以自主創(chuàng)新為帆 用執(zhí)著信念劃槳

賈海琴

2016年8月以來，我國國產(chǎn)大飛機“三劍客”（分別是用來做軍用運輸?shù)倪\-20、用來載客的C919和水陸兩棲飛機AG600，因用途和功能不同被稱為三劍客。）全面亮相，進入收獲期，不僅表明我國大型航空裝備產(chǎn)業(yè)邁入系列化、專業(yè)化發(fā)展階段，也標志著中國自主創(chuàng)新正朝著更高、更強、更遠的方向“上天入?！?。大飛機項目作為我國科技與經(jīng)濟實力發(fā)展到一定階段后的強國之路，是中國將以國家意志來發(fā)展航空事業(yè)的體現(xiàn)。但是與西方發(fā)達國家相比，我國在大飛機與先進作戰(zhàn)飛機的制造技術(shù)上仍存在較大差距，一個重大的瓶頸問題就是我國航空發(fā)動機的推力嚴重不足。為了提高發(fā)動機的推力，需要增大發(fā)動機的渦輪前進口溫度，這就需要發(fā)動機的渦輪葉片具有更高的承溫能力，因此國外大推力的航空發(fā)動機全都采用了單晶高溫合金葉片。而在我國由于單晶高溫合金葉片制備技術(shù)的相對落后，大推力航空發(fā)動機仍然只能采用定向柱晶葉片，這導(dǎo)致發(fā)動機的動力、壽命與可靠性嚴重不足。顯然，如果不能實現(xiàn)單晶高溫合金葉片制備技術(shù)的突破，我國將難以發(fā)展推力更高的下一代航空發(fā)動機。中國科學(xué)院金屬研究所研究員周亦胄博士，在此緊要關(guān)頭，主動請纓，承擔(dān)起了單晶高溫合金葉片的研究和制備重擔(dān)，希望能夠讓擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的大飛機飛得更高更遠。

追根溯源，打破技術(shù)瓶頸

周亦胄博士總結(jié)發(fā)現(xiàn)，單晶葉片的制造難度來源于兩方面，一是因為單晶葉片的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，內(nèi)部有精細的風(fēng)冷通道需要鑄造成形，這導(dǎo)致葉片鑄造時會出現(xiàn)很多結(jié)構(gòu)性缺陷；第二個原因是單晶葉片制造過程中會出現(xiàn)雜晶、小角晶界、取向偏離、再結(jié)晶、型殼反應(yīng)、表面疏松、熱裂紋等多種不同類型的冶金缺陷，每一種缺陷的產(chǎn)生都可以造成葉片鑄件的報廢，因此需要嚴格控制這些缺陷的形成。對于冶金缺陷，他認為首先需要知道其形成機制，然后才能明確解決問題的方向。

于是，他帶領(lǐng)課題組系統(tǒng)開展了雜晶、小角晶界、取向偏離、再結(jié)晶、型殼反應(yīng)、表面疏松、熱裂紋等冶金缺陷形成機制的基礎(chǔ)研究，然后根據(jù)這些缺陷的形成機制提出了工程上行之有效的控制措施。其中一個例子是小角晶界這種缺陷嚴重地影響著單晶葉片的合格率與使用性能，在其形成機制不明確時，通常認為只有購買國外價格昂貴的先進定向凝固設(shè)備，提高定向凝固過程中的溫度梯度才能夠解決這一問題。但是在他們通過基礎(chǔ)研究探明了小角晶界的形成機制后，發(fā)現(xiàn)溫度梯度只是整個問題中的一個因素，其作用是通過影響另一個因素（即晶體的取向偏離度）而體現(xiàn)出來。在采用其它技術(shù)手段對晶體的取向偏離度實施控制后，他們在沒有國外先進定向凝固爐設(shè)備的條件下也有效降低了小角晶界的形成頻率，提高了單晶葉片的合格率。

