讓中國航空發(fā)動機葉片穿上國產(chǎn)“衣服”

今天很榮幸有這么一個機會，我想給大家講一講航空發(fā)動機的材料。要講航空發(fā)動機的材料，首先要講航空發(fā)動機，要想講航空發(fā)動機，還得從飛機說起。

中國的老百姓對于大飛機有一個非常重的情結(jié)，有一個大飛機夢。2017年5月5日，C919在上海浦東機場刺破蒼穹、翱翔藍天，這是我們中國制造的商用大飛機首次飛翔在藍天。無數(shù)閃光燈對著這個大飛機，這是令國民激動的一次飛行。

大飛機的兩次論證都是在北航。2006年第二次論證，我在中間也做了一些貢獻。當時我非常榮幸，是大飛機論證專家委員會的辦公室主任。這次論證是歷史性的。大飛機項目要不要上？中國要不要做民用的、商用的大飛機？專家論證完之后，要做！從2006年論證到2017年首飛，經(jīng)過了十年多的時間，還是很厲害的。

中國為什么要做大飛機？

我在這里舉一個例子。根據(jù)我們當時的計算，中國人低端產(chǎn)品做襯衫，要加工8億件才能買一架空中客車A380，得加工多少件襯衫才能把中國的航空飛機買全?。繌慕裉靵砜?，未來的20年，中國需要多少架大飛機？就是商用飛機，大概需要5000？6000架?；ǘ嗌馘X來買呢？大概需要1萬億美元。這是什么概念呢？可以把空客和波音兩個公司按照現(xiàn)在股票市場的市值買4次。

我們20年就要花1萬億美元買這些飛機，中國這么一個大國要靠買別人的飛機來過日子嗎？不可能！中國要造自己的大飛機。

說完大飛機，我們就開始看看發(fā)動機。發(fā)動機是飛機的心臟。全國人民非常關(guān)注的就是兩個“心”：一個是芯片；一個是飛機的心臟——發(fā)動機。這兩個“心”的問題不解決，我們就難以從大國成為強國。造不出來自己的“心臟”，總是長期依賴于國外，這不是一個大國甚至強國所為。而且，發(fā)動機是核心技術(shù)，是買不來的。

航空發(fā)動機是一個戰(zhàn)略的、高端的、高精尖的技術(shù)產(chǎn)品，也跟一個大國、強國的地位緊密相關(guān)。不論是哪個國家都把航空發(fā)動機的技術(shù)列為禁運、嚴禁出口的產(chǎn)品。發(fā)動機到底誰能制造??？就是聯(lián)合國的5個常任理事國。能夠制造完整的航空發(fā)動機的，只有這5個國家。

發(fā)動機除了是戰(zhàn)略資源、核心產(chǎn)品、核心技術(shù)之外，它的附加值也特別高。有人說飛機是工業(yè)上的皇冠，發(fā)動機就是皇冠上的明珠。船舶1公斤的價值如果是1的話，小汽車可能是9，發(fā)動機是1400，它是船舶1公斤價值的1400倍。

做發(fā)動機為什么這么難？

為什么中國長期以來做不出民用發(fā)動機？發(fā)動機是一切工業(yè)最高精尖的質(zhì)量的集成。中國在剛解放的時候，連自行車都造不好。那個時候咱們的工業(yè)基礎(chǔ)有多差？怎么在這60年一下子能夠追趕上？做發(fā)動機有幾大難點。

首先發(fā)動機需要非常高的安全性和可靠性?，F(xiàn)在一臺民用發(fā)動機要求穩(wěn)定地工作3萬小時不能出任何故障，將來要超過10萬小時。其中有兩個試驗是發(fā)動機必須要做的。第一個試驗叫拋鳥試驗。很大的鳥從發(fā)動機穿過去以后，發(fā)動機不能出問題。有一年我去英國，因為一只大鳥撞到飛機發(fā)動機里面去了，飛機就不能起飛，要看看里邊的葉片有沒有被損傷。最后把發(fā)動機的風扇打開一看，葉片確實完好無缺，然后飛機才飛走了。第二個試驗就是吞冰試驗。1分鐘1噸的冰要打到發(fā)動機里面去，發(fā)動機葉片要完好無缺，發(fā)動機如果不行的話，誰敢坐飛機？在空中肯定有雞蛋大的冰雹下來，吞進去，發(fā)動機不能壞，如果葉片被打碎了，發(fā)動機著火了，還能飛嗎？這兩項試驗證明航空發(fā)動機要具有高度的安全性和可靠性。

第二，發(fā)動機的轉(zhuǎn)速非常高。發(fā)動機的轉(zhuǎn)速要達到10000多轉(zhuǎn)，每分鐘15000？16000的轉(zhuǎn)速，發(fā)動機如果轉(zhuǎn)動葉片，它承受的離心力相當于葉片本身的10000倍。有人說相當于掛著幾臺桑塔轎車，而且這個時候發(fā)動機的葉片是在極高的溫度下運轉(zhuǎn)的。這就是它的第二個難點，發(fā)動機的葉片承載著巨大的離心力。

