打造中國航空發動機葉片“金鍾罩”
主講嘉賓：徐惠彬 北京航空航天大學校長、中國工程院院士
讓中國飛機發動機穿上自己做的衣服
【導視】做發動機為什麽這麽難？中國這麽大一個國家靠買別人的飛機來過日子嗎？要讓發動機葉片穿上我們中國人自己做的衣服，使我們做的材料和産品飛在中國的藍天上。
徐惠彬：今天很榮幸有這麽一個機會，我想給大家講一講航空發動機的材料。要講航空發動機的材料，首先講講航空發動機，要想講航空發動機，還得從飛機說起。
中國的老百姓對于大飛機有一個非常重的情結，有一個大飛機夢。這張圖片是2017年5月5日，C919在上海的浦東機場刺破蒼穹、翺翔藍天，這是咱們中國制造的商用大飛機首次飛翔在藍天。大家再看下一個屏幕，多少鏡頭、多少閃光燈對著咱們這個大飛機，這是令國民激動的一次飛行。
大飛機的兩次論證都是在北航。2006年第二次論證，我在中間也做了一些貢獻。當時非常榮幸，是大飛機論證專家委員會的辦公室主任。這次論證我覺得是曆史性的。第一，大飛機項目要不要上，中國要不要做民用的、商用的大飛機？專家論證完之後，要做。從2006年論證到2017年，經過了差不多十年多的時間飛起來了，還是很厲害的。
中國為什麽要做大飛機？我這裏舉了一個例子。根據我們當時的計算，咱們中國人低端産品做襯衫，要加工8億件才能買一架空中客車A380，得加工多少件襯衫才能把中國的航空飛機買全啊？從今天來看，未來的20年中國需要多少架大飛機，就是商用飛機？大概需要5000到6000架，花多少錢來買呢？大概需要一萬億美元。這是什麽概念呢？可以把空客和波音兩個公司按照現在股票市場的市值買四次。
說完大飛機，我們就開始看看發動機。發動機是飛機的心臟。全國人民非常關注的就是兩個“心”：一個是芯片；一個是飛機的發動機——心臟。這兩個“心”的問題不解決，我們就難以從大國成為強國。造不出來自己的“心臟”，總是長期依賴于國外，這個不是一個強國甚至大國所為。而且，從飛機講到了發動機是核心的技術，是買不來的。
航空發動機是一個戰略的、高端的、高精尖的技術産品，也跟一個大國、強國的地位緊密相關。不論是哪個國家都把航空發動機的技術列為禁運、嚴禁出口的産品。發動機到底誰能制造啊？就是聯合國的五個常任理事國。能夠制造完整的航空發動機的，只有這五個國家。
發動機除了是一個戰略資源、核心産品、核心技術之外，它的附加值特別高。有人說飛機是工業上的皇冠，發動機就是皇冠上的明珠。這個圖顯示出來的價值，最高的就是發動機。船舶一公斤的價值如果是1的話，中間小汽車可能是9，最高的發動機是1400，它是船舶一公斤價值的1400倍。
【北京航空航天博物館場景】
徐惠彬：這個是咱們的北京一號，在很多片子上都能看到。這是咱們1958年，現在應該是60年了，1958年到2018年。北航當年號稱是把畢業論文直接寫在飛機上。我覺得，這是咱北航的精神。
徐惠彬：做發動機為什麽這麽難？為什麽中國長期以來做不出來民用發動機？發動機是一切工業最高精尖的質量的集成。中國在剛解放的時候，連自行車都造不好。那個時候咱們的工業基礎有多差？怎麽就在這60年一下子能夠追趕上？還有幾大難點。
