吳苡婷

任忠鳴

上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授

1958年3月出生，博士。上海大學(xué)省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室主任，國際磁科學(xué)學(xué)術(shù)委員會委員，發(fā)表論文近400篇，獲得專利40余項，重要國際學(xué)術(shù)會議上發(fā)表大會報告或主題/特邀報告30余次。

作為航空發(fā)動機和燃氣輪機等的核心主承力部件，高溫合金葉片需要具有高強度、高韌性、抗腐蝕、抗疲勞和抗沖擊的優(yōu)良性能，因為其形狀復(fù)雜、質(zhì)量要求高、制造難度極大，因而也被稱為制造技術(shù)“皇冠上的明珠”。

長久以來，該項技術(shù)一直由發(fā)達國家壟斷，中國從20世紀60年代就著手研發(fā)，但進步緩慢。近年來，上海大學(xué)省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室聯(lián)合中國航發(fā)北京航空材料研究院、華中科技大學(xué)、上海交通大學(xué)、上海電氣中央研究院科研人員組成的科研團隊，在國家“兩機”重大專項（航空發(fā)動機和燃氣輪機重大專項）和中航發(fā)商用航空發(fā)動機公司的支持下，終于在這個領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了突破，打造出了“中國產(chǎn)”飛機發(fā)動機雙層壁超冷單晶葉片，達到了發(fā)達國家同等技術(shù)水平，完成了“并跑”的目標。日前《大飛機》雜志特約記者采訪了上海大學(xué)省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室主任任忠鳴教授。

40年孜孜以求

任忠鳴是文革結(jié)束后的第一屆大學(xué)生，40多年來，一直在冶金領(lǐng)域默默奮斗。1982年，任忠鳴師承我國著名的鑄造理論專家郭可讱老先生攻讀研究生，開始從事液態(tài)金屬澆鑄方面的研究。1994年，任忠鳴來到上海大學(xué)攻讀博士后，之后加入了鋼鐵冶金專家徐匡迪院士的團隊，在冶金領(lǐng)域深耕不輟。

2005年，國家啟動大飛機重大專項后，任忠鳴的團隊就瞄準了“飛機發(fā)動機葉片制造”這一高難度的技術(shù)難題。在攻關(guān)過程中，他們先后攻克了F級燃氣輪機用空心單晶葉片制備、CJ1000航空發(fā)動機用非軸對稱雙聯(lián)單晶空心靜子葉片制備及其一系列渦軸、渦扇發(fā)動機用定向、單晶葉片制備技術(shù)。

自2013年起，任忠鳴團隊與中國航發(fā)商用航空發(fā)動機有限責(zé)任公司聯(lián)合開展單晶雙層壁葉片的制備研究，解決了復(fù)雜陶瓷型芯整體制造、雙層壁單晶葉片定向凝固和葉片質(zhì)量檢測等技術(shù)難題。最終，任忠鳴團隊實現(xiàn)了飛機發(fā)動機葉片的重大突破。

“有史以來最復(fù)雜的合金材料”

耐熱1500℃的性能優(yōu)良的合金材料究竟是如何打造的呢？

從20世紀30年代后期起，英、德、美等國就開始研究高溫合金，這種材料一般是指以鐵、鎳、鈷為基的合金。任忠鳴告訴記者，高溫合金是人類有史以來打造的最復(fù)雜的合金材料，包含了20多種金屬元素，還要精準控制含量。

高溫合金材料的打造不是一蹴而就的，需要通過三個步驟才能實現(xiàn)。任忠鳴介紹說，第一步是冶煉鑄造過程，這涉及到凝固結(jié)晶的控制技術(shù)，在鋼鐵的精煉過程中，各國積累了大量的經(jīng)驗，但是目前最優(yōu)質(zhì)的配方，也只能達到1150℃的熔點溫度。

第二步是要給材料穿上隔熱“衣服”，也就是熱障涂層，這些涂層通常使用陶瓷材料。不過，陶瓷材料雖然可以耐高溫，但是它比較薄，又比較脆，如果用傳統(tǒng)工藝容易產(chǎn)生脫落，目前采用比較多的是火焰噴涂、等離子噴涂、電子束噴涂等方法，使得陶瓷和金屬之間的連接更加牢固，這樣的組合又可以將熔點溫度提高100℃。

最后一個步驟是冷卻。鮮為人知的是發(fā)動機葉片內(nèi)部是空心的。正因為是空心的，冷卻時可以采用向葉片內(nèi)部吹氣冷卻的方法。氣體通過外部的軸和孔道進入，從而提高葉片的耐熱溫度。經(jīng)過這道工序，葉片的耐熱溫度又增加了250℃。

“彎道超車是不可能的”

要打造具有自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)航空發(fā)動機葉片，還有很長的路要走。任忠鳴告訴記者，上述技術(shù)路徑有兩大攔路虎，一是國外的專利壁壘，二是成本問題。為了繞開國外的專利壁壘，中國人必須要另辟蹊徑，打造自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)，而且這種技術(shù)必須要考慮到未來商業(yè)化的成本問題。

另外，西方發(fā)達國家還在不斷自我超越，美國科學(xué)家目前已經(jīng)把飛機發(fā)動機葉片的耐溫能力提高到了1900℃。我們與他們之間又有了新的差距。

2015年4月23日，上海材料基因組工程研究院在上海大學(xué)揭牌。任忠鳴說，我們希望通過材料基因組計劃來加快高溫合金的研發(fā)進程，找到更加耐高溫的材料，之前我們進行合金實驗基本用的是“炒菜”的方法，不斷試錯。現(xiàn)在數(shù)據(jù)模型的方法已經(jīng)在催化劑和功能材料的配比上取得了一些突破，下一步我們也將尋求定量的計算方法去改進高溫合金的配比。

而用磁場改變合金內(nèi)部的均勻性問題，是任忠鳴團隊打造高性能耐高溫合金的另一條路徑，“這個科學(xué)原理在煉鋼過程中取得了很大成功，我們希望在飛機發(fā)動機葉片的打造中，它也能顯示出奇效。”

但是任忠鳴也坦言，材料研究和其他科學(xué)研究還是有不同之處，它需要很長時間的實驗。比如日本科研機構(gòu)做飛機發(fā)動機葉片材料的拉伸性能研究，他們在某種材料上加載荷，保持5年、10年、20年，記錄這些金屬蠕變的特性和規(guī)律，然后再用到設(shè)計和制造中去。這些基礎(chǔ)研究也是我們必須要做的，需要大量科學(xué)家協(xié)同努力，不斷積累原始數(shù)據(jù)。

“彎道超車在飛機發(fā)動機葉片的研發(fā)上是不可能的，我們需要的還是踏實工作和不斷探索，加倍努力，希望在不遠的將來能夠交出一份令全國人民滿意的答卷?！比沃银Q說。