周亦胄常跟他的團(tuán)隊(duì)成員說，“理論必須和實(shí)際相結(jié)合，只有實(shí)際生產(chǎn)中用上了，才是有用的材料和技術(shù)”。

    航空發(fā)動(dòng)機(jī)是國防武器裝備不可或缺的先進(jìn)動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)，被譽(yù)為“工業(yè)皇冠上的明珠”。如何避免在渦輪燃燒室后工作的葉片發(fā)生燒蝕和熔化，是保障發(fā)動(dòng)機(jī)心臟正常工作的必要前提。

    在中國科學(xué)院金屬研究所，有這樣一位致力于讓航空發(fā)動(dòng)機(jī)心臟激情燃燒的科研工作者——單晶高溫合金葉片制造技術(shù)專家周亦胄研究員。

    發(fā)動(dòng)機(jī)的老大難問題

    周亦胄向《中國科學(xué)報(bào)》記者介紹，大部分金屬材料在制備成形過程中需要從高溫熔體凝固成固體。假如完全按照“天性”凝固，金屬材料凝固后將由許多細(xì)小的單元晶體組成，這些晶體的邊界在高溫下非常容易斷裂。

    只要控制金屬熔體冷卻過程中晶體的生長方向，讓它們都朝一個(gè)方向生長，形成如同一捆整齊排列筷子那樣的柱狀晶體，金屬材料高溫下的強(qiáng)度就會顯著增大。

    如果繼續(xù)改變定向凝固約束條件，保證只有一個(gè)柱狀晶體生長，就可以獲得只有一個(gè)晶體的單晶金屬材料，這種單晶材料在高溫下具有更高的強(qiáng)度。

    “單晶高溫合金葉片就是采用定向凝固工藝制備出的只有一個(gè)晶體的葉片。”周亦胄說，“單晶葉片的晶體生長工藝十分復(fù)雜，尤其是具有復(fù)雜氣冷通道結(jié)構(gòu)的單晶葉片制備難度更大，經(jīng)常會出現(xiàn)雜晶、偏離預(yù)定晶體取向、顯微孔洞、金屬熔體與陶瓷模殼高溫反應(yīng)等問題。”

    在航空發(fā)動(dòng)機(jī)極端苛刻環(huán)境下，存在這些缺陷的單晶葉片非常脆弱，在極短的時(shí)間內(nèi)就會發(fā)生斷裂或者熔化，造成發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)嚴(yán)重的安全事故。因此，在制備單晶葉片過程中，要嚴(yán)格控制這些缺陷。

    此前，由于缺少對單晶凝固缺陷形成機(jī)制的深入認(rèn)識，長期以來我國主要是靠經(jīng)驗(yàn)積累和反復(fù)試制來減少這些缺陷，導(dǎo)致單晶高溫合金葉片鑄件的合格率非常低。周亦胄認(rèn)為，對于一些使用新型合金鑄造的復(fù)雜結(jié)構(gòu)單晶葉片，在各種缺陷的交織作用下，我國甚至不能鑄造出符合發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)要求的單晶葉片。

    多種單晶葉片從無到有

    2009年，周亦胄從英國伯明翰大學(xué)歸國，入選中國科學(xué)院“百人計(jì)劃”，來到中國科學(xué)院金屬研究所開展高溫合金研究工作。

    剛剛回國時(shí)，面對國內(nèi)與國外航空發(fā)動(dòng)機(jī)的巨大差距，周亦胄感到痛心的同時(shí)，更堅(jiān)定了他要做點(diǎn)事情的決心。他帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)地開展了單晶高溫合金葉片凝固缺陷形成機(jī)制的基礎(chǔ)科學(xué)研究。

    周亦胄查閱大量國內(nèi)外文獻(xiàn)，在海量的信息中他以敏銳的洞察力和高超的智慧，設(shè)計(jì)出科學(xué)合理的實(shí)驗(yàn)方案。實(shí)驗(yàn)過程中為了全面、快速地掌握第一手實(shí)驗(yàn)結(jié)果，他堅(jiān)持深入一線進(jìn)行模具設(shè)計(jì)、蠟?zāi)＝M合、鑄造實(shí)驗(yàn)、樣品制備以及觀察分析。在完成實(shí)驗(yàn)室研究工作后，他又帶領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)到發(fā)動(dòng)機(jī)葉片制造廠進(jìn)行更為全面的生產(chǎn)性驗(yàn)證。

    周亦胄常跟他的團(tuán)隊(duì)成員說，“理論必須和實(shí)際相結(jié)合，只有實(shí)際生產(chǎn)中用上了，才是有用的材料和技術(shù)”。他們根據(jù)單晶葉片凝固缺陷的形成機(jī)制提出了多項(xiàng)工程上行之有效的凝固缺陷控制措施，并形成了一套單晶葉片規(guī)?；圃斓娜鞒炭刂萍夹g(shù)，改變了過去靠經(jīng)驗(yàn)積累和反復(fù)試制的局面。