第一個實驗叫抛鳥試驗。很大的鳥從發動機穿過去以後，發動機不能怎麽樣。有一年我去英國，因為一只大鳥撞到飛機發動機裏面去了，飛機就先不能起飛，要看看裏邊的葉片有沒有被損傷。最後把發動機的風扇打開，確實完好無缺，然後飛機才飛走了，還是這台發動機。第二個實驗就是吞冰實驗。一分鍾一噸的冰要打到發動機裏面去，發動機葉片要完好無缺，發動機如果不行的話，誰敢坐飛機？在空中肯定有雞蛋大的冰雹下來，吞進去，發動機不能壞了，葉片打碎了，發動機著火了，還能飛嗎？這兩項實驗證明航空發動機要具有高度的安全性和可靠性。
第二，發動機的轉速非常高。發動機的轉速要達到10000多轉，每分鍾15000-16000的轉速，發動機如果轉動葉片，它承受的離心力相當于葉片本身的10000倍。有人說相當于挂著幾台桑塔納，而且這個時候發動機的葉片是在極高的溫度下運轉的。這就是它的第二個難點，發動機的葉片承載著巨大的離心力。
第三，發動機的溫度極高。現在發動機的材料絕大多數都是金屬材料，軍用發動機燃燒室的工作溫度已經超過了2000K，K跟℃相比差了273度，民用機的發動機燃燒室的溫度也要達到1800K-1900K。大家知道我們用的金屬材料，特別是一會兒後邊還要講鎳基高溫合金，它的初熔點大概也就在1300多度，加上273，也不到1600K。所以說，所有的金屬材料的葉片在發動機燃燒室裏邊是處于熔化狀態的，而且它還要挂著10000倍的離心力。
第四，搞空氣動力學的，都聽說過層流和湍流。發動機飛得很高，前面有風扇、壓氣機把風吹到燃燒室，相當于17級的風速。這個時候的火焰在裏邊要穩定地燃燒，在17級的風速下，這對于搞空氣動力學的也是一個極限，如果設計不好，吹偏了把旁邊都燒掉了。
大家看看這個圖，看看發動機的産品有多麽精致。它確實是一件工藝品，由上萬個零件組成的。加工精度要達到微米級，甚至有些個別的部件要達到納米級。
另外發動機非常昂貴，劉大響院士是北航的畢業生，他曾經講過一次報告，他說發動機的産品非常昂貴。它的整個重量價值相當于白銀，裏邊的發動機的葉片，它的價值相當于黃金。這麽貴，如果沒有一個大量的資金投入，發動機是不可能研制出來的，這就是為什麽一個國家窮的時候不可能造發動機。
發動機的葉片工作溫度已經遠遠超出了合金的熔點，那麽需要幾大技術，怎麽讓它不熔化？第一，需要冷卻。中間把它做成空心的，把冷空氣吹進去冷卻它。在外邊形成一個保護膜來保護它。因為有一個溫度梯度在裏邊，表面的溫度會降很多。第二，讓合金的承溫能力繼續提高。第三，穿上一層衣服。剛才看到的深色的葉片，就是沒有穿衣服的葉片——合金。白的葉片就是穿了一層衣服的葉片，穿了什麽衣服呢？這就是我們團隊做得很得意的工作，它是一個熱障塗層，叫Thermal Barrier Coating，就是TBC，隔熱的。
這個陶瓷衣服塗上去，難點大了。怎麽說呢？首先，因為大家知道陶瓷很脆，金屬的熱膨脹系數很大。如果金屬膨脹，陶瓷沒有熱膨脹或者膨脹很小，一下就崩掉了，所以要想穿上這層衣服非常難。
所有這一切的原因都是要增加航空發動機的工作溫度、渦輪的工作溫度。提高了溫度以後對發動機有非常大的好處。有人計算過，發動機裏邊每提高100度，它的推力就會增加8%到10%。也有人說航空發動機只要提高100度，這個發動機就是提高了一代。推力增加了，發動機加上飛機的起飛升力就增加，在同樣情況下，每增加10%推力，就可以增加10%的載客量，能從300人增加到330人，經濟效益好。更不用說軍機，推力增加了，它的機動性、作戰性才能更大，才能實現超音速巡航，才能追得上別人的飛機。這個常識大家也都知道，發動機的溫度決定了它的推力。現在用其他的方法都不太好使，只有提高發動機的溫度是最靈的，但是提高溫度對搞材料的人來說是一個巨大的難點。
