壳制备技术是大型复杂薄壁铸件精铸技术体系的重要组成部分，利用不可逆相变获得足够高温强度并自行在冷却中溃散的陶瓷模壳是减少铸件成型过程中热、冷裂的关键。
具有自主知识产权的空心型腔成型技术确保了大型复杂薄壁结构件空心部位的成型。
合适的颗粒度配比所获得的适当的透气性也能有效减低铸件夹杂、卷气的风险。
上述各类技术的综合使得重力铸造大型复杂薄壁结构件成为可能，克服了国内其他单位采用的离心铸造技术引起的铸件材料组织结构不均匀、性能不稳定的缺点。
通过大型复杂薄壁铸件精铸技术体系的成功应用，企业在国内率先实现直径大于1,000mm、壁厚小于2mm的大型高温合金精铸件批量生产。
4、高精度无缝管材制造技术
企业摒除传统制管工艺的不足之处，参照航空工业管材使用性能需求，开展了自主化高精度无缝管材制造技术开发和技术创新，形成了超纯净管坯冶炼、高效热加工成形、近零缺陷冷加工变形、真空及高纯氢气氛无氧化热处理、安全环保的超声波脱脂清洗、优质高效的表面抛光、自动化快速无损探伤等全流程制管工艺技术集成，制造出综合性能稳定、尺寸精度高、表面质量优异的高品质高温合金和不锈钢无缝管材。
企业制造的无缝管外径壁厚尺寸精度可控制在±0.03mm以内，内外表面粗糙度（Ra）小于等于0.4μm。
企业提供的产品大幅度提高了服役性能，产品质量获得了用户的认可，在国内航空管材市场占据较高的市场地位。
5、多品种、多规格精品丝材制造技术
企业精品丝材以特种焊丝、核电用弹簧丝、电子行业用的玻封精密合金丝材为主。
自主集成特种冶炼、锻轧、丝坯处理、拉丝、光亮处理等多项工艺技术，建立了国际先进的精品丝材生产线、证件齐全的评价体系、完善的质量管理体系、具有自主知识产权的先进材料研发体系。
关键制造技术创新包括：
（1）针对丝材低夹杂物、高纯精度需求，通过特种冶炼、真空筛选、底铸工艺优化，减小了铸锭中的夹杂物尺寸，为生产精密细丝创造材料基础条件；
（2）通过大变形比、多道次锻造和轧制工艺开发，提高了丝坯组织均匀性，进一步降低了夹杂物尺寸，改善了夹杂物分布均匀性，为丝材拉拔、表面质量控制、丝材尺寸精度控制提供有效保障；
（3）通过丝坯精修、液体润滑、柔性转运、光亮退火等技术管控，大幅减少了各道次加工缺陷，提高了丝材表面质量和成品率；
（4）形成了高品质丝材“炼-锻-轧-拔-热处理”一揽子制造和评价技术，具有国内一流的合金自主研发、产品国产化制造和关键技术开发能力。
企业已建成了高性能合金材料丝材生产基地，生产的特种焊丝在舰船、核电、特种压力容器等高端制造领域获得广泛应用，产品质量获得行业高度评价。
（二）核心技术的技术来源、与专利和非专利技术的对应关系
序号
产品大类
主要核心产品/技术
技术来源
与专利和非专利技术的对应关系
1
铸造高温合金
超纯净高温合金原材料控制标准
自主开发
非专利核心技术
2
高温合金真空脱气工艺技术
自主开发
非专利核心技术
3
高温合金真空冶炼复合脱
S工艺技术
自主开发
非专利核心技术
4
高温合金熔体陶瓷过滤工艺技术
自主开发
非专利核心技术
5
高温合金真空浇铸技术
自主开发
形成专利
ZL201020573858.4
6
变形高温合金
高温合金原材料控制标准
自主开发
非专利核心技术
7
高温合金真空脱气工艺技术
自主开发
非专利核心技术
8
高温合金真空冶炼复合脱
S工艺技术
自主开发
非专利核心技术
9
高温合金电渣渣系提纯技术
自主开发
非专利核心技术
10
高温合金均匀化扩散工艺技术
自主开发
非专利核心技术
11
细晶高温合金热加工工艺
自主开发
非专利核心技术
序号
产品大类
主要核心产品/技术
技术来源
与专利和非专利技术的对应关系
技术
12
特种焊丝
焊丝用合金超纯净冶炼工艺技术
自主开发
形成专利ZL201410207772.2ZL201410207779.4ZL201410207774.1ZL201410207771.8ZL201410207778.XZL201410207773.7ZL201410207777.5ZL201410207769.0
ZL201410207775.6
13
氩弧焊焊丝自动送丝控制工艺技术
自主开发
14
焊丝尺寸精度控制技术
自主开发
15
焊丝表面质量控制技术
自主开发
16
航空用无缝管材
