攻克葉片製造難題 為航空發動機加力量

原標題:攻克葉片製造難題 為航空發動機加力量

劉 堯侯耀潔

築夢航空：把文章發表在祖國的藍天上

如今，每當周亦胄回想起學生時代航空夢生根的時刻，依然能體會到年少時的飛天夢想與激情。

中學時期，他最痴迷的電視劇是講述「兩彈一星」研製發射歷程的《神火》，當他在熒屏上看到火箭與導彈升空，看到無數科學家為「兩彈一星」的研製嘔心瀝血、無私奉獻，看到國際地位因此得到極大提升的畫面時，充斥心中的是心潮澎湃、無比自豪。

「神火」從此在周亦胄心中播撒下了航空航天夢的種子。「當時，我最大的夢想就是將來成為一名從事航空航天事業的科技工作者。」高中時期，周亦胄一直以優秀的成績名列前矛。當得知材料問題是制約未來航空航天技術發展的重大瓶頸技術后，他在聯考志願書上填報了清華大學材料系，最終，如願以償考入清華大學，踏出了實現「航空夢」的第一步。

大學畢業后，周亦胄進入科學院金屬研究所攻讀碩士和博士學位，研究方向為材料物理與化學專業，師從為「兩彈一星」作出重要貢獻的科學家周本濂院士。

關於材料專業，周本濂院士的獨到見解給他留下了深刻印象：「我們的科研文章發表在祖國的藍天上。」周亦胄深知：科研工作不僅僅需要一腔壯志豪情，更需要腳踏實地、鍥而不捨的鑽研精神和開闊的前沿視野。

博士畢業后，他決定走出國門，進入德國愛爾蘭根大學從事高溫合金定向凝固研究工作，三年的研究使他對高溫合金定向凝固理論及技術有了系統的理解和認識。

此時，代表世界上航空發動機與單晶葉片製造技術最高水平之一的英國Rolls-Royce（羅羅）公司向周亦胄伸出了橄欖枝。

進入這一世界頂級科技殿堂，周亦胄被其先進的單晶高溫合金製造技術與規模化生產現場深深震撼了。他主要工作是在英國伯明翰大學開展單晶高溫合金凝固缺陷控制技術研究，他始終以學生的姿態不斷汲取新的知識，從型殼製造、定向凝固鑄造到鑄件組織結構分析，積极參与單晶高溫合金製造的各個工序與環節，與專家們交流討論單晶凝固缺陷的形成機制與控制措施。勤奮的實踐，不僅讓他對定向凝固理論有了更深入的理解，而且對定向凝固技術在單晶高溫合金製造上的應用有了深刻的體會。

2007年，國內的航空航天技術也進入了新的發展階段，國家宣布大飛機立項，迫切需要高溫合金專業的研究人員。2009年6月，周亦胄正式回到科學院金屬研究所，在科學院「百人計劃」項目的支持下開始組建單晶高溫合金製造技術實驗室，瞄準航空航天發動機發展對單晶高溫合金製造技術的重大需求，開展單晶高溫合金製造技術及缺陷控制的研究工作。

攻克難題：成功研發製造的「皇冠明珠」

航空發動機作為飛行器的核心，被譽為現代工業的「皇冠」。航空發動機中，渦輪葉片由於處於溫度最高、應力最複雜、環境最惡劣的部位而被列為第一關鍵件，被譽為「皇冠上的明珠」。

在大飛機製造技術上與西方發達國家仍存在較大差距，重大瓶頸問題就是發動機的推力嚴重不足。為提高發動機推力，就需要發動機的渦輪葉片具有更高的承溫能力。

因此，國外大推力航空發動機全都採用單晶高溫合金葉片。而在，由於單晶高溫合金葉片製造技術的落後，大推力航空發動機只能採用定向柱晶葉片，從而導致發動機的動力、壽命與可靠性嚴重不足。顯然，單晶高溫合金葉片製造技術的突破將成為大飛機製造發展的關鍵。

單晶高溫合金葉片製造的技術難題，主要難在哪裡？一是單晶葉片的結構非常複雜，內部有精細的風冷通道需要鑄造成形，這導致葉片鑄造時會出現很多結構性缺陷；二是單晶葉片製造過程中會出現雜晶、小角晶界、取向偏離、再結晶、型殼反應、表面疏鬆、熱裂紋等多種不同類型的冶金缺陷，每種缺陷的產生都可以造成高溫合金葉片的報廢，導致其合格率很低。

