文  徐惠彬

　　今天很荣幸有这么一个机会，我想给大家讲一讲航空发动机的材料。要讲航空发动机的材料，首先要讲航空发动机，要想讲航空发动机，还得从飞机说起。
　　中国的老百姓对于大飞机有一个非常重的情结，有一个大飞机梦。2017年5月5日，C919在上海浦东机场刺破苍穹、翱翔蓝天，这是我们中国制造的商用大飞机首次飞翔在蓝天。无数闪光灯对着这个大飞机，这是令国民激动的一次飞行。
　　大飞机的两次论证都是在北航。2006年第二次论证，我在中间也做了一些贡献。当时我非常荣幸，是大飞机论证专家委员会的办公室主任。这次论证是历史性的。大飞机项目要不要上？中国要不要做民用的、商用的大飞机？专家论证完之后，要做！从2006年论证到2017年首飞，经过了十年多的时间，还是很厉害的。
　　

中国为什么要做大飞机？

　　我在这里举一个例子。根据我们当时的计算，中国人低端产品做衬衫，要加工8亿件才能买一架空中客车A380，得加工多少件衬衫才能把中国的航空飞机买全啊？从今天来看，未来的20年，中国需要多少架大飞机？就是商用飞机，大概需要5000～6000架。花多少钱来买呢？大概需要1万亿美元。这是什么概念呢？可以把空客和波音两个公司按照现在股票市场的市值买4次。
　　我们20年就要花1万亿美元买这些飞机，中国这么一个大国要靠买别人的飞机来过日子吗？不可能！中国要造自己的大飞机。
　　说完大飞机，我们就开始看看发动机。发动机是飞机的心脏。全国人民非常关注的就是两个“心”：一个是芯片；一个是飞机的心脏——发动机。这两个“心”的问题不解决，我们就难以从大国成为强国。造不出来自己的“心脏”，总是长期依赖于国外，这不是一个大国甚至强国所为。而且，发动机是核心技术，是买不来的。
　　航空发动机是一个战略的、高端的、高精尖的技术产品，也跟一个大国、强国的地位紧密相关。不论是哪个国家都把航空发动机的技术列为禁运、严禁出口的产品。发动机到底谁能制造啊？就是联合国的5个常任理事国。能够制造完整的航空发动机的，只有这5个国家。
　　发动机除了是战略资源、核心产品、核心技术之外，它的附加值也特别高。有人说飞机是工业上的皇冠，发动机就是皇冠上的明珠。船舶1公斤的价值如果是1的话，小汽车可能是9，发动机是1400，它是船舶1公斤价值的1400倍。
　　

做发动机为什么这么难？

　　为什么中国长期以来做不出民用发动机？发动机是一切工业最高精尖的质量的集成。中国在刚解放的时候，连自行车都造不好。那个时候咱们的工业基础有多差？怎么在这60年一下子能够追赶上？做发动机有几大难点。
　　首先发动机需要非常高的安全性和可靠性。现在一台民用发动机要求稳定地工作3万小时不能出任何故障，将来要超过10万小时。其中有两个试验是发动机必须要做的。第一个试验叫抛鸟试验。很大的鸟从发动机穿过去以后，发动机不能出问题。有一年我去英国，因为一只大鸟撞到飞机发动机里面去了，飞机就不能起飞，要看看里边的叶片有没有被损伤。最后把发动机的风扇打开一看，叶片确实完好无缺，然后飞机才飞走了。第二个试验就是吞冰试验。1分钟1吨的冰要打到发动机里面去，发动机叶片要完好无缺，发动机如果不行的话，谁敢坐飞机？在空中肯定有鸡蛋大的冰雹下来，吞进去，发动机不能坏，如果叶片被打碎了，发动机着火了，还能飞吗？这两项试验证明航空发动机要具有高度的安全性和可靠性。
　　第二，发动机的转速非常高。发动机的转速要达到10000多转，每分钟15000～16000的转速，发动机如果转动叶片，它承受的离心力相当于叶片本身的10000倍。有人说相当于挂着几台桑塔轿车，而且这个时候发动机的叶片是在极高的温度下运转的。这就是它的第二个难点，发动机的叶片承载着巨大的离心力。
　　第三，发动机的温度极高。现在发动机的材料绝大多数都是金属材料，军用发动机燃烧室的工作温度已经超过了2000K，K跟℃相比差了273℃，民用机的发动机燃烧室的温度也要达到1800K～1900K。大家知道我们用的金属材料，特别是镍基高温合金，它的初熔点大概也就在1300多℃，加上273℃，也不到1600K。所以说，所有的金属材料的叶片在发动机燃烧室里边是处于熔化状态的，而且它还要挂着10000倍的离心力。
　　第四，搞空气动力学的，都听说过层流和湍流。发动机飞得很高，前面有风扇、压气机把风吹到燃烧室，相当于17级的风速。在17级的风速下，火焰在里边要稳定地燃烧，这对于搞空气动力学的来说也是一个极限，如果设计不好，吹偏了会把旁边都烧掉了。
　　