细晶、高精轧制工艺技术
自主开发
非专利核心技术
17
超声波环保除油工艺技术
自主开发
形成专利ZL201210557280.7ZL201410404657.4ZL201410404718.7ZL201410404741.6
ZL201410404717.2
18
真空热处理工艺技术
自主开发
非专利核心技术
19
大型结构铸件
大型薄壁高强度模壳和型芯制造技术的研究
自主开发
形成专利ZL201110413926.XZL201310045286.0ZL201310044916.2ZL201310044917.7
ZL201310044873.8
20
大型铸件椭圆度矫形工艺技术
自主开发
非专利核心技术
21
基于机械手进行大型结构件制壳技术
自主开发
非专利核心技术
22
大型结构件高强度、溃散性好的模壳制备工艺技术
自主开发
非专利核心技术
23
分体蜡模组焊制备技术
自主开发
非专利核心技术
（三）核心技术产品占营业收入的比例
最近三年，企业核心技术产品为变形高温合金、铸造高温合金、特种不锈钢无缝管材，上述产品占当期营业收入的比例如下：
单位：
万元
项目
2019年1-6月
2018年度
2017年度
2016年度
核心技术产品收入
19,321.37
35,491.50
27,191.03
22,647.66
营业收入
21,883.58
43,408.70
34,490.28
30,662.05
占比
88.29%
81.76%
78.84%
73.86%
（四）研发费用占营业收入的比例
最近三年，企业所投入的研发费用及所占营业收入的比例：
单位：
万元
项目
2019年1-6月
2018年度
2017年度
2016年度
研发费用
1,173.46
1,605.09
1,496.10
2,076.11
营业收入
21,883.58
43,408.70
34,490.28
30,662.05
占比
5.36%
3.70%
4.34%
6.77%
最近三年，企业不存在研发费用资本化的情形。
（五）技术、研发人员构成
1、核心技术人员、研发人员占比
企业核心技术人员、研发技术人员分别为6人和68人，分别占企业总人数的1.32%和14.95%。
2、最近两年核心技术人员变动情况
最近两年，企业核心技术人员未发生重大变化。
企业不存在因核心技术人员变动而对研发及技术产生影响的情形。
3、重要科研成果和获得的奖项
企业于2008年起至今被江苏省科技厅认定为高新技术企业，先后被授予建立了“国家级博士后科研工作站”、“江苏省高温合金工程技术研究中心”、“江苏省企业院士工作站”、“江苏省企业研究生工作站”，承担了国家“973计划”子课题2项、“863计划”子课题1项，作为项目承担单位完成了国家国际科技合作专题项目、江苏省重大科技成果转化等多项国家、省级重大科技计划项目。
（六）企业的研发机制
1、技术创新机制
企业秉持“科技创新，科学管理”的理念，力求在本领域内产品达到国内先进水平，缩小国内外技术差距。
在产品推陈出新的同时，加深与下游客户应用领域环节的紧密结合。
2、对外合作创新机制
在自主研发为主的基础上，企业也一直重视与行业内综合实力雄厚的重点科研机构、科技型企业和高等院校建立良好的合作关系。
近年来，企业与中科金属所、北京航空航天大学丹阳研究院、南京航空航天大学、江苏大学等高校、院所长期紧密合作，积极开展技术交流，联合培养技术人才，在重大项目的攻关、合金材料的研发和生产等方面展开了多方面的合作。
企业于2008年起至今被省科技厅认定为高新技术企业，先后被授予建立了“国家级博士后科研工作站”、“江苏省高温合金工程技术研究中心”、“江苏省企业院士工作站”、“江苏省企业研究生工作站”，承担了国家“973计划”子课题2项、“863计划”子课题1项，作为项目承担单位完成了国家国际科技合作专题项目、江苏省重大科技成果转化等多项国家、省级重大科技计划项目，在新金属材料领域取得了重大技术创新与成果。
3、人事激励机制
企业实行全员聘任制，人才实行有序流动，内部实行竞争上岗，同时吸引外部高级技术人才以不同方式参与企业研发工作。
同时，企业积极完善人才保障政策，优化人才环境，统筹推荐经营管理人才、专业技术人才、技能人才队伍建设。