從這張圖可以看到，它是發動機壓力最高、溫度最高的兩個地方。要想攻克這件事，三項技術一個都不能少，冷卻、合金的溫度和塗層。解剖航空發動機的材料，它用了哪些材料呢？絕大部分大家看到，藍色的是钛合金，紅色的是鎳基合金，然後黃色的是主軸，軸承用的是鋼，然後用了少量的鋁和複合材料，90%以上都是用的金屬材料。
金屬材料有一個特點，它在溫度高的情況下強度大幅度降低，要是打鐵鍛造燒紅了就可以打出一個扁鏟。在高溫下鋼鐵材料變得很軟，這是一種鍛造成型，因為高溫下它的強度是會降低的。咱們說這個比強度，Specific Strength。比強度應該說钛合金是在室溫下最高的，鎳基合金其次，鋼和鋁合金差不多。但是钛合金隨著溫度的增加，很快它的強度就衰減了。鎳基合金比強度雖然不高，但是它撐得溫度比較高，撐得時間也比較長，這個紅色線就是鎳基高溫合金。這就是為什麽我們現在做的渦輪葉片合金都是鎳基高溫合金，而不能用钛合金。
科學家們想辦法。第一，大家知道，葉片最開始做是用鑄造的方法做成是等軸晶。多晶粒放大了以後，它由很多的晶粒組成。在高溫下由于它的晶界原子排列是混亂的，從熵的角度來說它就是不穩定的，溫度一高，晶界開始軟化，這時候有一個巨大的離心力，晶界就碎了。
第二，科學家做出定向實驗，所有的晶粒往一個方向，它雖然有晶界，但是它晶界都是豎著的，有離心力的時候不要緊。但是橫向不行，只要有橫向力它從晶界就斷開了。
第三，做成單晶體。想了很多辦法，現在做的都是單晶。這還不夠，溫度還在提高。發動機設計師說不行，溫度還得提高增加推力。怎麽辦？空心的。就是師昌緒先生做的當時是九小孔，現在孔可多了，90、900的孔很多，單通道不行就做多通道，為了讓它到處都能冷卻，還不行的話加熱障塗層。
做出來熱障塗層非常不容易。陶瓷裏有一個概念叫相變增韌，有一點小的相變可以增韌，不會産生很大的裂紋，當時我們解決了材料的問題，YSZ。結構上，我們發明了一種新結構，這是從陶瓷到機體中間有一個過渡層，我們叫粘結層。這個總是掉，粘不住。怎麽回事呢？我們感覺合金的成分前與後差距太大，所以我們把粘結層做成梯度的，我們叫GBTBC，梯度的粘結層，這是結構上有一個新的發明。
我們解決了什麽？我們最重要的是，解決了我們中國的航空發動機葉片。過去上飛機的時候，我們簡稱叫赤膊上陣，因為只能靠合金本身的耐溫能力和冷卻來降溫，沒有衣服穿，只能赤膊上陣。國外發動機都是穿著衣服的，我們團隊為中國航空發動機解決了第一代熱障塗層問題，使得我們的發動機的葉片穿上了中國人自己做的衣服。
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提問：我想問一下材料相關的問題，首先想請您介紹一下航空材料未來的發展趨勢，還有就是怎麽能更好地為航空航天、為國家和國防事業做出更多貢獻？