发动机产品精致到什么程度？

　　它就是一件工艺品，由上万个零件组成。加工精度要达到微米级，甚至有些个别的部件要达到纳米级。
　　发动机非常昂贵。刘大响院士是北京航空航天大学的毕业生，他曾经作过一次报告，说发动机的产品非常昂贵。它的整个重量价值相当于白银，里边的发动机叶片，价值相当于黄金。这么贵，如果没有大量的资金投入，发动机是不可能研制出来的，这就是为什么一个国家穷的时候不可能造发动机。
　　我们讲发动机最核心的核心就是“一盘两片”。“盘”就是涡轮盘，涡轮盘就是把工作叶片插上以后带动它转动的。“两片”一个是导向叶片，一个是工作叶片。导向叶片就是在火焰冲出来的时候导流，然后吹着工作叶片转动，它是首先接触火焰的；紧接着就是工作叶片，就是负责转动的，这是最难攻克的，也是我们这个团队下面要做的工作。
　　发动机的叶片工作温度已经远远超出了合金的熔点，怎么让它不熔化？其中需要几大技术。第一，需要冷却。中间把它做成空心的，把冷空气吹进去冷却它。在外边形成一个保护膜来保护它。因为有一个温度梯度在里边，表面的温度会降很多。第二，让合金的承温能力继续提高。第三，穿上一层衣服。穿了什么衣服呢？这就是我们团队做得很得意的工作，它是一个热障涂层，叫Thermal Barrier Coating，就是TBC，隔热的。
　　把陶瓷衣服涂上去，难点大了。怎么说呢？首先，因为大家知道陶瓷很脆，金属的热膨胀系数很大。如果金属膨胀，陶瓷没有热膨胀或者膨胀很小，一下就崩掉了，所以要想穿上这层衣服非常难。
　　所有这一切的原因都是要增加航空发动机的工作温度、涡轮的工作温度。提高温度以后对发动机有非常大的好处。有人计算过，发动机里边每提高100℃，它的推力就会增加8%～10%。也有人说航空发动机只要提高100℃，这个发动机就是提高了一代。推力增加了，发动机加上飞机的起飞升力就增加，在同样情况下，每增加10%推力，就可以增加10%的载客量，能从300人增加到330人，经济效益好。更不用说军机，推力增加了，它的机动性、作战性才能更大，才能实现超音速巡航，才能追得上别人的飞机。发动机的温度决定了它的推力。现在用其他的方法都不太好使，只有提高发动机的温度是最灵的，但是提高温度对搞材料的人来说是一个巨大的难点。
　

