文 徐惠彬

做發(fā)動機(jī)為什么這么難？中國這么大一個(gè)國家靠買別人的飛機(jī)來過日子嗎？要讓發(fā)動機(jī)葉片穿上我們中國人自己做的衣服，使我們做的材料和產(chǎn)品飛在中國的藍(lán)天上。

專家簡介：

徐惠彬，中國工程院院士、金屬材料專家?，F(xiàn)任第十三屆全國政協(xié)教科衛(wèi)體委員會副主任，北京航空航天大學(xué)黨委副書記、校長。兼任國務(wù)院學(xué)位委員會材料科學(xué)與工程評議組召集人、總裝備部先進(jìn)材料技術(shù)專業(yè)組成員。長期從事材料相變的基礎(chǔ)研究及其在特種功能材料中的應(yīng)用研究和人才培養(yǎng)。

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

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

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)論證專家委員會的辦公室主任。這次論證是歷史性的。大飛機(jī)項(xiàng)目要不要上？中國要不要做民用的、商用的大飛機(jī)？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(shí)間，還是很厲害的。

中國為什么要做大飛機(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(jī)買全啊？從今天來看，未來的20年，中國需要多少架大飛機(jī)？就是商用飛機(jī)，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(gè)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(jī)，中國這么一個(gè)大國要靠買別人的飛機(jī)來過日子嗎？不可能！中國要造自己的大飛機(jī)。

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

航空發(fā)動機(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、強(qiáng)國的地位緊密相關(guān)。不論是哪個(gè)國家都把航空發(fā)動機(jī)的技術(shù)列為禁運(yùn)、嚴(yán)禁出口的產(chǎn)品。發(fā)動機(jī)到底誰能制造啊？就是聯(lián)合國的5個(gè)常任理事國。能夠制造完整的航空發(fā)動機(jī)的，只有這5個(gè)國家。

發(fā)動機(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。有人說飛機(jī)是工業(yè)上的皇冠，發(fā)動機(jī)就是皇冠上的明珠。船舶1公斤的價(jià)值如果是1的話，小汽車可能是9，發(fā)動機(jī)是1400，它是船舶1公斤價(jià)值的1400倍。

做發(fā)動機(jī)為什么這么難？

為什么中國長期以來做不出民用發(fā)動機(jī)？發(fā)動機(jī)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(shí)候，連自行車都造不好。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)動機(jī)有幾大難點(diǎn)。

首先發(fā)動機(jī)需要非常高的安全性和可靠性?，F(xiàn)在一臺民用發(fā)動機(jī)要求穩(wěn)定地工作3萬小時(shí)不能出任何故障，將來要超過10萬小時(shí)。其中有兩個(gè)試驗(yàn)是發(fā)動機(jī)必須要做的。第一個(gè)試驗(yàn)叫拋鳥試驗(yàn)。很大的鳥從發(fā)動機(jī)穿過去以后，發(fā)動機(jī)不能出問題。有一年我去英國，因?yàn)橐恢淮篪B撞到飛機(jī)發(fā)動機(jī)里面去了，飛機(jī)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(jī)的風(fēng)扇打開一看，葉片確實(shí)完好無缺，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)動機(jī)里面去，發(fā)動機(jī)葉片要完好無缺，發(fā)動機(jī)如果不行的話，誰敢坐飛機(jī)？在空中肯定有雞蛋大的冰雹下來，吞進(jìn)去，發(fā)動機(jī)不能壞，如果葉片被打碎了，發(fā)動機(jī)著火了，還能飛嗎？這兩項(xiàng)試驗(yàn)證明航空發(fā)動機(jī)要具有高度的安全性和可靠性。

第二，發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速非常高。發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速要達(dá)到10000多轉(zhuǎn)，每分鐘15000～16000的轉(zhuǎn)速，發(fā)動機(jī)如果轉(zhuǎn)動葉片，它承受的離心力相當(dāng)于葉片本身的10000倍。有人說相當(dāng)于掛著幾臺桑塔轎車，而且這個(gè)時(shí)候發(fā)動機(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)動機(jī)的葉片承載著巨大的離心力。