針對這些技術難題，周亦胄帶領團隊系統開展了雜晶、小角晶界、取向偏離、再結晶、型殼反應、表面疏鬆、熱裂紋等缺陷形成機制的基礎研究，他堅持深入一線進行模具設計、蠟模組合、鑄造實驗、樣品製備以及觀察分析。完成實驗室研究工作后，他又帶領科研團隊到發動機葉片製造廠進行生產性驗證。

周亦胄團隊根據單晶葉片凝固缺陷的形成機制提出了多項工程上行之有效的凝固缺陷控制措施，形成了一套單晶葉片規模化製造的全流程式控制制技術，成功研製出多種不同類型的單晶葉片，在現有的工業基礎條件下實現了單晶葉片製造技術的突破，為中航工業發動機公司、航天科工集團公司等新型發動機的研製提供了葉片保障。

其中一項標誌性成果就是採用新型的第二代單晶高溫合金DD405成功鑄造出了中航工業新型航空發動機中的高壓渦輪轉子單晶葉片。該葉片在發動機試車考核中表現優越，標誌著在複雜結構單晶葉片製造技術上取得了重要進展。此外，多項單晶葉片鑄造技術還以技術轉移的方式推廣到了中航工業瀋陽黎明航空發動機集團公司，顯著促進了單晶高溫合金葉片鑄造技術的進步。

變廢為寶：實現稀貴金屬再生循環利用

在高溫合金葉片鑄造過程中，需要通過澆道與冒口設置來保證葉片中不出現凝固缺陷。由於鑄造后澆道與冒口內的高溫合金不允許在航空發動機零部件製造中重複使用，因此，高溫合金葉片鑄造過程中產生出的廢料常高達總用料的70%。單晶高溫合金材料的基體為鎳元素，其中含有錸、鉭、鎢、鉬、鈷等多種稀有貴重金屬。

以錸為例，作為一種重要的戰略稀缺金屬，錸在世界範圍內儲量不足1萬噸，而的保有儲量僅為200餘噸，價格約為3萬元/千克，這使含錸單晶高溫合金材料的價格非常昂貴。如：含3wt.%錸的第二代單晶高溫合金價格為200萬元/噸，含6wt.%錸的第三代單晶高溫合金價格達到約300萬元/噸。

目前，已開始大量採用第二代單晶高溫合金製造航空航天發動機單晶葉片，在生產過程中產生出大量含錸高溫合金廢料。由於缺少相關分離提取技術，使得合金廢料中錸、鉭、鎢、鉬、鈷等高價值元素只能被當作鎳來對待，造成了極大的資源浪費和經濟損失。

針對這一難題，周亦胄進行了深入思考：能否從廢料的回收再利用方面尋找突破口，減少巨大的資源浪費和經濟損失，實現先進單晶葉片製造的長期可持續發展？由於國外對相關研究成果和技術方案的封鎖，要研究高溫合金廢料中回收稀貴金屬的技術，幾乎是從零開始。

周亦胄迎難而上，著手在金屬研究所組建稀貴金屬資源再生循環利用實驗室。為確定技術路線，他奔波於全國各地找資源循環利用專家進行討論，分析各種回收處理高溫合金廢料方法的可行性。

經過反覆論證，周亦胄最終確定了採用電化學溶解法多步分離提取高溫合金廢料中稀貴金屬元素的技術路線。隨後，他組織起一支具有電化學腐蝕與化學分離提取研究背景的科研隊伍，探索了高溫合金廢料電化學溶解、沉澱分離、萃取分離、離子交換分離、金屬化合物重結晶提純、金屬化合物氣體還原、金屬粉末熱壓燒結等環節中的關鍵科學與技術問題。

經過反覆實驗，周亦胄研究團隊建立起了從高溫合金廢料中分離回收稀貴金屬元素的技術路線，實現了從高溫合金廢料中分離回收錸、鉭、鎢、鉬、鈷等稀貴金屬元素的目標，填補了國內的技術空白，並形成了與之配套的高溫合金低成本製造技術，該技術可使第二、三代單晶高溫合金的製造成本顯著降低。

談到取得多項突破性科研成果的成功經驗，周亦胄說：「科研工作者必須具備兩方面能力：一是要把國家需求和研究方向密切結合，圍繞國家需求推動和促進專業領域發展。二是要有不息探索的執著和鍥而不捨的精神。一項成功的研究成果背後可能隱藏著上百次甚至上千次的失敗，只有鍥而不捨的執著精神才能帶領我們走出失敗，走向成功。」