三项技术一个都不能少

　　我们要怎样攻克这“两片”？为什么“两片”这么难？它是发动机压力最高、温度最高的两个地方。要想攻克这件事，3项技术一个都不能少：冷却、合金的温度和涂层。解剖航空发动机的材料，它用了哪些材料呢？蓝色的是钛合金，红色的是镍基合金，黄色的是主轴，轴承用的是钢，然后用了少量的铝和复合材料——90%以上都是用的金属材料。
　　金属材料有一个特点，它在温度高的情况下强度大幅度降低，要是打铁锻造烧红了就可以打出一个扁铲。在高温下钢铁材料变得很软，这是一种锻造成型，因为高温下它的强度是会降低的。说到比强度这个概念，钛合金在室温下的比强度是最高的，镍基合金其次，钢和铝合金差不多。但是随着温度的增加，很快钛合金的比强度就衰减了。镍基合金比强度虽然不高，但是它撑得温度比较高，撑得时间也比较长。这就是为什么我们现在做的涡轮叶片合金都是镍基高温合金，而不是用钛合金。
　　科学家们想办法。第一，最开始做叶片是用铸造的方法做成等轴晶。多晶粒放大了以后，它由很多晶粒组成。在高温下由于它的晶界原子排列是混乱的，从熵的角度来说它就是不稳定的，温度一高，晶界开始软化，这时候有一个巨大的离心力，晶界就碎了。
　　第二，做出定向实验。所有的晶粒往一个方向，它虽然有晶界，但是它的晶界都是竖着的，有离心力的时候不要紧。但是横向不行，只要有横向力它从晶界就断开了。
　　第三，做成单晶体。现在做的都是单晶，这还不够。发动机设计师说不行，温度还得提高来增加推力。怎么办？做成空心的。师昌绪先生当时做的是九小孔，现在孔可多了，90或900的孔很多，单通道不行就做多通道，就为了让它到处都能冷却，还不行的话再加热障涂层。
　　做出热障涂层来非常不容易。陶瓷里有一个概念叫相变增韧，有一点小的相变可以增韧，不会产生很大的裂纹，当时我们解决了材料的问题——YSZ。结构上，我们发明了一种新结构，这是从陶瓷到机体中间有一个过渡层，我们叫粘结层。这个总是掉，粘不住。怎么回事呢？我们感觉合金的成分前与后差距太大，所以我们把粘结层做成梯度的，我们叫GBTBC，梯度的粘结层，这是结构上的一个新发明。
　　还有一点也是挺有意思的，这个涂层有受面，做不好。最惨的就是从那个炉子里拿出来，陶瓷片都崩掉了，或者在炉子里热循环，看烧多少个小时能掉，结果几个小时全掉了。我们做长时间的热循环，就是放炉子里1个小时后拿出来一次冷却，再放进去，我们最多做了多少呢？1万次！或者叫1万个小时的热循环，1个小时一次。1万个小时大家知道是多长时间吗？一年多，不休息，炉子不能休息，人得看着三班倒。一天24小时乘以365，是8000多小时。所以我们做一次实验要做1万小时，一年多的时间。冬天还挺好，夏天的时候北京也够热的。我们的小实验室就在4号楼的后面，一个小平房，在那里搭了一个炉子。夏天真是热，但是我们也高兴，只要叶片涂层不掉，我们就觉得很自豪，把整个的材料、结构、工艺、表征、测试、寿命预测做完以后，能达到1万小时，我们特别开心。
　　我们解决了什么？最重要的是，解决了中国的航空发动机叶片研发问题。过去上飞机的时候，我们简称叫赤膊上阵，因为只能靠合金本身的耐温能力和冷却来降温，没有衣服穿，只能赤膊上阵。国外发动机都是穿着衣服的，我们团队为中国航空发动机解决了第一代热障涂层问题，使得我们的发动机的叶片穿上了中国人自己做的衣服。
　　未来10年之后，陶瓷基的复合材料是第六代发动机可以考虑的。再往下看还有一种材料，就是碳碳复合材料，就是carbon fibre。大家知道陶瓷也好、碳也好，特别是碳，它虽然高温的时候不软化、比强度高，但是最致命的一个问题——除了韧性差，碳碳和陶瓷都有问题，但是碳碳问题更大——它的抗氧化能力极差，放到炉子里就着了。现在我自己感觉还没有更好的办法，全世界都解决不了这个难题，如果发动机温度继续提高，肯定需要新材料。有人说一代材料一代发动机，也有人说一代材料一代飞机。所以说做材料的人非常重要，关注一个点，把基础的突破了，能做一个点上的贡献，也是贡献。

专家简介：

　　徐惠彬，中国工程院院士、金属材料专家。现任第十三届全国政协教科卫体委员会副主任，北京航空航天大学党委副书记、校长。兼任国务院学位委员会材料科学与工程评议组召集人、总装备部先进材料技术专业组成员。长期从事材料相变的基础研究及其在特种功能材料中的应用研究和人才培养。