第三，發(fā)動機的溫度極高?，F(xiàn)在發(fā)動機的材料絕大多數(shù)都是金屬材料，軍用發(fā)動機燃燒室的工作溫度已經(jīng)超過了2000K，K跟℃相比差了273℃，民用機的發(fā)動機燃燒室的溫度也要達到1800K？1900K。大家知道我們用的金屬材料，特別是鎳基高溫合金，它的初熔點大概也就在1300多℃，加上273℃，也不到1600K。所以說，所有的金屬材料的葉片在發(fā)動機燃燒室里邊是處于熔化狀態(tài)的，而且它還要掛著10000倍的離心力。

第四，搞空氣動力學的，都聽說過層流和湍流。發(fā)動機飛得很高，前面有風扇、壓氣機把風吹到燃燒室，相當于17級的風速。在17級的風速下，火焰在里邊要穩(wěn)定地燃燒，這對于搞空氣動力學的來說也是一個極限，如果設(shè)計不好，吹偏了會把旁邊都燒掉了。

發(fā)動機產(chǎn)品精致到什么程度？

它就是一件工藝品，由上萬個零件組成。加工精度要達到微米級，甚至有些個別的部件要達到納米級。

發(fā)動機非常昂貴。劉大響院士是北京航空航天大學的畢業(yè)生，他曾經(jīng)作過一次報告，說發(fā)動機的產(chǎn)品非常昂貴。它的整個重量價值相當于白銀，里邊的發(fā)動機葉片，價值相當于黃金。這么貴，如果沒有大量的資金投入，發(fā)動機是不可能研制出來的，這就是為什么一個國家窮的時候不可能造發(fā)動機。

我們講發(fā)動機最核心的核心就是“一盤兩片”?！氨P”就是渦輪盤，渦輪盤就是把工作葉片插上以后帶動它轉(zhuǎn)動的?！皟善币粋€是導向葉片，一個是工作葉片。導向葉片就是在火焰沖出來的時候?qū)Я鳎缓蟠抵ぷ魅~片轉(zhuǎn)動，它是首先接觸火焰的；緊接著就是工作葉片，就是負責轉(zhuǎn)動的，這是最難攻克的，也是我們這個團隊下面要做的工作。

發(fā)動機的葉片工作溫度已經(jīng)遠遠超出了合金的熔點，怎么讓它不熔化？其中需要幾大技術(shù)。第一，需要冷卻。中間把它做成空心的，把冷空氣吹進去冷卻它。在外邊形成一個保護膜來保護它。因為有一個溫度梯度在里邊，表面的溫度會降很多。第二，讓合金的承溫能力繼續(xù)提高。第三，穿上一層衣服。穿了什么衣服呢？這就是我們團隊做得很得意的工作，它是一個熱障涂層，叫Thermal Barrier Coating，就是TBC，隔熱的。

把陶瓷衣服涂上去，難點大了。怎么說呢？首先，因為大家知道陶瓷很脆，金屬的熱膨脹系數(shù)很大。如果金屬膨脹，陶瓷沒有熱膨脹或者膨脹很小，一下就崩掉了，所以要想穿上這層衣服非常難。

所有這一切的原因都是要增加航空發(fā)動機的工作溫度、渦輪的工作溫度。提高溫度以后對發(fā)動機有非常大的好處。有人計算過，發(fā)動機里邊每提高100℃，它的推力就會增加8%？10%。也有人說航空發(fā)動機只要提高100℃，這個發(fā)動機就是提高了一代。推力增加了，發(fā)動機加上飛機的起飛升力就增加，在同樣情況下，每增加10%推力，就可以增加10%的載客量，能從300人增加到330人，經(jīng)濟效益好。更不用說軍機，推力增加了，它的機動性、作戰(zhàn)性才能更大，才能實現(xiàn)超音速巡航，才能追得上別人的飛機。發(fā)動機的溫度決定了它的推力?，F(xiàn)在用其他的方法都不太好使，只有提高發(fā)動機的溫度是最靈的，但是提高溫度對搞材料的人來說是一個巨大的難點。

三項技術(shù)一個都不能少

我們要怎樣攻克這“兩片”？為什么“兩片”這么難？它是發(fā)動機壓力最高、溫度最高的兩個地方。要想攻克這件事，3項技術(shù)一個都不能少：冷卻、合金的溫度和涂層。解剖航空發(fā)動機的材料，它用了哪些材料呢？藍色的是鈦合金，紅色的是鎳基合金，黃色的是主軸，軸承用的是鋼，然后用了少量的鋁和復合材料——90%以上都是用的金屬材料。

