讓中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片穿上國(guó)產(chǎn)“衣服”

今天很榮幸有這么一個(gè)機(jī)會(huì)，我想給大家講一講航空發(fā)動(dòng)機(jī)的材料。要講航空發(fā)動(dòng)機(jī)的材料，首先要講航空發(fā)動(dòng)機(jī)，要想講航空發(fā)動(dòng)機(jī)，還得從飛機(jī)說(shuō)起。

中國(guó)的老百姓對(duì)于大飛機(jī)有一個(gè)非常重的情結(jié)，有一個(gè)大飛機(jī)夢(mèng)。2017年5月5日，C919在上海浦東機(jī)場(chǎng)刺破蒼穹、翱翔藍(lán)天，這是我們中國(guó)制造的商用大飛機(jī)首次飛翔在藍(lán)天。無(wú)數(shù)閃光燈對(duì)著這個(gè)大飛機(jī)，這是令國(guó)民激動(dòng)的一次飛行。

大飛機(jī)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(xiàn)。當(dāng)時(shí)我非常榮幸，是大飛機(jī)論證專(zhuān)家委員會(huì)的辦公室主任。這次論證是歷史性的。大飛機(jī)項(xiàng)目要不要上？中國(guó)要不要做民用的、商用的大飛機(jī)？專(zhuān)家論證完之后，要做！從2006年論證到2017年首飛，經(jīng)過(guò)了十年多的時(shí)間，還是很厲害的。

中國(guó)為什么要做大飛機(jī)？

我在這里舉一個(gè)例子。根據(jù)我們當(dāng)時(shí)的計(jì)算，中國(guó)人低端產(chǎn)品做襯衫，要加工8億件才能買(mǎi)一架空中客車(chē)A380，得加工多少件襯衫才能把中國(guó)的航空飛機(jī)買(mǎi)全??？從今天來(lái)看，未來(lái)的20年，中國(guó)需要多少架大飛機(jī)？就是商用飛機(jī)，大概需要5000？6000架。花多少錢(qián)來(lái)買(mǎi)呢？大概需要1萬(wàn)億美元。這是什么概念呢？可以把空客和波音兩個(gè)公司按照現(xiàn)在股票市場(chǎng)的市值買(mǎi)4次。

我們20年就要花1萬(wàn)億美元買(mǎi)這些飛機(jī)，中國(guó)這么一個(gè)大國(guó)要靠買(mǎi)別人的飛機(jī)來(lái)過(guò)日子嗎？不可能！中國(guó)要造自己的大飛機(jī)。

說(shuō)完大飛機(jī)，我們就開(kāi)始看看發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的心臟。全國(guó)人民非常關(guān)注的就是兩個(gè)“心”：一個(gè)是芯片；一個(gè)是飛機(jī)的心臟——發(fā)動(dòng)機(jī)。這兩個(gè)“心”的問(wèn)題不解決，我們就難以從大國(guó)成為強(qiáng)國(guó)。造不出來(lái)自己的“心臟”，總是長(zhǎng)期依賴(lài)于國(guó)外，這不是一個(gè)大國(guó)甚至強(qiáng)國(guó)所為。而且，發(fā)動(dòng)機(jī)是核心技術(shù)，是買(mǎi)不來(lái)的。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是一個(gè)戰(zhàn)略的、高端的、高精尖的技術(shù)產(chǎn)品，也跟一個(gè)大國(guó)、強(qiáng)國(guó)的地位緊密相關(guān)。不論是哪個(gè)國(guó)家都把航空發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)列為禁運(yùn)、嚴(yán)禁出口的產(chǎn)品。發(fā)動(dòng)機(jī)到底誰(shuí)能制造啊？就是聯(lián)合國(guó)的5個(gè)常任理事國(guó)。能夠制造完整的航空發(fā)動(dòng)機(jī)的，只有這5個(gè)國(guó)家。

發(fā)動(dòng)機(jī)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(shuō)飛機(jī)是工業(yè)上的皇冠，發(fā)動(dòng)機(jī)就是皇冠上的明珠。船舶1公斤的價(jià)值如果是1的話(huà)，小汽車(chē)可能是9，發(fā)動(dòng)機(jī)是1400，它是船舶1公斤價(jià)值的1400倍。