通过实施创新型科技人才工程、技能带头人工程大力培养创新型骨干人才，建立研发人员和工程技术人员岗位管理制度，畅通人才成长通道，搭建人才干事平台，完善人才培养、使用和激励机制，使各类人才在企业发展的同时实现自身价值。
4、技术创新管理机制
企业将通过建立健全科研项目管理机制，制定技术创新项目管理、资金管理、成果奖励机制管理等技术创新项目管理、资金管理、成果管理及奖励等技术创新管理制度，进一步规范技术创新项目的申报、论证、立项、实施、验收、考核、奖励程序，加强对技术创新工作的领导、监督和考核工作。
（七）新产品新技术的研发情况及进展
1、新产品研发情况
（1）新型耐高温合金及其铸件的研发
K4169合金是目前航空发动机精密铸件主要选用的材料，其使用温度在650℃，但随着航空发动机使用温度的不断提高，该合金难以满足未来的使用要求。
有鉴于此，企业目前正在研发的750℃用新型高温合金母合金，除具备一般高温合金所具有的高温强度、良好的抗氧化和抗热腐蚀性能、良好的抗疲劳性能外，还由于合金中含有较高的合金强化元素，使得该合金在750℃以下具备极其优越的综合性能。
同时，企业正在进行铸件的试制生产，目前已进行至地面试车考核阶段。
（2）航空用紧固件高温合金棒丝材的研发
目前世界范围内的航空紧固件主要由美国、法国以及加拿大等企业垄断，我国多种型号的飞机及航空发动机对高性能高温合金紧固件需求迫切。
由于航空紧固件材料绝大部分产品还严重依赖进口，所以对于我国发展新一代飞机及航空发动机、燃气轮机等均形成了明显的制约。
针对关键高性能系列航空紧固件长期难以自主化制造问题，企业以GH2132、GH4169、GH738合金为研究目标优化确定航空紧固件用高温合金棒丝材研发方案，目前样品已提供标准件生产单位，首批材料以及试制的紧固件成品已检验合格，待进行考核和批量试制。
（3）航空用（超）高强度特种不锈钢管材研发
为满足航空飞机液压系统压力提升的需求，2017年企业试制的某牌号不锈钢管材，在确保材料原有塑性的基础上，强度提升10%，管材的疲劳寿命较国内同行业水平提升30%，在某些型号飞机上已通过应用考核，目前已进入批量生产阶段。
在此基础上，企业持续研发超高强度特种不锈钢管材，以期实现在同等强度条件下通过减少管壁厚度进行减重，以及在同等管壁厚度条件下承受更高压力的目标，为新型号航空飞机的推广应用做好技术储备。
（4）航空发动机用高温合金、不锈钢精密铸件的研发
随着目前国内直升机用航空发动机的快速发展，其使用的高温合金铸件的种类也越来越多。
企业已与国内主要发动机主机厂签订了长期的研制开发协议，开展了多项新产品、新部件的研发，目前处于产品研发模具设计阶段，新的钢种处于成分设计、性能摸索的实验室试验阶段。
（5）复合材料成型模具用Ni-36合金的研发
随着复合材料成型技术的逐步成熟，飞机上复合材料的应用越来越多，其成型模具采用的是低膨胀的Ni-36合金，进口材料仍占据该类产品的主要市场。
企业目前已进行立项开发，首批材料已进行性能检测以满足技术协议要求，后续将进行应用实验，检验其膨胀系数的稳定性以及焊接的成型性能。
2、新技术研发情况
（1）超纯净熔炼工艺的研发
高温合金超纯净熔炼技术是指在冶炼高温合金其影响合金性能的杂质元素含量的控制技术，尤其是O、S、N三个元素的控制能力。
其在合金中的危害机理目前已得到公认，但在国内高温合金中超纯净熔炼技术尚未得到解决，本项目将通过原料预处理以及真空脱O、脱S、控N等技术的应用，实现铸造高温合金O≤5PPm、N≤10PPm、S≤5PPm的目标。
（2）熔模精密铸造新材料新工艺研发
目前，国内现有生产和检测设备仅能对正常生产使用的制壳浆料的粘度、固体物含量、二氧化硅含量等工艺性能进行监控。
对航空发动机用大型复杂薄壁结构铸件及叶片生产需要的制壳新材料、新工艺研究的缺失以及对脱蜡质量（蜡料残留、脱蜡参数对型壳综合性能的影响）影响铸件冶金质量及尺寸精度研究的缺失，导致了铸件冶金质量及尺寸精度波动性较大，较难适应生产高质量航空发动机大型复杂薄壁结构铸件及叶片的要求。
开展新材料新工艺的研究，是实现航空发动机大型复杂薄壁结构铸件高效、高质量、低成本生产的当务之急。
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