    在周亦胄的帶領(lǐng)下，研究團(tuán)隊(duì)為中航工業(yè)、航天科工集團(tuán)等單位研制出了多種單晶高溫合金葉片，解決了多種單晶葉片從無到有的問題。其中標(biāo)志性的一項(xiàng)成果就是首次采用我國最新型的第二代單晶高溫合金dd405成功鑄造出了中航工業(yè)新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的高壓渦輪轉(zhuǎn)子單晶葉片。該葉片在發(fā)動(dòng)機(jī)試車考核中表現(xiàn)優(yōu)越，標(biāo)志著我國在復(fù)雜結(jié)構(gòu)單晶葉片制造技術(shù)上取得了重要進(jìn)展，該項(xiàng)研究成果受到了發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)單位的高度評價(jià)。

    妙手巧回春成果落遼沈

    周亦胄指出，高溫合金葉片鑄造時(shí)需要通過澆道與冒口設(shè)置來保證葉片中不出現(xiàn)凝固缺陷。鑄造后澆道與冒口內(nèi)的高溫合金不允許在航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件制造中重復(fù)使用，因此高溫合金葉片鑄造過程中產(chǎn)生出的廢料常高達(dá)總用料的70%以上。

    單晶高溫合金材料的基體為鎳元素，其中含有錸、釕、鉭、鎢、鉬、鈷等稀有貴重金屬。錸作為一種重要的戰(zhàn)略稀缺金屬，在世界范圍內(nèi)儲量不足1萬噸，而我國的保有儲量僅為200余噸，價(jià)格約為5萬元/千克。這使含錸單晶高溫合金材料的價(jià)格非常昂貴，例如含錸的第二代單晶高溫合金價(jià)格為300萬元/噸，含錸的第三代單晶高溫合金價(jià)格達(dá)到約500萬元/噸。如此高昂的材料價(jià)格對我國以及美歐俄等國來說都是巨大的經(jīng)濟(jì)壓力。

    目前我國已開始大量采用第二代單晶高溫合金制造航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)單晶葉片，在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生出大量含錸高溫合金廢料。由于缺少相關(guān)分離提取技術(shù)，使得合金廢料中錸、釕、鉭、鎢、鉬、鈷等高價(jià)值元素只能被當(dāng)作普通金屬材料對待，造成了極大的資源浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失。

    為了緩解這種高昂的材料價(jià)格給我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)單晶葉片制造帶來的巨大壓力，周亦胄提出了從高溫合金廢料中回收再利用稀貴金屬元素的思路，并開始醞釀在金屬研究所組建稀貴金屬資源再生循環(huán)利用實(shí)驗(yàn)室。

    由于國外封鎖這方面的研究成果與技術(shù)方案，我國在從高溫合金廢料中回收稀貴金屬方面的積累幾乎是零。作為開拓者，采用何種技術(shù)路線成為周亦胄組建這個(gè)新實(shí)驗(yàn)室所面臨的最大難題。

    為了少走錯(cuò)路與彎路，他不辭辛苦地到全國各地找資源循環(huán)利用專家進(jìn)行討論，分析各種方法回收處理高溫合金廢料的可行性。經(jīng)過反復(fù)論證，他最終確定了采用電化學(xué)溶解法多步分離提取高溫合金廢料中稀貴金屬元素的技術(shù)路線。

    隨后，周亦胄在金屬研究所組織起一支具有電化學(xué)腐蝕與化學(xué)分離提取研究背景的科研隊(duì)伍，探索了高溫合金廢料電化學(xué)溶解、沉淀分離、萃取分離、離子交換分離、金屬化合物重結(jié)晶提純、金屬化合物氣體還原等環(huán)節(jié)中的關(guān)鍵科學(xué)與技術(shù)問題。

    經(jīng)過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)摸索，他與研究團(tuán)隊(duì)建立起了從高溫合金廢料中分離回收稀貴金屬元素的技術(shù)路線，實(shí)現(xiàn)了從高溫合金廢料中分離回收錸、釕、鉭、鎢、鉬、鈷、鎳等稀貴金屬元素的目標(biāo)，同時(shí)形成了與之配套的高溫合金低成本制造技術(shù)，該技術(shù)可使第二、三代單晶高溫合金的制造成本分別降低20%和30%。

    鑒于周亦胄研究員在單晶高溫合金及單晶葉片方面卓有成效的研究工作，他在2014年中國科學(xué)院“百人計(jì)劃”終期評估中獲得優(yōu)秀，在2016年入選了“國家中青年科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才”。