作为航空发动机和地面燃气轮机等的核心主承力部件，高温合金叶片需要具有高强度、高韧性、抗腐蚀、抗疲劳和抗冲击的优良性能，因为其形状复杂、质量要求高、制造难度极大，被称为制造技术的“皇冠上的明珠”。长久以来，该项技术一直由国外发达国家垄断，中国从上世纪60年代开始进行研发，始终进步较慢。

近年来，上海大学省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室联合中国航发北京航空材料研究院、华中科技大学、上海交通大学、上海电气中央研究院科研人员组成的科研团队，在国家“两机”重大专项（航空发动机和燃气轮机重大专项）和中航发商用航空发动机公司的支持下，终于在这个领域实现了巨大突破，打造出了“中国产”飞机发动机双层壁超冷单晶叶片，达到了发达国家同等技术水平，完成了“并跑”的目标。日前，记者采访了上海大学高品质特殊钢冶金与制备省部共建国家重点实验室主任任忠鸣教授。

这是一个重大的使命

40多年来，任忠鸣一直在冶金领域默默奋斗。2005年，国家启动大飞机重大专项后，任忠鸣团队瞄准“飞机发动机叶片”制造这一技术难题，在科研工作中先后攻克了F级燃气轮机用空心单晶叶片制备、CJ1000航空发动机用非轴对称双联单晶空心静子叶片制备及其一系列涡轴、涡扇发动机用定向、单晶叶片制备技术。

自2013年起，任忠鸣团队与中国航空发动机集团公司上海商用发动机公司联合开展单晶双层壁叶片的制备研究，解决了复杂陶瓷型芯整体制造、双层壁单晶叶片定向凝固和叶片质量检测等技术难题。最终，任忠鸣团队实现了飞机发动机叶片自主制造的重大突破，令人欢欣鼓舞。

高温合金是最复杂的合金材料

耐热1500度的性能优良合金材料究竟是如何打造的呢？

从20世纪30年代后期起，英、德、美等国就开始研究高温合金，这种材料一般是指以铁、镍、钴为基的合金。任忠鸣告诉记者，高温合金是人类有史以来打造的最复杂的合金材料，其中包含了20多种合金元素，还要精准控制含量。

高温合金材料的打造也不是一蹴而就的，需要通过3个步骤才能实现。任忠鸣说：“第一步是冶炼铸造过程，这涉及到凝固结晶的控制技术，在钢铁的精炼过程中，我们积累了大量的经验；但目前最优质的配方，也只能达到1150度的熔点温度。第二步是要给材料穿上隔热‘衣服’，也就是热障涂层，这些涂层往往就是陶瓷材料，陶瓷材料虽然可以耐高温；但是比较薄，又比较脆，如果用传统工艺容易产生脱落，目前采用比较多的方法是火焰喷涂、等离子喷涂，电子束喷涂等方法，使得陶瓷和金属之间的连接更加牢固，这样的组合又可以将熔点增加100度。最后一个步骤是冷却，鲜为人知的是发动机叶片内部是空心的，我们采用叶片内部吹气冷却的方法，提高其耐热温度，这些气体通过外部的轴和孔道进入，经过这道工序叶片的耐热温度又增加了250度。”

今天，“中国造”的飞机发动机叶片已经取得部分突破，在军事飞机上应用，实现了发动机叶片的国产化。

这个领域不可能弯道超车

但技术要运用在民用飞机上，还有很长的路要走。任忠鸣说，因为民用飞机涉及商业化，会牵涉知识产权问题和成本问题，中国人必须要另辟蹊径，打造自主知识产权的技术，而且这种技术必须要考虑到未来商业化的成本问题。

另外，西方发达国家还在不断自我超越，美国科学家目前已经把飞机发动机叶片的耐温能力提高到了1900度。我们与他们之间又有了新的差距。

　　2015年4月23日，上海材料基因组工程研究院在上海大学揭牌。任忠鸣说，我们希望通过材料基因组计划来加快高温合金的研发进程，找到更加耐高温的材料，之前我们进行合金实验基本用的是“炒菜”的方法，不断试错。现在数据模型的方法已经在催化剂和功能材料的配比上取得了一些突破，下一步我们也将寻求定量的计算方法去改进高温合金的配比。

 　　而用磁场改变合金内部的均匀性问题，是任忠鸣团队打造高性能耐高温合金的另一条路径。“这个科学原理在炼钢过程中取得了很大成功，我们希望在飞机发动机叶片的打造中，它也能显示出奇效。”

　　任忠鸣坦言，材料研究和其他科学研究还是有不同之处，它需要很长时间的实验。比如，日本科研机构做飞机发动机叶片材料的拉伸性能研究，在这种材料上加载荷，保持5年、10年、20年，记录这些金属蠕变的特性和规律，然后再用于设计和制造中。这些基础研究也是我们必须要做的，需要大量科学家协同努力，不断积累原始数据。

 　　“弯道超车在飞机发动机叶片的研发上是不可能的，我们需要的还是踏实的工作和不断探索，加倍努力，希望在不远的将来能够交出一份令全国人民满意的答卷。”任忠鸣说。

【摘至上海科技报】