徐惠彬：未來十年之後陶瓷基的複合材料，應該說是第六代發動機可以考慮的。再往下看還有一種材料，就是碳碳複合材料，就是carbon fibre。大家知道陶瓷也好、碳也好，特別是碳，它雖然高溫的時候不軟化、比強度高，但是最致命的一個問題——除了韌性差，碳碳和陶瓷都有問題，但是碳碳問題更大——就是說它的抗氧化能力極差，放到爐子裏就著了。現在我自己感覺還沒有更好的辦法，全世界都解決不了這個難題，如果發動機溫度繼續提高，肯定需要新材料。有人說一代材料一代發動機，也有人說一代材料一代飛機。所以說我們做材料的人非常重要，關注一點，把基礎的突破了，能做一點上的貢獻，也是貢獻。
【導視】第一代熱障塗層是追上來的，是跟跑。第二代熱障塗層我們從跟跑到了並跑。空天報國，一代一代傳承下來，用我們的航空夢來助力中國夢。
徐惠彬：我們把中國的第一代熱障塗層問題解決，得到了國家第一個航空發動機葉片熱障塗層的國家技術發明二等獎，這是國家給我們的榮譽。2006年到前年又十年過去了，我們又做了什麽呢？大家注意看中間有一個人。這個大的設備，這台設備是誰設計的？這就是剛才那個年輕人叫宮聲凱。宮聲凱站起來給大家亮個相。
我們為什麽要自己做設備？全世界在我們之前只有兩個國家能做設備，一個是烏克蘭，還有一個是德國。烏克蘭的設備要150萬美元到200萬美元，德國的設備要1000萬美元以上，我們也買不起。這個設備做完了之後，我們還不到一千萬人民幣，而且它為我們國家的新一代發動機做了至少三大貢獻。
過去我們做的第一代葉片塗層只能在導向葉片上做，轉子葉片做上去以後壽命太低。用我們自己生産的設備在工作葉片上、轉子葉片上實現了熱障塗層的完美制備，導向葉片壽命提高了一倍。還有一點，就是我們現在做的第一代塗層是YSZ。YSZ的承受溫度能力是1250度到1300度，再高它就會燒結，一燒結以後就變成塊材，熱膨脹以後的熱應力特別大。我們課題組自己發明了第二代塗層材料，第二代熱障塗層材料做到發動機的葉片上以後，已經進行了領先試用。這個工作現在跟美國和歐洲，在同一個起跑線上。我們第一代熱障塗層是追上來的是跟跑，人家已經做了二三十年我們追上了。到第二代熱障塗層，從設備到材料到工藝，我們已經站在了同樣一條線上，也就是說我們從跟跑到了並跑。我們現在不敢說領跑，但是據我們了解的資料來看，我們現在就是所有的東西在同一條線上，這是我們非常自豪的一件事。2016年這個工作獲得了國家發明一等獎，就是剛才站起來的宮聲凱老師是第一完成人，這是咱們獲得的國家發明一等獎。
【北京航空航天博物館場景】
徐惠彬：現在這個裏面轉動的這個葉片就是工作葉片，我們也叫轉子葉片。我們的熱障塗層主要塗在導向葉片和工作葉片上，這兩片是溫度最高的。我們的三大技術：冷卻技術，耐溫技術，以及熱障塗層技術。這三件工作都是我們團隊做的。下一代發動機，需要的材料更好，那個時候可能更需要更多的年輕人來從事這項任務。
徐惠彬：這張圖大家都認識，師昌緒。師先生已經過世了。師先生是我們材料界很仰視的，我個人也一直把師先生作為學習的榜樣和追求的目標。師先生是1955年從美國拿到博士回國的，一直是做高溫合金。1955年回國的時候中國還是一窮二白。
師昌緒：我在美國就說過，回去吃窩頭，我都願意。我的老師叫科恩，他就說你為什麽要回國呀？我說我是中國人，在你們美國像我這樣的多得很，在中國我們是很少的，是需要的。
