为航空发动机加力量,周亦胄研究员

筑梦航空:把文章发表在祖国的蓝天上

周亦胄研究员:让航空发动机的心脏激情燃烧

如今,每当周亦胄回想起学生时代航空梦生根的时刻,依然能体会到年少时的飞天梦想与激情。

航空发动机是国防武器装备不可或缺的先进动力推进系统,被誉为“工业皇冠上的明珠”。如何避免在涡轮燃烧室后工作的叶片发生烧蚀和熔化,是保障发动机心脏正常工作的必要前提。

中学时期,他最痴迷的电视剧是讲述“两弹一星”研制发射历程的《中国神火》,当他在荧屏上看到中国火箭与导弹升空,看到无数科学家为“两弹一星”的研制呕心沥血、无私奉献,看到中国国际地位因此得到极大提升的画面时,充斥心中的是心潮澎湃、无比自豪。

在中国科学院金属研究所,有这样一位致力于让航空发动机心脏激情燃烧的科研工作者——单晶高温合金叶片制造技术专家周亦胄研究员。

“中国神火”从此在周亦胄心中播撒下了航空航天梦的种子。“当时,我最大的梦想就是将来成为一名从事航空航天事业的科技工作者。”高中时期,周亦胄一直以优秀的成绩名列前矛。当得知材料问题是制约未来航空航天技术发展的重大瓶颈技术后,他在高考志愿书上填报了清华大学材料系,最终,如愿以偿考入清华大学,踏出了实现“航空梦”的第一步。

周亦胄向《中国科学报》记者介绍,大部分金属材料在制备成形过程中需要从高温熔体凝固成固体。假如完全按照“天性”凝固,金属材料凝固后将由许多细小的单元晶体组成,这些晶体的边界在高温下非常容易断裂。

大学毕业后,周亦胄进入中国科学院金属研究所攻读硕士和博士学位,研究方向为材料物理与化学专业,师从为“两弹一星”作出重要贡献的科学家周本濂院士。

只要控制金属熔体冷却过程中晶体的生长方向,让它们都朝一个方向生长,形成如同一捆整齐排列筷子那样的柱状晶体,金属材料高温下的强度就会显著增大。

关于材料专业,周本濂院士的独到见解给他留下了深刻印象:“我们的科研文章发表在祖国的蓝天上。”周亦胄深知:科研工作不仅仅需要一腔壮志豪情,更需要脚踏实地、锲而不舍的钻研精神和开阔的前沿视野。

如果继续改变定向凝固约束条件,保证只有一个柱状晶体生长,就可以获得只有一个晶体的单晶金属材料,这种单晶材料在高温下具有更高的强度。

博士毕业后,他决定走出国门,进入德国爱尔兰根大学从事高温合金定向凝固研究工作,三年的研究使他对高温合金定向凝固理论及技术有了系统的理解和认识。

“单晶高温合金叶片就是采用定向凝固工艺制备出的只有一个晶体的叶片。”周亦胄说,“单晶叶片的晶体生长工艺十分复杂,尤其是具有复杂气冷通道结构的单晶叶片制备难度更大,经常会出现杂晶、偏离预定晶体取向、显微孔洞、金属熔体与陶瓷模壳高温反应等问题。”

此时,代表世界上航空发动机与单晶叶片制造技术最高水平之一的英国Rolls-Royce公司向周亦胄伸出了橄榄枝。

在航空发动机极端苛刻环境下,存在这些缺陷的单晶叶片非常脆弱,在极短的时间内就会发生断裂或者熔化,造成发动机出现严重的安全事故。因此,在制备单晶叶片过程中,要严格控制这些缺陷。

进入这一世界顶级科技殿堂,周亦胄被其先进的单晶高温合金制造技术与规模化生产现场深深震撼了。他主要工作是在英国伯明翰大学开展单晶高温合金凝固缺陷控制技术研究,他始终以学生的姿态不断汲取新的知识,从型壳制造、定向凝固铸造到铸件组织结构分析,积极参与单晶高温合金制造的各个工序与环节,与专家们交流讨论单晶凝固缺陷的形成机制与控制措施。勤奋的实践,不仅让他对定向凝固理论有了更深入的理解,而且对定向凝固技术在单晶高温合金制造上的应用有了深刻的体会。

此前,由于缺少对单晶凝固缺陷形成机制的深入认识,长期以来我国主要是靠经验积累和反复试制来减少这些缺陷,导致单晶高温合金叶片铸件的合格率非常低。周亦胄认为,对于一些使用新型合金铸造的复杂结构单晶叶片,在各种缺陷的交织作用下,我国甚至不能铸造出符合发动机设计要求的单晶叶片。

2007年,国内的航空航天技术也进入了新的发展阶段,国家宣布大飞机立项,迫切需要高温合金专业的研究人员。2009年6月,周亦胄正式回到中国科学院金属研究所,在中国科学院“百人计划”项目的支持下开始组建单晶高温合金制造技术实验室,瞄准我国航空航天发动机发展对单晶高温合金制造技术的重大需求,开展单晶高温合金制造技术及缺陷控制的研究工作。