多年來，周亦胄的研究團隊正是通過這種基礎(chǔ)研究與工程化應(yīng)用的有機結(jié)合，在我國現(xiàn)有的工業(yè)基礎(chǔ)條件下實現(xiàn)了單晶葉片制備技術(shù)的重大突破，成功研制出多種不同類型的單晶葉片，為中航工業(yè)發(fā)動機公司以及航天科工集團多個新型發(fā)動機的研制提供了葉片保障。其中標志性的一項成果就是首次采用我國最新型的第二代單晶高溫合金成功制備出了中航工業(yè)某新型發(fā)動機中的單晶高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片。該葉片在試車考核中表現(xiàn)優(yōu)越，標志著我國在復(fù)雜結(jié)構(gòu)單晶葉片的制造技術(shù)上取得了突破性進展。此外，他們研發(fā)出的多項單晶葉片鑄造技術(shù)還以技術(shù)轉(zhuǎn)移的方式推廣到了中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機集團公司，顯著地促進了我國單晶高溫合金葉片鑄造技術(shù)的進步。

鑒于周亦胄博士在單晶高溫合金制備與缺陷控制方面取得的技術(shù)突破，中航工業(yè)發(fā)動機公司、航天科工集團和航天科技集團把很多新型的單晶高溫合金部件研制任務(wù)交給了他們實驗室，多個國家部委也給予了多個項目支持。他個人在2014年中國科學(xué)院“百人計劃”終期評估中獲得優(yōu)秀，在2016年入選“國家中青年科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才”，同時還獲得遼寧省“百千萬人才工程”百人層次人才以及遼寧省直屬機關(guān)“五一獎?wù)隆钡葮s譽。

矢志創(chuàng)新，助力創(chuàng)新強國之夢

周亦胄博士介紹說，單晶高溫合金材料的基體為鎳元素，其中含有錸、鉭、鎢、鉬、鈷等稀有貴重金屬。錸作為一種重要的戰(zhàn)略稀缺金屬，在世界范圍內(nèi)儲量不足1萬噸，而我國的保有儲量僅為300噸，價格約為5萬元/千克。這使含錸單晶高溫合金材料的價格非常昂貴，例如含3 wt.%錸的第二代單晶高溫合金價格約300萬元/噸，含6 wt.%錸的第三代單晶高溫合金價格約500萬元/噸。如此高昂的材料價格對我國以及美歐俄等國來說都是巨大的經(jīng)濟壓力。同時，在單晶葉片鑄造過程中會產(chǎn)生出大量高溫合金廢料。由于缺少相關(guān)分離提取技術(shù)，使得含錸高溫合金廢料中錸、鉭、鎢、鉬、鈷等高價值元素只能被當(dāng)作鎳對待，造成了極大的資源浪費和經(jīng)濟損失。

為了緩解這種高昂的材料價格給我國航空發(fā)動機單晶葉片制造帶來的巨大壓力，周亦胄博士提出了從高溫合金廢料中回收再利用稀貴金屬的思路。但由于國外的技術(shù)封鎖和經(jīng)驗不足，他只能到全國各地找資源循環(huán)利用專家進行討論，并最終確定采用電化學(xué)溶解法多步分離提取高溫合金廢料中稀貴金屬元素的技術(shù)路線。經(jīng)過反復(fù)的實驗摸索，他與研究團隊建立起了從高溫合金廢料中分離回收稀貴金屬元素的技術(shù)路線，實現(xiàn)了從高溫合金廢料中分離回收錸、鉭、鎢、鉬、鈷等稀貴金屬元素的目標，同時形成了與之配套的高溫合金低成本制造技術(shù)，該技術(shù)可使第二、三代單晶高溫合金的制造成本分別降低20%和30%。

同時，周亦胄博士還牽頭成立了沈陽市稀貴金屬再生循環(huán)利用工程技術(shù)研究中心，為沈陽市的汽車、電子、能源等行業(yè)提供從廢棄物中獲取稀貴金屬資源的相關(guān)技術(shù)和服務(wù)，為推動遼寧地方經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮了重要作用。

中學(xué)時代，周亦胄最喜愛的一部電視劇是《中國神火》，每次熒屏上出現(xiàn)中國火箭與導(dǎo)彈升空的畫面，他都心潮澎湃無比自豪。當(dāng)時，他最大的夢想就是成為一名從事航空航天事業(yè)的科技工作者。今天，他的夢想實現(xiàn)了，但他將繼續(xù)奮戰(zhàn)在科研第一線，永矢弗諼中國夢。