做發(fā)動(dòng)機(jī)為什么這么難？

為什么中國(guó)長(zhǎng)期以來(lái)做不出民用發(fā)動(dòng)機(jī)？發(fā)動(dòng)機(jī)是一切工業(yè)最高精尖的質(zhì)量的集成。中國(guó)在剛解放的時(shí)候，連自行車(chē)都造不好。那個(gè)時(shí)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(dòng)機(jī)有幾大難點(diǎn)。

首先發(fā)動(dòng)機(jī)需要非常高的安全性和可靠性?，F(xiàn)在一臺(tái)民用發(fā)動(dòng)機(jī)要求穩(wěn)定地工作3萬(wàn)小時(shí)不能出任何故障，將來(lái)要超過(guò)10萬(wàn)小時(shí)。其中有兩個(gè)試驗(yàn)是發(fā)動(dòng)機(jī)必須要做的。第一個(gè)試驗(yàn)叫拋鳥(niǎo)試驗(yàn)。很大的鳥(niǎo)從發(fā)動(dòng)機(jī)穿過(guò)去以后，發(fā)動(dòng)機(jī)不能出問(wèn)題。有一年我去英國(guó)，因?yàn)橐恢淮篪B(niǎo)撞到飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)里面去了，飛機(jī)就不能起飛，要看看里邊的葉片有沒(méi)有被損傷。最后把發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇打開(kāi)一看，葉片確實(shí)完好無(wú)缺，然后飛機(jī)才飛走了。第二個(gè)試驗(yàn)就是吞冰試驗(yàn)。1分鐘1噸的冰要打到發(fā)動(dòng)機(jī)里面去，發(fā)動(dòng)機(jī)葉片要完好無(wú)缺，發(fā)動(dòng)機(jī)如果不行的話(huà)，誰(shuí)敢坐飛機(jī)？在空中肯定有雞蛋大的冰雹下來(lái)，吞進(jìn)去，發(fā)動(dòng)機(jī)不能壞，如果葉片被打碎了，發(fā)動(dòng)機(jī)著火了，還能飛嗎？這兩項(xiàng)試驗(yàn)證明航空發(fā)動(dòng)機(jī)要具有高度的安全性和可靠性。

第二，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速非常高。發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速要達(dá)到10000多轉(zhuǎn)，每分鐘15000？16000的轉(zhuǎn)速，發(fā)動(dòng)機(jī)如果轉(zhuǎn)動(dòng)葉片，它承受的離心力相當(dāng)于葉片本身的10000倍。有人說(shuō)相當(dāng)于掛著幾臺(tái)桑塔轎車(chē)，而且這個(gè)時(shí)候發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片是在極高的溫度下運(yùn)轉(zhuǎn)的。這就是它的第二個(gè)難點(diǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片承載著巨大的離心力。

第三，發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度極高?，F(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)的材料絕大多數(shù)都是金屬材料，軍用發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的工作溫度已經(jīng)超過(guò)了2000K，K跟℃相比差了273℃，民用機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的溫度也要達(dá)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(diǎn)大概也就在1300多℃，加上273℃，也不到1600K。所以說(shuō)，所有的金屬材料的葉片在發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)力學(xué)的，都聽(tīng)說(shuō)過(guò)層流和湍流。發(fā)動(dòng)機(jī)飛得很高，前面有風(fēng)扇、壓氣機(jī)把風(fēng)吹到燃燒室，相當(dāng)于17級(jí)的風(fēng)速。在17級(jí)的風(fēng)速下，火焰在里邊要穩(wěn)定地燃燒，這對(duì)于搞空氣動(dòng)力學(xué)的來(lái)說(shuō)也是一個(gè)極限，如果設(shè)計(jì)不好，吹偏了會(huì)把旁邊都燒掉了。