多种单晶叶片从无到有

攻克难题:成功研发中国制造的“皇冠明珠”

2009年,周亦胄从英国伯明翰大学归国,入选中国科学院“百人计划”,来到中国科学院金属研究所开展高温合金研究工作。

航空发动机作为飞行器的核心,被誉为现代工业的“皇冠”。航空发动机中,涡轮叶片由于处于温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位而被列为第一关键件,被誉为“皇冠上的明珠”。

刚刚回国时,面对国内外航空发动机的巨大差距,周亦胄感到痛心的同时,更坚定了他要做点事情的决心。他带领研究团队系统地开展了单晶高温合金叶片凝固缺陷形成机制的基础科学研究。

我国在大飞机制造技术上与西方发达国家仍存在较大差距,重大瓶颈问题就是发动机的推力严重不足。为提高发动机推力,就需要发动机的涡轮叶片具有更高的承温能力。

周亦胄查阅大量国内外文献,在海量的信息中他以敏锐的洞察力和高超的智慧,设计出科学合理的实验方案。实验过程中为了全面、快速地掌握第一手实验结果,他坚持深入一线进行模具设计、蜡模组合、铸造实验、样品制备以及观察分析。在完成实验室研究工作后,他又带领科研团队到发动机叶片制造厂进行更为全面的生产性验证。

因此,国外大推力航空发动机全都采用单晶高温合金叶片。而在我国,由于单晶高温合金叶片制造技术的落后,大推力航空发动机只能采用定向柱晶叶片,从而导致发动机的动力、寿命与可靠性严重不足。显然,单晶高温合金叶片制造技术的突破将成为我国大飞机制造发展的关键。

周亦胄常跟他的团队成员说,“理论必须和实际相结合,只有实际生产中用上了才是有用的材料和技术”,他们根据单晶叶片凝固缺陷的形成机制提出了多项工程上行之有效的凝固缺陷控制措施,并形成了一套单晶叶片规模化制造的全流程控制技术,改变了过去靠经验积累和反复试制的局面。

单晶高温合金叶片制造的技术难题,主要难在哪里?一是单晶叶片的结构非常复杂,内部有精细的风冷通道需要铸造成形,这导致叶片铸造时会出现很多结构性缺陷;二是单晶叶片制造过程中会出现杂晶、小角晶界、取向偏离、再结晶、型壳反应、表面疏松、热裂纹等多种不同类型的冶金缺陷,每种缺陷的产生都可以造成高温合金叶片的报废,导致其合格率很低。

在周亦胄的带领下,研究团队为中航工业、航天科工集团等单位研制出了多种单晶高温合金叶片,解决了多种单晶叶片从无到有的问题。其中标志性的一项成果就是首次采用我国最新型的第二代单晶高温合金DD405成功铸造出了中航工业新型航空发动机中的高压涡轮转子单晶叶片。该叶片在发动机试车考核中表现优越,标志着我国在复杂结构单晶叶片制造技术上取得了重要进展,该项研究成果受到了发动机设计单位的高度评价。

针对这些技术难题,周亦胄带领团队系统开展了杂晶、小角晶界、取向偏离、再结晶、型壳反应、表面疏松、热裂纹等缺陷形成机制的基础研究,他坚持深入一线进行模具设计、蜡模组合、铸造实验、样品制备以及观察分析。完成实验室研究工作后,他又带领科研团队到发动机叶片制造厂进行生产性验证。

妙手巧回春 成果落辽沈

周亦胄团队根据单晶叶片凝固缺陷的形成机制提出了多项工程上行之有效的凝固缺陷控制措施,形成了一套单晶叶片规模化制造的全流程控制技术,成功研制出多种不同类型的单晶叶片,在现有的工业基础条件下实现了单晶叶片制造技术的突破,为中航工业发动机公司、航天科工集团公司等新型发动机的研制提供了叶片保障。

周亦胄指出,高温合金叶片铸造时需要通过浇道与冒口设置来保证叶片中不出现凝固缺陷。铸造后浇道与冒口内的高温合金不允许在航空发动机零部件制造中重复使用,因此高温合金叶片铸造过程中产生出的废料常高达总用料的70%以上。

其中一项标志性成果就是采用我国新型的第二代单晶高温合金DD405成功铸造出了中航工业新型航空发动机中的高压涡轮转子单晶叶片。该叶片在发动机试车考核中表现优越,标志着我国在复杂结构单晶叶片制造技术上取得了重要进展。此外,多项单晶叶片铸造技术还以技术转移的方式推广到了中航工业沈阳黎明航空发动机集团公司,显著促进了我国单晶高温合金叶片铸造技术的进步。

单晶高温合金材料的基体为镍元素,其中含有铼、钌、钽、钨、钼、钴等稀有贵重金属。铼作为一种重要的战略稀缺金属,在世界范围内储量不足1万吨,而我国的保有储量仅为200余吨,价格约为5万元/千克。这使含铼单晶高温合金材料的价格非常昂贵,例如含铼的第二代单晶高温合金价格为300万元/吨,含铼的第三代单晶高温合金价格达到约500万元/吨。如此高昂的材料价格对我国以及美欧俄等国来说都是巨大的经济压力。