徐惠彬：師先生一輩子為我們國家的材料領域、材料工業做出了巨大的貢獻，所以他榮獲了國家最高獎。我們航空界或者材料界認為，師先生最大的貢獻就是他在中國第一次研制出來了九小孔的空心葉片。當時這個葉片都是實心的，沒法冷卻。師先生在70年代，當時在中科院的沈陽金屬所，他領導著金屬所高溫合金研制組研制出來了。我們國家好幾代的軍機都是用的師先生研制出來的九小孔的空心葉片，這個解決了冷卻問題。
師昌緒：我們國家一直是想自己做，因為國外對我們封鎖，經過幾年的努力，我們現在已基本立足于國內。
“盡忠報國：回到北航的價值就是使我做的材料和産品有一天飛上中國的藍天”
講講我自己的經曆。這張照片是1985年1月去德國 留學時拍攝的。第一個人和第三個人雖然長相不一樣，穿的衣服是不是很一樣啊？為什麽呢？我講講這個故事。
1985年1月我被公派出國。那個時候中國很窮，穿的衣服出國怕丟人，公費的留學生有一個待遇，國家給每個留學生700元的置裝費買衣服。我跟同學到了北京友誼商店買衣服，當時我的工資是多少？那時候我大學剛畢業，當時的工資是54.5元。這700塊錢相當于我一年多的工資，國家對我們公費留學生多好。我們倆就去買衣服，都買的一樣的衣服，買了一件風衣，買了一套全毛的西裝。中間這位同學在德國待了幾年了，所以他的衣服在德國買的，就跟我們在友誼商場買的不一樣。我們倆沒別的可買，所以買的一模一樣。德國人覺得很奇怪，說這是你們的工作校服嗎？怎麽一模一樣？最奇怪的是我們倆買了禮帽，後來才知道偵探才戴這個禮帽，當時不知道外國穿什麽衣服。
到了德國以後潛心做研究。先做碩士後做博士，做的都是基礎研究，做材料科學。在座的可能有好多研究生都是做材料科學的，材料也很美，被這些美麗的材料科學所吸引。這是銅基形狀記憶合金單晶裏邊的孿晶結構，是在光學金相顯微鏡下照出來的，主要是做材料，一種馬氏體的孿晶結構。大的是孿晶，中間是孿晶的對稱鏡面，孿晶裏面還有孿晶，非常美。
這是我當時在慕尼黑工大的一個筆記，這上邊是用德文和中文一起寫的。研究相變怎麽樣提高溫度，怎麽樣讓它智能，要不要産生相變和不産生相變，怎麽樣解決熱膨脹問題，天天研究這個。後來，我就把這些記錄帶回國了。
1993年，我在德國待了八年零八個月終于要回國了。當時我立志回國，回國創業。這是北航大概90年代的一張照片。我回北航的時候學院路還沒有，很窄也沒有車，什麽過街天橋、北四環就更沒有。
這是我們創業的圖。幹什麽呢？用肩膀和棍子來裝卸設備，這是真實的。這是裝卸設備的一個圖。大家很高興，撬棍、木頭、吊車、樹，這是創業。
回國以後面臨著很多困難，但是也挺高興的。用這張照片可以反映我的心情：盡忠報國。能夠反映我的家國情懷。中國當時確實不富裕。我當時的工資一個月已經不低了——370塊，年收入四千多塊錢。我在德國的年薪是八萬馬克，一馬克相當于五塊多錢人民幣，一換算40萬，正好我的工資回來降低了100倍。同學經常問我說，徐惠彬為什麽要回國，你的價值何在？一個月掙300多塊錢你哪有價值？我說我回到北航，我的價值就是使我做的材料和産品，能夠有一天飛在中國的藍天上。
下面我把我們做的一些實物的東西給大家看一看。我們剛才講到了，發動機“一盤兩片”特別是兩片有三大關鍵技術。這個葉片看起來已經非常複雜了，它是雙層氣冷葉片，如果打開的話，它裏邊構造和空心設計複雜的程度到了毫米級。裏邊的每個小柱、每個小槽都是到毫米級的。這個又是單晶，一定要用鑄造的方法把單晶做出來，而且每個溝槽、每個小導流柱都是單晶。這個就是一個工藝品。能把這麽完美的東西做出來，實現它的冷卻技術，這是我們北航做出來的，是我們團隊做出來的。