金屬材料有一個特點，它在溫度高的情況下強度大幅度降低，要是打鐵鍛造燒紅了就可以打出一個扁鏟。在高溫下鋼鐵材料變得很軟，這是一種鍛造成型，因為高溫下它的強度是會降低的。說到比強度這個概念，鈦合金在室溫下的比強度是最高的，鎳基合金其次，鋼和鋁合金差不多。但是隨著溫度的增加，很快鈦合金的比強度就衰減了。鎳基合金比強度雖然不高，但是它撐得溫度比較高，撐得時間也比較長。這就是為什么我們現(xiàn)在做的渦輪葉片合金都是鎳基高溫合金，而不是用鈦合金。

科學家們想辦法。第一，最開始做葉片是用鑄造的方法做成等軸晶。多晶粒放大了以后，它由很多晶粒組成。在高溫下由于它的晶界原子排列是混亂的，從熵的角度來說它就是不穩(wěn)定的，溫度一高，晶界開始軟化，這時候有一個巨大的離心力，晶界就碎了。

第二，做出定向?qū)嶒灐Ｋ械木ЯＭ粋€方向，它雖然有晶界，但是它的晶界都是豎著的，有離心力的時候不要緊。但是橫向不行，只要有橫向力它從晶界就斷開了。

第三，做成單晶體?，F(xiàn)在做的都是單晶，這還不夠。發(fā)動機設(shè)計師說不行，溫度還得提高來增加推力。怎么辦？做成空心的。師昌緒先生當時做的是九小孔，現(xiàn)在孔可多了，90或900的孔很多，單通道不行就做多通道，就為了讓它到處都能冷卻，還不行的話再加熱障涂層。

做出熱障涂層來非常不容易。陶瓷里有一個概念叫相變增韌，有一點小的相變可以增韌，不會產(chǎn)生很大的裂紋，當時我們解決了材料的問題——YSZ。結(jié)構(gòu)上，我們發(fā)明了一種新結(jié)構(gòu)，這是從陶瓷到機體中間有一個過渡層，我們叫粘結(jié)層。這個總是掉，粘不住。怎么回事呢？我們感覺合金的成分前與后差距太大，所以我們把粘結(jié)層做成梯度的，我們叫GBTBC，梯度的粘結(jié)層，這是結(jié)構(gòu)上的一個新發(fā)明。

還有一點也是挺有意思的，這個涂層有受面，做不好。最慘的就是從那個爐子里拿出來，陶瓷片都崩掉了，或者在爐子里熱循環(huán)，看燒多少個小時能掉，結(jié)果幾個小時全掉了。我們做長時間的熱循環(huán)，就是放爐子里1個小時后拿出來一次冷卻，再放進去，我們最多做了多少呢？1萬次！或者叫1萬個小時的熱循環(huán)，1個小時一次。1萬個小時大家知道是多長時間嗎？一年多，不休息，爐子不能休息，人得看著三班倒。一天24小時乘以365，是8000多小時。所以我們做一次實驗要做1萬小時，一年多的時間。冬天還挺好，夏天的時候北京也夠熱的。我們的小實驗室就在4號樓的后面，一個小平房，在那里搭了一個爐子。夏天真是熱，但是我們也高興，只要葉片涂層不掉，我們就覺得很自豪，把整個的材料、結(jié)構(gòu)、工藝、表征、測試、壽命預測做完以后，能達到1萬小時，我們特別開心。

我們解決了什么？最重要的是，解決了中國的航空發(fā)動機葉片研發(fā)問題。過去上飛機的時候，我們簡稱叫赤膊上陣，因為只能靠合金本身的耐溫能力和冷卻來降溫，沒有衣服穿，只能赤膊上陣。國外發(fā)動機都是穿著衣服的，我們團隊為中國航空發(fā)動機解決了第一代熱障涂層問題，使得我們的發(fā)動機的葉片穿上了中國人自己做的衣服。

未來10年之后，陶瓷基的復合材料是第六代發(fā)動機可以考慮的。再往下看還有一種材料，就是碳碳復合材料，就是carbon fibre。大家知道陶瓷也好、碳也好，特別是碳，它雖然高溫的時候不軟化、比強度高，但是最致命的一個問題——除了韌性差，碳碳和陶瓷都有問題，但是碳碳問題更大——它的抗氧化能力極差，放到爐子里就著了?，F(xiàn)在我自己感覺還沒有更好的辦法，全世界都解決不了這個難題，如果發(fā)動機溫度繼續(xù)提高，肯定需要新材料。有人說一代材料一代發(fā)動機，也有人說一代材料一代飛機。所以說做材料的人非常重要，關(guān)注一個點，把基礎(chǔ)的突破了，能做一個點上的貢獻，也是貢獻。

（本文摘自徐惠彬在中央紀委國家監(jiān)委網(wǎng)站推出《大學》欄目上的講話內(nèi)容有刪減）