变废为宝:实现稀贵金属再生循环利用

目前我国已开始大量采用第二代单晶高温合金制造航空航天发动机单晶叶片,在生产过程中产生出大量含铼高温合金废料。由于缺少相关分离提取技术,使得合金废料中铼、钌、钽、钨、钼、钴等高价值元素只能被当作普通金属材料对待,造成了极大的资源浪费和经济损失。

在高温合金叶片铸造过程中,需要通过浇道与冒口设置来保证叶片中不出现凝固缺陷。由于铸造后浇道与冒口内的高温合金不允许在航空发动机零部件制造中重复使用,因此,高温合金叶片铸造过程中产生出的废料常高达总用料的70%。单晶高温合金材料的基体为镍元素,其中含有铼、钽、钨、钼、钴等多种稀有贵重金属。

为了缓解这种高昂的材料价格给我国航空发动机单晶叶片制造带来的巨大压力,周亦胄提出了从高温合金废料中回收再利用稀贵金属元素的思路,并开始酝酿在金属研究所组建稀贵金属资源再生循环利用实验室。

以铼为例,作为一种重要的战略稀缺金属,铼在世界范围内储量不足1万吨,而我国的保有储量仅为200余吨,价格约为3万元/千克,这使含铼单晶高温合金材料的价格非常昂贵。如:含3wt.%铼的第二代单晶高温合金价格为200万元/吨,含6wt.%铼的第三代单晶高温合金价格达到约300万元/吨。

由于国外封锁这方面的研究成果与技术方案,我国在从高温合金废料中回收稀贵金属方面的积累几乎是零。作为开拓者,采用何种技术路线成为周亦胄组建这个新实验室所面临的最大难题。

目前,我国已开始大量采用第二代单晶高温合金制造航空航天发动机单晶叶片,在生产过程中产生出大量含铼高温合金废料。由于缺少相关分离提取技术,使得合金废料中铼、钽、钨、钼、钴等高价值元素只能被当作镍来对待,造成了极大的资源浪费和经济损失。

为了少走错路与弯路,他不辞辛苦地到全国各地找资源循环利用专家进行讨论,分析各种方法回收处理高温合金废料的可行性。经过反复论证,他最终确定了采用电化学溶解法多步分离提取高温合金废料中稀贵金属元素的技术路线。

针对这一难题,周亦胄进行了深入思考:能否从废料的回收再利用方面寻找突破口,减少巨大的资源浪费和经济损失,实现先进单晶叶片制造的长期可持续发展?由于国外对相关研究成果和技术方案的封锁,要研究高温合金废料中回收稀贵金属的技术,几乎是从零开始。

随后,周亦胄在金属研究所组织起一支具有电化学腐蚀与化学分离提取研究背景的科研队伍,探索了高温合金废料电化学溶解、沉淀分离、萃取分离、离子交换分离、金属化合物重结晶提纯、金属化合物气体还原等环节中的关键科学与技术问题。

周亦胄迎难而上,着手在金属研究所组建稀贵金属资源再生循环利用实验室。为确定技术路线,他奔波于全国各地找资源循环利用专家进行讨论,分析各种回收处理高温合金废料方法的可行性。

经过反复的实验摸索,他与研究团队建立起了从高温合金废料中分离回收稀贵金属元素的技术路线,实现了从高温合金废料中分离回收铼、钌、钽、钨、钼、钴、镍等稀贵金属元素的目标,同时形成了与之配套的高温合金低成本制造技术,该技术可使第二、三代单晶高温合金的制造成本分别降低20%和30%。

经过反复论证,周亦胄最终确定了采用电化学溶解法多步分离提取高温合金废料中稀贵金属元素的技术路线。随后,他组织起一支具有电化学腐蚀与化学分离提取研究背景的科研队伍,探索了高温合金废料电化学溶解、沉淀分离、萃取分离、离子交换分离、金属化合物重结晶提纯、金属化合物气体还原、金属粉末热压烧结等环节中的关键科学与技术问题。

鉴于周亦胄研究员在单晶高温合金及单晶叶片方面卓有成效的研究工作,他在2014年中国科学院“百人计划”终期评估中获得优秀,在2016年入选了“国家中青年科技创新领军人才”。

经过反复实验,周亦胄研究团队建立起了从高温合金废料中分离回收稀贵金属元素的技术路线,实现了从高温合金废料中分离回收铼、钽、钨、钼、钴等稀贵金属元素的目标,填补了国内的技术空白,并形成了与之配套的高温合金低成本制造技术,该技术可使第二、三代单晶高温合金的制造成本显著降低。

谈到取得多项突破性科研成果的成功经验,周亦胄说:“科研工作者必须具备两方面能力:一是要把国家需求和研究方向密切结合,围绕国家需求推动和促进专业领域发展。二是要有不息探索的执着和锲而不舍的精神。一项成功的研究成果背后可能隐藏着上百次甚至上千次的失败,只有锲而不舍的执着精神才能带领我们走出失败,走向成功。”

(原载于《科技日报》 2017-03-10 07版)

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