發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品精致到什么程度？

它就是一件工藝品，由上萬(wàn)個(gè)零件組成。加工精度要達(dá)到微米級(jí)，甚至有些個(gè)別的部件要達(dá)到納米級(jí)。

發(fā)動(dòng)機(jī)非常昂貴。劉大響院士是北京航空航天大學(xué)的畢業(yè)生，他曾經(jīng)作過(guò)一次報(bào)告，說(shuō)發(fā)動(dòng)機(jī)的產(chǎn)品非常昂貴。它的整個(gè)重量?jī)r(jià)值相當(dāng)于白銀，里邊的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，價(jià)值相當(dāng)于黃金。這么貴，如果沒(méi)有大量的資金投入，發(fā)動(dòng)機(jī)是不可能研制出來(lái)的，這就是為什么一個(gè)國(guó)家窮的時(shí)候不可能造發(fā)動(dòng)機(jī)。

我們講發(fā)動(dòng)機(jī)最核心的核心就是“一盤(pán)兩片”?！氨P(pán)”就是渦輪盤(pán)，渦輪盤(pán)就是把工作葉片插上以后帶動(dòng)它轉(zhuǎn)動(dòng)的?！皟善币粋€(gè)是導(dǎo)向葉片，一個(gè)是工作葉片。導(dǎo)向葉片就是在火焰沖出來(lái)的時(shí)候?qū)Я?，然后吹著工作葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，它是首先接觸火焰的；緊接著就是工作葉片，就是負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)動(dòng)的，這是最難攻克的，也是我們這個(gè)團(tuán)隊(duì)下面要做的工作。

發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片工作溫度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了合金的熔點(diǎn)，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(jìn)去冷卻它。在外邊形成一個(gè)保護(hù)膜來(lái)保護(hù)它。因?yàn)橛幸粋€(gè)溫度梯度在里邊，表面的溫度會(huì)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(tuán)隊(duì)做得很得意的工作，它是一個(gè)熱障涂層，叫Thermal Barrier Coating，就是TBC，隔熱的。

把陶瓷衣服涂上去，難點(diǎn)大了。怎么說(shuō)呢？首先，因?yàn)榇蠹抑捞沾珊艽?，金屬的熱膨脹系?shù)很大。如果金屬膨脹，陶瓷沒(méi)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(dòng)機(jī)的工作溫度、渦輪的工作溫度。提高溫度以后對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)有非常大的好處。有人計(jì)算過(guò)，發(fā)動(dòng)機(jī)里邊每提高100℃，它的推力就會(huì)增加8%？10%。也有人說(shuō)航空發(fā)動(dòng)機(jī)只要提高100℃，這個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)就是提高了一代。推力增加了，發(fā)動(dòng)機(jī)加上飛機(jī)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(jì)效益好。更不用說(shuō)軍機(jī)，推力增加了，它的機(jī)動(dòng)性、作戰(zhàn)性才能更大，才能實(shí)現(xiàn)超音速巡航，才能追得上別人的飛機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度決定了它的推力。現(xiàn)在用其他的方法都不太好使，只有提高發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度是最靈的，但是提高溫度對(duì)搞材料的人來(lái)說(shuō)是一個(gè)巨大的難點(diǎn)。

三項(xiàng)技術(shù)一個(gè)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(dòng)機(jī)壓力最高、溫度最高的兩個(gè)地方。要想攻克這件事，3項(xiàng)技術(shù)一個(gè)都不能少：冷卻、合金的溫度和涂層。解剖航空發(fā)動(dòng)機(jī)的材料，它用了哪些材料呢？藍(lán)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(fù)合材料——90%以上都是用的金屬材料。

金屬材料有一個(gè)特點(diǎn)，它在溫度高的情況下強(qiáng)度大幅度降低，要是打鐵鍛造燒紅了就可以打出一個(gè)扁鏟。在高溫下鋼鐵材料變得很軟，這是一種鍛造成型，因?yàn)楦邷叵滤膹?qiáng)度是會(huì)降低的。說(shuō)到比強(qiáng)度這個(gè)概念，鈦合金在室溫下的比強(qiáng)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(qiáng)度就衰減了。鎳基合金比強(qiáng)度雖然不高，但是它撐得溫度比較高，撐得時(shí)間也比較長(zhǎng)。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(xué)家們想辦法。第一，最開(kāi)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(lái)說(shuō)它就是不穩(wěn)定的，溫度一高，晶界開(kāi)始軟化，這時(shí)候有一個(gè)巨大的離心力，晶界就碎了。

