如果說航空發(fā)動機是“現(xiàn)代工業(yè)皇冠上的明珠”，那么，單晶渦輪葉片就是在“明珠上鑲鉆”。

航空渦輪發(fā)動機的本質就是一臺能量轉換裝置，它把航空燃油的化學能，通過燃燒轉化為高溫高壓熱能，再推動渦輪旋轉轉變?yōu)闄C械能，最終轉化為飛機的動能。

發(fā)動機熱端部件耐受溫度越高，能量轉換效率就越高，發(fā)動機推力更大、油耗更低、綜合性能也更強。目前商用發(fā)動機渦輪前溫度可達1500℃以上。軍用航空發(fā)動機為實現(xiàn)極限戰(zhàn)術動作，極限工作溫度還要更高。所以，單晶葉片的工作條件極為苛刻，是決定發(fā)動機性能、可靠性與壽命的關鍵因素，也是衡量一個國家航空制造水平的重要標志。

目前，我國單晶渦輪葉片處于怎樣的水平？自主技術革新是如何賦能航空發(fā)動機核心研發(fā)的？

1956年5月26日誕生的中國航發(fā)北京航空材料研究院見證了我國航空材料事業(yè)從跟跑到并跑、局部領跑的征途。

如今，中國航發(fā)航材院專職總師李嘉榮帶領團隊發(fā)明的具有自主知識產權的單晶高溫合金已達到國際先進水平。

中國航發(fā)航材院專職總師 李嘉榮：我們實現(xiàn)了中國的單晶渦輪葉片材料自主研制，其中第二代單晶高溫合金DD6，性能優(yōu)于或相當于歐美大量應用的第二代單晶高溫合金，而且使用成本更低，DD6已經成為目前我國應用量最大的單晶高溫合金，為國家節(jié)約大量戰(zhàn)略資源。

李嘉榮帶領團隊還揭示了單晶渦輪葉片結晶與再結晶缺陷形成機理及晶體生長機制，突破復合氣冷與雙層壁超冷單晶渦輪葉片制備關鍵技術。

李嘉榮：多年來，航材院研制交付的單晶渦輪葉片，在多型先進航空發(fā)動機上獲得應用，為以先進殲擊機為代表的軍民用飛機、直升機提供了先進材料支撐。

單晶渦輪葉片的核心使命，就是在超高溫、高壓、高轉速、腐蝕性燃氣沖刷的嚴苛環(huán)境下，長期安全、穩(wěn)定、可靠服役。

中國航發(fā)航材院高溫合金材料研究所科研人員 岳曉岱：單晶葉片工作時不僅要承受足以熔化普通鋼材的超高溫，還要承受燃氣大力沖刷。葉片絕不能出現(xiàn)拉長、變形；哪怕僅僅拉長1毫米，高速旋轉下就有可能直接剮蹭渦輪外環(huán)，帶來安全隱患。

單晶渦輪葉片明明工作溫度已經超過普通鋼材甚至接近自身合金熔點，為什么還能長期穩(wěn)定服役？

岳曉岱：首先就是合金材料本身底子過硬。Ni基單晶高溫合金以金屬鎳為基體，科研人員根據(jù)高溫強度、抗蠕變性能、耐高溫腐蝕等多重需求，科學設計，精準配多種合金元素。這些元素理化特性差異極大：鋁和錸可以從不同方面強化合金，但是二者密度相差就近8倍，熔點相差2500℃以上。我們的科研團隊歷經反復試驗、持續(xù)攻關，不僅實現(xiàn)了所有元素均勻熔煉融合，還能實現(xiàn)雜質元素有效控制。

20世紀六七十年代，航空發(fā)動機渦輪葉片主要使用多晶合金。這類葉片由無數(shù)細小晶粒結晶而成，好比石塊壘成的石墻，開裂損毀大多不是石塊本身斷裂，而是石塊間的縫隙出現(xiàn)裂紋。如今的單晶合金則采用特殊工藝，讓整片葉片形成一個完整晶體，如同沒有縫隙的整塊石板。相較之下，它的結構強度和高溫耐受能力都實現(xiàn)了質的飛躍。這一“超級金屬”究竟是怎樣“煉”成的呢？

單晶渦輪葉片的鑄造沿用了古老的失蠟法工藝。

岳曉岱：我們會先用尺寸非常精密的模具來壓制葉片的型芯，然后在型芯外面壓制葉片的蠟模。然后在外面涂覆陶瓷型殼，然后把蠟熔化掉，就形成內部為型芯、外部為陶瓷殼的鑄造型殼。接下來，將合金熔液澆注進這個空腔，冷卻凝固后，原本蠟模占據(jù)的位置就變成了金屬葉片。最后再把葉片內部陶瓷型芯脫除，空心冷卻結構的單晶葉片就由圖紙變成了實體。

單晶葉片從合金熔煉制備到最終成品交付，全程涉及十余個核心大工序，而每個核心工序又會細分出十幾道甚至幾十道精細小工序。目前，能夠獨立自主掌握單晶渦輪葉片全套材料研發(fā)+精密鑄造+工程應用全鏈條技術的國家，全球僅有美國、英國、俄羅斯、法國和中國。

北京航空材料研究院從20世紀80年代起，率先研發(fā)出具有自主知識產權的單晶高溫合金，以及我國第一件單晶渦輪葉片、第一件單晶空心渦輪葉片等，填補我國多項空白。

中國航發(fā)航材院黨委副書記 王文強：經過70年的發(fā)展，航材院已擁有16個領域近80個材料專業(yè)，是國內材料領域的“航空母艦”。我們航材人將為加快航空發(fā)動機自主研制步伐，實現(xiàn)高水平科技自立自強，為強國建設和民族復興偉業(yè)，書寫更加燦爛的材料華章。監(jiān)制丨樊新征 記者丨郭淼