這個葉片的合金已經是比現在我們能從資料上查出來的所有合金的承溫能力，提高了80℃-100℃。
【視頻資料】
師昌緒：這100℃是什麽概念呢？就是我們發展材料，高溫合金，每年平均增加7-8℃。這一下子提高100℃，這個很難。
徐惠彬：這個合金的耐溫程度肯定是在全世界最高的制高點上。這是發動機葉片的第二代塗層，做在葉片上，已經在領先試車。這三項工作，一個是合金的單晶承溫能力，一個是冷效，一個是熱障塗層，這三件工作在世界上都是一流的，已經達到了跟美國、歐洲比肩並跑的水平，這是我們的自豪，用我們的航空夢助力中國夢。
唐朝詩人王勃寫了一句話，“海內存知己，天涯若比鄰。”現在的軍用發動機可以實現超音速三倍的加力，可以實現超音速巡航，但民用發動機還做不到。如果我們做的民用發動機能夠達到超音速三倍或者四倍飛行的時候，我們到美國紐約只需要兩個小時。這一切取決于發動機的性能。那個時候整個地球就是一個地球村，真正是做到了“海內存知己，天涯若比鄰。”我們去紐約可以一天打個來回了，這個是航空夢。我們這一代人已經60歲上下，在座的年輕人都是二三十歲。我希望再有十年、二十年的時候你們能夠實現這個夢想。
互動環節
提問：徐校長，您好。北航從1952年成立65年以來，為我們祖國的航空航天領域培養了一代又一代的傑出人才，我想問一下您能否再分享一些關于他們的優秀事迹和小故事？
徐惠彬：北航是1952年建校的，建校的紀念日是10月25日。10月25日是什麽日子？就是抗美援朝的紀念日，當時周總理親自定的。那個時候咱們學校是八個學校的航空學院合並而來的。我們統計了一下，當時建校的元老當中有28位正教授和17位副教授，這些人絕大多數都是從西方國家、發達國家學成回國的。高歌，他在1984年發明了一個發動機裏邊燃燒室的結構，沙丘駐渦穩定器。這項發明被錢學森稱為是一個為國人爭氣的一項重大發明[這句話，最後用的時候建議刪掉。可以配圖片在視頻中。]。高歌老師是怎麽發明的沙丘駐渦呢？他畢業以後就到青海工作了。
【視頻資料】
高歌：我去那報到的路上，路邊都是大沙漠，沙漠裏面有形形色色的各種各樣的沙丘，有一種沙丘引起了我的注意，這沙丘非常漂亮，彎彎的，就像月牙形狀，我當時就想了，這種月牙形狀的沙丘為什麽這麽穩定呢？如果說它能夠在那停留幾十年、幾百年、甚至上千年不變，那就必然有其道理。
徐惠彬：他就把這項技術做到了發動機裏邊，現在好幾代發動機都用了高歌老師的沙丘駐渦火焰穩定器，使得飛機的推力增加了好幾個百分點。
我們北航，空天報國，敢為人先，也有自己紅色基因一代一代傳承下來。為國家效力，盡忠報國這麽一個紅色基因是一代一代傳下來的。
習近平總書記在十九大報告中指出，“中國夢是曆史的、現實的，也是未來的；是我們這一代的，更是青年一代的。中華民族偉大複興的中國夢終將在一代代青年的接力奮鬥中變為現實。”
謝謝大家！
片尾：中國要造自己的大飛機，盡忠報國，能做出一點點的貢獻，也是貢獻。我的價值就是能夠使我做的材料和産品，能夠有一天飛在中國的藍天上。用我們的航空夢來助力中國夢。
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