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打造中国航空发动机叶片“金钟罩”（上）
让中国飞机发动机穿上自己做的衣服
主讲嘉宾：徐惠彬 北京航空航天大学校长
中国工程院院士
【导视】做发动机为什么这么难？中国这么大一个国家靠买别人的飞机来过日子吗？要让发动机叶片穿上我们中国人自己做的衣服，使我们做的材料和产品飞在中国的蓝天上。
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，首先讲讲航空发动机，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。这张图片是2017年5月5日，C919在上海的浦东机场刺破苍穹、翱翔蓝天，这是咱们中国制造的商用大飞机首次飞翔在蓝天。大家再看下一个屏幕，多少镜头、多少闪光灯对着咱们这个大飞机，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。这次论证我觉得是历史性的。第一，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，经过了差不多十年多的时间飞起来了，还是很厉害的。
中国为什么要做大飞机？我这里举了一个例子。根据我们当时的计算，咱们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到6000架，花多少钱来买呢？大概需要一万亿美元。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四次。
【新闻联播视频资料】2014年5月23日，习近平考察中国商飞设计研发中心
【同期声】（习近平总书记）：我们这个国家也是最大的飞机市场，每年成百上千亿都花在买飞机上。过去那个逻辑是，造不如买，买不如租，我们现在要倒过来。我们首先是要花更多的钱来研制、制造自己的飞机，形成我们独立的、自主的能力。
徐惠彬：我们20年就要花一万亿美元买这些飞机，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；一个是飞机的发动机——心脏。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，这个不是一个强国甚至大国所为。而且，从飞机讲到了发动机是核心的技术，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？就是联合国的五个常任理事国。能够制造完整的航空发动机的，只有这五个国家。
发动机除了是一个战略资源、核心产品、核心技术之外，它的附加值特别高。有人说飞机是工业上的皇冠，发动机就是皇冠上的明珠。这个图显示出来的价值，最高的就是发动机。船舶一公斤的价值如果是1的话，中间小汽车可能是9，最高的发动机是1400，它是船舶一公斤价值的1400倍。
【北京航空航天博物馆场景】
徐惠彬：这个是咱们的北京一号，在很多片子上都能看到。这是咱们1958年，现在应该是60年了，1958年到2018年。北航当年号称是把毕业论文直接写在飞机上。我觉得，这是咱北航的精神。
徐惠彬：做发动机为什么这么难？为什么中国长期以来做不出来民用发动机？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？怎么就在这60年一下子能够追赶上？还有几大难点。
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三万小时不能出任何故障，将来要超过十万小时。其中有两个实验是发动机必须要做的。
第一个实验叫抛鸟试验。很大的鸟从发动机穿过去以后，发动机不能怎么样。有一年我去英国，因为一只大鸟撞到飞机发动机里面去了，飞机就先不能起飞，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，确实完好无缺，然后飞机才飞走了，还是这台发动机。第二个实验就是吞冰实验。一分钟一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，发动机不能坏了，叶片打碎了，发动机着火了，还能飞吗？这两项实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纳，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度，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，特别是一会儿后边还要讲镍基高温合金，它的初熔点大概也就在1300多度，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。这个时候的火焰在里边要稳定地燃烧，在17级的风速下，这对于搞空气动力学的也是一个极限，如果设计不好，吹偏了把旁边都烧掉了。
大家看看这个图，看看发动机的产品有多么精致。它确实是一件工艺品，由上万个零件组成的。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。
另外发动机非常昂贵，刘大响院士是北航的毕业生，他曾经讲过一次报告，他说发动机的产品非常昂贵。它的整个重量价值相当于白银，里边的发动机的叶片，它的价值相当于黄金。这么贵，如果没有一个大量的资金投入，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，就是转动的，这是最难攻克的，这就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，那么需要几大技术，怎么让它不熔化？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。刚才看到的深色的叶片，就是没有穿衣服的叶片——合金。白的叶片就是穿了一层衣服的叶片，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。
这个陶瓷衣服涂上去，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。提高了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度，它的推力就会增加8%到10%。也有人说航空发动机只要提高100度，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。这个常识大家也都知道，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。
我们要攻克这“两片”怎么把它做出来。为什么“两片”这么难？从这张图可以看到，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，三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？绝大部分大家看到，蓝色的是钛合金，红色的是镍基合金，然后黄色的是主轴，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。咱们说这个比强度，Specific Strength。比强度应该说钛合金是在室温下最高的，镍基合金其次，钢和铝合金差不多。但是钛合金随着温度的增加，很快它的强度就衰减了。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，这个红色线就是镍基高温合金。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，而不能用钛合金。
科学家们想办法。第一，大家知道，叶片最开始做是用铸造的方法做成是等轴晶。多晶粒放大了以后，它由很多的晶粒组成。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，科学家做出定向实验，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。想了很多办法，现在做的都是单晶。这还不够，温度还在提高。发动机设计师说不行，温度还得提高增加推力。怎么办？空心的。就是师昌绪先生做的当时是九小孔，现在孔可多了，90、900的孔很多，单通道不行就做多通道，为了让它到处都能冷却，还不行的话加热障涂层。
做出来热障涂层非常不容易。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，这是结构上有一个新的发明。
还有一点也是挺有意思的，这个涂层有受面，做不好啊。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，几个小时全掉了，很悲惨。我们做长时间的热循环，就是放炉子里一个小时后拿出来一次冷却，再放进去，我们最多做了多少呢？一万次！或者叫一万个小时的热循环，一个小时一次。一万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一万小时一年多的时间。冬天还挺好，夏天的时候咱北京也够热的。我们的小实验室就在四号楼的后面，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，能达到一万小时，我们特别开心。
我们解决了什么？我们最重要的是，解决了我们中国的航空发动机叶片。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。
互动环节
提问：我想问一下材料相关的问题，首先想请您介绍一下航空材料未来的发展趋势，还有就是怎么能更好地为航空航天、为国家和国防事业做出更多贡献？
徐惠彬：未来十年之后陶瓷基的复合材料，应该说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——就是说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。所以说我们做材料的人非常重要，关注一点，把基础的突破了，能做一点上的贡献，也是贡献。