如果說航空發(fā)動(dòng)機(jī)是“現(xiàn)代工業(yè)皇冠上的明珠”，那么，單晶渦輪葉片就是在“明珠上鑲鉆”。

航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的本質(zhì)就是一臺(tái)能量轉(zhuǎn)換裝置，它把航空燃油的化學(xué)能，通過燃燒轉(zhuǎn)化為高溫高壓熱能，再推動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，最終轉(zhuǎn)化為飛機(jī)的動(dòng)能。

發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件耐受溫度越高，能量轉(zhuǎn)換效率就越高，發(fā)動(dòng)機(jī)推力更大、油耗更低、綜合性能也更強(qiáng)。目前商用發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前溫度可達(dá)1500℃以上。軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)為實(shí)現(xiàn)極限戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作，極限工作溫度還要更高。所以，單晶葉片的工作條件極為苛刻，是決定發(fā)動(dòng)機(jī)性能、可靠性與壽命的關(guān)鍵因素，也是衡量一個(gè)國(guó)家航空制造水平的重要標(biāo)志。

目前，我國(guó)單晶渦輪葉片處于怎樣的水平？自主技術(shù)革新是如何賦能航空發(fā)動(dòng)機(jī)核心研發(fā)的？

1956年5月26日誕生的中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院見證了我國(guó)航空材料事業(yè)從跟跑到并跑、局部領(lǐng)跑的征途。

如今，中國(guó)航發(fā)航材院專職總師李嘉榮帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)發(fā)明的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的單晶高溫合金已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

中國(guó)航發(fā)航材院專職總師 李嘉榮：我們實(shí)現(xiàn)了中國(guó)的單晶渦輪葉片材料自主研制，其中第二代單晶高溫合金DD6，性能優(yōu)于或相當(dāng)于歐美大量應(yīng)用的第二代單晶高溫合金，而且使用成本更低，DD6已經(jīng)成為目前我國(guó)應(yīng)用量最大的單晶高溫合金，為國(guó)家節(jié)約大量戰(zhàn)略資源。

李嘉榮帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)還揭示了單晶渦輪葉片結(jié)晶與再結(jié)晶缺陷形成機(jī)理及晶體生長(zhǎng)機(jī)制，突破復(fù)合氣冷與雙層壁超冷單晶渦輪葉片制備關(guān)鍵技術(shù)。

李嘉榮：多年來(lái)，航材院研制交付的單晶渦輪葉片，在多型先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)上獲得應(yīng)用，為以先進(jìn)殲擊機(jī)為代表的軍民用飛機(jī)、直升機(jī)提供了先進(jìn)材料支撐。

單晶渦輪葉片的核心使命，就是在超高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速、腐蝕性燃?xì)鉀_刷的嚴(yán)苛環(huán)境下，長(zhǎng)期安全、穩(wěn)定、可靠服役。

中國(guó)航發(fā)航材院高溫合金材料研究所科研人員 岳曉岱：?jiǎn)尉~片工作時(shí)不僅要承受足以熔化普通鋼材的超高溫，還要承受燃?xì)獯罅_刷。葉片絕不能出現(xiàn)拉長(zhǎng)、變形；哪怕僅僅拉長(zhǎng)1毫米，高速旋轉(zhuǎn)下就有可能直接剮蹭渦輪外環(huán)，帶來(lái)安全隱患。

單晶渦輪葉片明明工作溫度已經(jīng)超過普通鋼材甚至接近自身合金熔點(diǎn)，為什么還能長(zhǎng)期穩(wěn)定服役？

岳曉岱：首先就是合金材料本身底子過硬。Ni基單晶高溫合金以金屬鎳為基體，科研人員根據(jù)高溫強(qiáng)度、抗蠕變性能、耐高溫腐蝕等多重需求，科學(xué)設(shè)計(jì)，精準(zhǔn)配多種合金元素。這些元素理化特性差異極大：鋁和錸可以從不同方面強(qiáng)化合金，但是二者密度相差就近8倍，熔點(diǎn)相差2500℃以上。我們的科研團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)、持續(xù)攻關(guān)，不僅實(shí)現(xiàn)了所有元素均勻熔煉融合，還能實(shí)現(xiàn)雜質(zhì)元素有效控制。

20世紀(jì)六七十年代，航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片主要使用多晶合金。這類葉片由無(wú)數(shù)細(xì)小晶粒結(jié)晶而成，好比石塊壘成的石墻，開裂損毀大多不是石塊本身斷裂，而是石塊間的縫隙出現(xiàn)裂紋。如今的單晶合金則采用特殊工藝，讓整片葉片形成一個(gè)完整晶體，如同沒有縫隙的整塊石板。相較之下，它的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和高溫耐受能力都實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。這一“超級(jí)金屬”究竟是怎樣“煉”成的呢？

單晶渦輪葉片的鑄造沿用了古老的失蠟法工藝。

岳曉岱：我們會(huì)先用尺寸非常精密的模具來(lái)壓制葉片的型芯，然后在型芯外面壓制葉片的蠟?zāi)?。然后在外面涂覆陶瓷型殼，然后把蠟熔化掉，就形成?nèi)部為型芯、外部為陶瓷殼的鑄造型殼。接下來(lái)，將合金熔液澆注進(jìn)這個(gè)空腔，冷卻凝固后，原本蠟?zāi)Ｕ紦?jù)的位置就變成了金屬葉片。最后再把葉片內(nèi)部陶瓷型芯脫除，空心冷卻結(jié)構(gòu)的單晶葉片就由圖紙變成了實(shí)體。

單晶葉片從合金熔煉制備到最終成品交付，全程涉及十余個(gè)核心大工序，而每個(gè)核心工序又會(huì)細(xì)分出十幾道甚至幾十道精細(xì)小工序。目前，能夠獨(dú)立自主掌握單晶渦輪葉片全套材料研發(fā)+精密鑄造+工程應(yīng)用全鏈條技術(shù)的國(guó)家，全球僅有美國(guó)、英國(guó)、俄羅斯、法國(guó)和中國(guó)。

北京航空材料研究院從20世紀(jì)80年代起，率先研發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的單晶高溫合金，以及我國(guó)第一件單晶渦輪葉片、第一件單晶空心渦輪葉片等，填補(bǔ)我國(guó)多項(xiàng)空白。

中國(guó)航發(fā)航材院黨委副書記 王文強(qiáng)：經(jīng)過70年的發(fā)展，航材院已擁有16個(gè)領(lǐng)域近80個(gè)材料專業(yè)，是國(guó)內(nèi)材料領(lǐng)域的“航空母艦”。我們航材人將為加快航空發(fā)動(dòng)機(jī)自主研制步伐，實(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)，為強(qiáng)國(guó)建設(shè)和民族復(fù)興偉業(yè)，書寫更加燦爛的材料華章。