第三，發(fā)動機(jī)的溫度極高?，F(xiàn)在發(fā)動機(jī)的材料絕大多數(shù)都是金屬材料，軍用發(fā)動機(jī)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(jī)的發(fā)動機(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，所有的金屬材料的葉片在發(fā)動機(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，搞空氣動力學(xué)的，都聽說過層流和湍流。發(fā)動機(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級的風(fēng)速。在17級的風(fēng)速下，火焰在里邊要穩(wěn)定地燃燒，這對于搞空氣動力學(xué)的來說也是一個(gè)極限，如果設(shè)計(jì)不好，吹偏了會把旁邊都燒掉了。

發(fā)動機(jī)產(chǎn)品精致到什么程度？

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

發(fā)動機(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)作過一次報(bào)告，說發(fā)動機(jī)的產(chǎn)品非常昂貴。它的整個(gè)重量價(jià)值相當(dāng)于白銀，里邊的發(fā)動機(jī)葉片，價(jià)值相當(dāng)于黃金。這么貴，如果沒有大量的資金投入，發(fā)動機(jī)是不可能研制出來的，這就是為什么一個(gè)國家窮的時(shí)候不可能造發(fā)動機(jī)。

我們講發(fā)動機(jī)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€(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的時(shí)候?qū)Я?，然后吹著工作葉片轉(zhuǎn)動，它是首先接觸火焰的；緊接著就是工作葉片，就是負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)動的，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)膜來保護(hù)它。因?yàn)橛幸粋€(gè)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(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。怎么說呢？首先，因?yàn)榇蠹抑捞沾珊艽啵饘俚臒崤蛎浵禂?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(jī)的工作溫度、渦輪的工作溫度。提高溫度以后對發(fā)動機(jī)有非常大的好處。有人計(jì)算過，發(fā)動機(jī)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(jī)只要提高100℃，這個(gè)發(fā)動機(jī)就是提高了一代。推力增加了，發(fā)動機(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。更不用說軍機(jī)，推力增加了，它的機(jī)動性、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)動機(jī)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(jī)的溫度是最靈的，但是提高溫度對搞材料的人來說是一個(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)度是會降低的。說到比強(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。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(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(jī)設(shè)計(jì)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(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，還不行的話再加熱障涂層。

做出熱障涂層來非常不容易。陶瓷里有一個(gè)概念叫相變增韌，有一點(diǎn)小的相變可以增韌，不會產(chǎn)生很大的裂紋，當(dāng)時(shí)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(jī)體中間有一個(gè)過渡層，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，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。我們做長時(shí)間的熱循環(huán)，就是放爐子里1個(gè)小時(shí)后拿出來一次冷卻，再放進(jìn)去，我們最多做了多少呢？1萬次！或者叫1萬個(gè)小時(shí)的熱循環(huán)，1個(gè)小時(shí)一次。1萬個(gè)小時(shí)大家知道是多長時(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，我們就覺得很自豪，把整個(gè)的材料、結(jié)構(gòu)、工藝、表征、測試、壽命預(yù)測做完以后，能達(dá)到1萬小時(shí)，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(jī)葉片研發(fā)問題。過去上飛機(jī)的時(shí)候，我們簡稱叫赤膊上陣，因?yàn)橹荒芸亢辖鸨旧淼哪蜏啬芰屠鋮s來降溫，沒有衣服穿，只能赤膊上陣。國外發(fā)動機(jī)都是穿著衣服的，我們團(tuán)隊(duì)為中國航空發(fā)動機(jī)解決了第一代熱障涂層問題，使得我們的發(fā)動機(jī)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(fù)合材料是第六代發(fā)動機(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(gè)難題，如果發(fā)動機(jī)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(jī)，也有人說一代材料一代飛機(jī)。所以說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)。