第二，做出定向?qū)嶒?yàn)。所有的晶粒往一個(gè)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(shí)候不要緊。但是橫向不行，只要有橫向力它從晶界就斷開(kāi)了。

第三，做成單晶體?，F(xiàn)在做的都是單晶，這還不夠。發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)師說(shuō)不行，溫度還得提高來(lái)增加推力。怎么辦？做成空心的。師昌緒先生當(dāng)時(shí)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(huà)再加熱障涂層。

做出熱障涂層來(lái)非常不容易。陶瓷里有一個(gè)概念叫相變?cè)鲰g，有一點(diǎn)小的相變可以增韌，不會(huì)產(chǎn)生很大的裂紋，當(dāng)時(shí)我們解決了材料的問(wèn)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(jī)體中間有一個(gè)過(guò)渡層，我們叫粘結(jié)層。這個(gè)總是掉，粘不住。怎么回事呢？我們感覺(jué)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(gè)新發(fā)明。

還有一點(diǎn)也是挺有意思的，這個(gè)涂層有受面，做不好。最慘的就是從那個(gè)爐子里拿出來(lái)，陶瓷片都崩掉了，或者在爐子里熱循環(huán)，看燒多少個(gè)小時(shí)能掉，結(jié)果幾個(gè)小時(shí)全掉了。我們做長(zhǎng)時(shí)間的熱循環(huán)，就是放爐子里1個(gè)小時(shí)后拿出來(lái)一次冷卻，再放進(jìn)去，我們最多做了多少呢？1萬(wàn)次！或者叫1萬(wàn)個(gè)小時(shí)的熱循環(huán)，1個(gè)小時(shí)一次。1萬(wàn)個(gè)小時(shí)大家知道是多長(zhǎng)時(shí)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(shí)乘以365，是8000多小時(shí)。所以我們做一次實(shí)驗(yàn)要做1萬(wàn)小時(shí)，一年多的時(shí)間。冬天還挺好，夏天的時(shí)候北京也夠熱的。我們的小實(shí)驗(yàn)室就在4號(hào)樓的后面，一個(gè)小平房，在那里搭了一個(gè)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(jué)得很自豪，把整個(gè)的材料、結(jié)構(gòu)、工藝、表征、測(cè)試、壽命預(yù)測(cè)做完以后，能達(dá)到1萬(wàn)小時(shí)，我們特別開(kāi)心。

我們解決了什么？最重要的是，解決了中國(guó)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片研發(fā)問(wèn)題。過(guò)去上飛機(jī)的時(shí)候，我們簡(jiǎn)稱(chēng)叫赤膊上陣，因?yàn)橹荒芸亢辖鸨旧淼哪蜏啬芰屠鋮s來(lái)降溫，沒(méi)有衣服穿，只能赤膊上陣。國(guó)外發(fā)動(dòng)機(jī)都是穿著衣服的，我們團(tuán)隊(duì)為中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)解決了第一代熱障涂層問(wèn)題，使得我們的發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片穿上了中國(guó)人自己做的衣服。

未來(lái)10年之后，陶瓷基的復(fù)合材料是第六代發(fā)動(dòng)機(jī)可以考慮的。再往下看還有一種材料，就是碳碳復(fù)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(shí)候不軟化、比強(qiáng)度高，但是最致命的一個(gè)問(wèn)題——除了韌性差，碳碳和陶瓷都有問(wèn)題，但是碳碳問(wèn)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(jué)還沒(méi)有更好的辦法，全世界都解決不了這個(gè)難題，如果發(fā)動(dòng)機(jī)溫度繼續(xù)提高，肯定需要新材料。有人說(shuō)一代材料一代發(fā)動(dòng)機(jī)，也有人說(shuō)一代材料一代飛機(jī)。所以說(shuō)做材料的人非常重要，關(guān)注一個(gè)點(diǎn)，把基礎(chǔ)的突破了，能做一個(gè)點(diǎn)上的貢獻(xiàn)，也是貢獻(xiàn)。

（本文摘自徐惠彬在中央紀(jì)委國(guó)家監(jiān)委網(wǎng)站推出《大學(xué)》欄目上的講話(huà)內(nèi)容有刪減）