任忠鳴：與國(guó)際同行“并跑”

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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，國(guó)際磁科學(xué)學(xué)術(shù)委員會(huì)委員，發(fā)表論文近400篇，獲得專利40余項(xiàng)，重要國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議上發(fā)表大會(huì)報(bào)告或主題/特邀報(bào)告30余次。

作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)等的核心主承力部件，高溫合金葉片需要具有高強(qiáng)度、高韌性、抗腐蝕、抗疲勞和抗沖擊的優(yōu)良性能，因?yàn)槠湫螤顝?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(zhǎng)久以來(lái)，該項(xiàng)技術(shù)一直由發(fā)達(dá)國(guó)家壟斷，中國(guó)從20世紀(jì)60年代就著手研發(fā)，但進(jìn)步緩慢。近年來(lái)，上海大學(xué)省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合中國(guó)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(tuán)隊(duì)，在國(guó)家“兩機(jī)”重大專項(xiàng)（航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)重大專項(xiàng)）和中航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司的支持下，終于在這個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了突破，打造出了“中國(guó)產(chǎn)”飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)雙層壁超冷單晶葉片，達(dá)到了發(fā)達(dá)國(guó)家同等技術(shù)水平，完成了“并跑”的目標(biāo)。日前《大飛機(jī)》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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(lái)，一直在冶金領(lǐng)域默默奮斗。1982年，任忠鳴師承我國(guó)著名的鑄造理論專家郭可讱老先生攻讀研究生，開(kāi)始從事液態(tài)金屬澆鑄方面的研究。1994年，任忠鳴來(lái)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(tuán)隊(duì)，在冶金領(lǐng)域深耕不輟。

2005年，國(guó)家啟動(dòng)大飛機(jī)重大專項(xiàng)后，任忠鳴的團(tuán)隊(duì)就瞄準(zhǔn)了“飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片制造”這一高難度的技術(shù)難題。在攻關(guān)過(guò)程中，他們先后攻克了F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)用空心單晶葉片制備、CJ1000航空發(fā)動(dòng)機(jī)用非軸對(duì)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(dòng)機(jī)用定向、單晶葉片制備技術(shù)。

自2013年起，任忠鳴團(tuán)隊(duì)與中國(guó)航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司聯(lián)合開(kāi)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(cè)等技術(shù)難題。最終，任忠鳴團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的重大突破。

“有史以來(lái)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(jì)30年代后期起，英、德、美等國(guó)就開(kāi)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(lái)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(zhǔn)控制含量。

高溫合金材料的打造不是一蹴而就的，需要通過(guò)三個(gè)步驟才能實(shí)現(xiàn)。任忠鳴介紹說(shuō)，第一步是冶煉鑄造過(guò)程，這涉及到凝固結(jié)晶的控制技術(shù)，在鋼鐵的精煉過(guò)程中，各國(guó)積累了大量的經(jīng)驗(yàn)，但是目前最優(yōu)質(zhì)的配方，也只能達(dá)到1150℃的熔點(diǎn)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(guò)，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(diǎn)溫度提高100℃。

最后一個(gè)步驟是冷卻。鮮為人知的是發(fā)動(dòng)機(jī)葉片內(nèi)部是空心的。正因?yàn)槭强招牡模鋮s時(shí)可以采用向葉片內(nèi)部吹氣冷卻的方法。氣體通過(guò)外部的軸和孔道進(jìn)入，從而提高葉片的耐熱溫度。經(jīng)過(guò)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(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)產(chǎn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，還有很長(zhǎng)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(guó)外的專利壁壘，二是成本問(wèn)題。為了繞開(kāi)國(guó)外的專利壁壘，中國(guó)人必須要另辟蹊徑，打造自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)，而且這種技術(shù)必須要考慮到未來(lái)商業(yè)化的成本問(wèn)題。

另外，西方發(fā)達(dá)國(guó)家還在不斷自我超越，美國(guó)科學(xué)家目前已經(jīng)把飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)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(shuō)，我們希望通過(guò)材料基因組計(jì)劃來(lái)加快高溫合金的研發(fā)進(jìn)程，找到更加耐高溫的材料，之前我們進(jìn)行合金實(shí)驗(yàn)基本用的是“炒菜”的方法，不斷試錯(cuò)?，F(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(jì)算方法去改進(jìn)高溫合金的配比。

而用磁場(chǎng)改變合金內(nèi)部的均勻性問(wèn)題，是任忠鳴團(tuán)隊(duì)打造高性能耐高溫合金的另一條路徑，“這個(gè)科學(xué)原理在煉鋼過(guò)程中取得了很大成功，我們希望在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)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(zhǎng)時(shí)間的實(shí)驗(yàn)。比如日本科研機(jī)構(gòu)做飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片材料的拉伸性能研究，他們?cè)谀撤N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(jì)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(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的研發(fā)上是不可能的，我們需要的還是踏實(shí)工作和不斷探索，加倍努力，希望在不遠(yuǎn)的將來(lái)能夠交出一份令全國(guó)人民滿意的答卷?！比沃银Q說(shuō)。