以自主创新为帆 用执着信念划桨

贾海琴

2016年8月以来，我国国产大飞机“三剑客”（分别是用来做军用运输的运-20、用来载客的C919和水陆两栖飞机AG600，因用途和功能不同被称为三剑客。）全面亮相，进入收获期，不仅表明我国大型航空装备产业迈入系列化、专业化发展阶段，也标志着中国自主创新正朝着更高、更强、更远的方向“上天入海”。大飞机项目作为我国科技与经济实力发展到一定阶段后的强国之路，是中国将以国家意志来发展航空事业的体现。但是与西方发达国家相比，我国在大飞机与先进作战飞机的制造技术上仍存在较大差距，一个重大的瓶颈问题就是我国航空发动机的推力严重不足。为了提高发动机的推力，需要增大发动机的涡轮前进口温度，这就需要发动机的涡轮叶片具有更高的承温能力，因此国外大推力的航空发动机全都采用了单晶高温合金叶片。而在我国由于单晶高温合金叶片制备技术的相对落后，大推力航空发动机仍然只能采用定向柱晶叶片，这导致发动机的动力、寿命与可靠性严重不足。显然，如果不能实现单晶高温合金叶片制备技术的突破，我国将难以发展推力更高的下一代航空发动机。中国科学院金属研究所研究员周亦胄博士，在此紧要关头，主动请缨，承担起了单晶高温合金叶片的研究和制备重担，希望能够让拥有自主知识产权的大飞机飞得更高更远。

追根溯源，打破技术瓶颈

周亦胄博士总结发现，单晶叶片的制造难度来源于两方面，一是因为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；第二个原因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，每一种缺陷的产生都可以造成叶片铸件的报废，因此需要严格控制这些缺陷的形成。对于冶金缺陷，他认为首先需要知道其形成机制，然后才能明确解决问题的方向。

于是，他带领课题组系统开展了杂晶、小角晶界、取向偏离、再结晶、型壳反应、表面疏松、热裂纹等冶金缺陷形成机制的基础研究，然后根据这些缺陷的形成机制提出了工程上行之有效的控制措施。其中一个例子是小角晶界这种缺陷严重地影响着单晶叶片的合格率与使用性能，在其形成机制不明确时，通常认为只有购买国外价格昂贵的先进定向凝固设备，提高定向凝固过程中的温度梯度才能够解决这一问题。但是在他们通过基础研究探明了小角晶界的形成机制后，发现温度梯度只是整个问题中的一个因素，其作用是通过影响另一个因素（即晶体的取向偏离度）而体现出来。在采用其它技术手段对晶体的取向偏离度实施控制后，他们在没有国外先进定向凝固炉设备的条件下也有效降低了小角晶界的形成频率，提高了单晶叶片的合格率。

多年来，周亦胄的研究团队正是通过这种基础研究与工程化应用的有机结合，在我国现有的工业基础条件下实现了单晶叶片制备技术的重大突破，成功研制出多种不同类型的单晶叶片，为中航工业发动机公司以及航天科工集团多个新型发动机的研制提供了叶片保障。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成功制备出了中航工业某新型发动机中的单晶高压涡轮转子叶片。该叶片在试车考核中表现优越，标志着我国在复杂结构单晶叶片的制造技术上取得了突破性进展。此外，他们研发出的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，显著地促进了我国单晶高温合金叶片铸造技术的进步。

鉴于周亦胄博士在单晶高温合金制备与缺陷控制方面取得的技术突破，中航工业发动机公司、航天科工集团和航天科技集团把很多新型的单晶高温合金部件研制任务交给了他们实验室，多个国家部委也给予了多个项目支持。他个人在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“国家中青年科技创新领军人才”，同时还获得辽宁省“百千万人才工程”百人层次人才以及辽宁省直属机关“五一奖章”等荣誉。

矢志创新，助力创新强国之梦

周亦胄博士介绍说，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300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3 wt.%铼的第二代单晶高温合金价格约300万元/吨，含6 wt.%铼的第三代单晶高温合金价格约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。同时，在单晶叶片铸造过程中会产生出大量高温合金废料。由于缺少相关分离提取技术，使得含铼高温合金废料中铼、钽、钨、钼、钴等高价值元素只能被当作镍对待，造成了极大的资源浪费和经济损失。

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，周亦胄博士提出了从高温合金废料中回收再利用稀贵金属的思路。但由于国外的技术封锁和经验不足，他只能到全国各地找资源循环利用专家进行讨论，并最终确定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。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、钽、钨、钼、钴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、三代單晶高温合金的制造成本分别降低20%和30%。

同时，周亦胄博士还牵头成立了沈阳市稀贵金属再生循环利用工程技术研究中心，为沈阳市的汽车、电子、能源等行业提供从废弃物中获取稀贵金属资源的相关技术和服务，为推动辽宁地方经济的可持续发展发挥了重要作用。

中学时代，周亦胄最喜爱的一部电视剧是《中国神火》，每次荧屏上出现中国火箭与导弹升空的画面，他都心潮澎湃无比自豪。当时，他最大的梦想就是成为一名从事航空航天事业的科技工作者。今天，他的梦想实现了，但他将继续奋战在科研第一线，永矢弗谖中国梦。