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“小螺栓”拧紧“大国重器”——高性能金属材料团队破解航空发动机螺栓“卡脖子”难题

发布时间:2025-07-25
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  它很微小,但却十分关键。航空发动机螺栓,一枚直径不过十几毫米,却能在600℃高温下承受100KN拉力。这些看似不起眼的小小螺栓,如同“骨骼关节”,保障着航空发动机的安全稳定运行。

  近日,我校高性能金属材料团队提出的“上游严控材料某析出相含量与碳化物分布,下游优化紧固件热加工与热处理工艺参数”的系统性解决方案,成功攻克了某国产新型航空发动机的螺栓“应力持久性能波动”技术难题。该方案不仅让螺栓生产企业产品合格率提升至100%,更实现了对高温合金微观组织的精准调控,助力航空高端紧固件制造从经验摸索到数据驱动、智能驱动的转型升级。

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  专业解困:突破螺栓制造技术瓶颈

  小螺栓,大安全。航空螺栓作为飞行器上用量最大的关键紧固件,承担着紧固关键部件、确保航空发动机在极端高温、高压工况下的持久可靠运行的重任。2024年,某国产新型航空发动机的关键螺栓频繁出现“应力持久性能”波动。生产企业研发中心带着“应力持久性能不合格”的检测报告向我校求助。

  材料学院高性能金属材料团队针对企业求助的问题,对十批次、上百个失效螺栓和原始棒材样本开展失效分析、组织调控等相关研究。经过数百次的应力持久测试、反复对比不同工艺下的组织演变、持续的晶界碳化物和晶内析出相的微观监测,终于发现造成螺栓持久性能不合格的关键因素。针对问题,团队提出“上游严控材料某析出相含量与碳化物分布,下游优化紧固件热加工与热处理工艺参数”的系统性解决方案,并为企业提供了清晰的微观组织图谱与科学的热加工工艺分析。

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  近日,优化后的工艺在企业生产线全面应用。检测报告显示,所有批次产品的性能数据均超过航空标准要求!在项目验收现场,评审专家高度赞誉:“河北科技大学团队将产品合格率提升至100%,这是一个质的突破!”

  智能算法:推动产业链工艺优化

  探索新的空间离不开创新。“我们在前期研究基础上创新性地引入多尺度多模态数据融合技术和机器学习算法,构建起了‘工艺—组织—性能’三维图谱,实现了对高温合金微观组织的精准调控。”团队负责人苏孺表示,通过机器学习建立的这套模型和方法,首次清晰、量化、可预测地掌握了螺栓从工艺参数到微观组织再到服役性能的内在规律,助力航空高端紧固件制造从经验驱动迈向数据驱动、智能驱动。

  团队还将深奥的相变理论转化为一线工人易于理解的图解与案例。一位资深老师傅感慨:“加工了半辈子螺栓,今日对材料的内部结构有了更清晰的认识!”企业研发负责人感慨道:“机器学习为基于数据和智能的研发提供了新思路,改变了企业的研发理念和技术体系。”

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  持续深耕:为“大国重器”保驾护航

  高性能金属材料团队面向国家高端装备自主化战略需求,聚焦高温合金紧固件,系统开展了高温合金冶炼—棒材成形—紧固件镦制—热处理优化全流程及应用研究,建立了“工艺—组织—性能”定量控制标准,开发了工艺智能决策系统。随着螺栓“应力持久性能波动”关键技术问题的解决,校企双方进一步加深了技术合作,企业将更多紧固件的“卡脖子”技术攻关交给高性能金属材料团队。同时双方还共同申报了国家重大专项课题,联合探索基于机器学习的材料全生命周期质量控制与工艺智能决策系统,以促进高端装备产业链的自主可控。

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  今后,团队还将在前期研究基础上进一步围绕高温紧固件材料体系开发、全流程数字孪生质量控制技术、极端环境服役行为预测与寿命评估等持续深耕,直面产业难点进行技术攻关,为“拧紧”大国重器关键部位贡献力量。

  (来源:河北科技大学)

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