難變形高溫合金渦輪盤主要被用于航空母艦、核潛艇、航空航天等重大軍民兩用裝備和設(shè)施的動力系統(tǒng)，而用于制造難變形高溫合金渦輪盤的鋼材，又是“特鋼”中的特鋼，其冶煉配方和技術(shù)都是一個國家核心競爭力的象征。從新中國成立以來，這種特鋼冶煉技術(shù)和難變形高溫合金渦輪盤，國際上一直對中國實行技術(shù)封鎖和產(chǎn)品壟斷，外國人甚至據(jù)此嘲笑中國人無法自行建造真正的航空母艦。斗轉(zhuǎn)星移，2013年，這個“神話”被一個中國人打破了——他就是北京科技大學(xué)材料學(xué)院博士生導(dǎo)師董建新教授。

北京科技大學(xué)材料學(xué)院博士生導(dǎo)師、學(xué)科帶頭人董建新教授

    在2013年以前，我國直徑1米以上的難變形渦輪盤都需要費盡周折從國外進(jìn)口，而國際上常常以各種借口對我國進(jìn)行技術(shù)封鎖。而北京科技大學(xué)材料學(xué)院教授董建新率領(lǐng)科研團隊，歷時5年自主研發(fā)頂級特鋼，成功設(shè)計制造世界上最大直徑的難變形高溫合金渦輪盤。

    這種高溫合金渦輪盤打破了國際壟斷，可以廣泛應(yīng)用于煙氣輪機、大飛機、核電站、航空航天、航空母艦、核潛艇等民用設(shè)施和軍事裝備。而最令董建新倍感自豪的是，這25年來，他培養(yǎng)了50多位碩士、博士，為我國高溫材料領(lǐng)域輸送了大批高級人才。

    自主研發(fā)頂級特鋼設(shè)計制造渦輪盤

    “我國從國外購買渦輪盤的時候，國外都要審查很長時間，因為他們害怕我國將進(jìn)口的渦輪盤用于軍事裝備。”日前，北京科技大學(xué)材料學(xué)院教授董建新在接受千龍網(wǎng)記者采訪時介紹說，在2013年之前，我國沒有大型的水壓機，限于現(xiàn)有的科研水平和技術(shù)條件，直徑在1米以下的渦輪盤可以在國內(nèi)制造，而1米以上的難變形渦輪盤都需要從國外進(jìn)口。

    2008年，董建新領(lǐng)受研發(fā)特殊高溫耐腐蝕的合金鋼材和設(shè)計制造大型渦輪盤的任務(wù)之后，就率領(lǐng)他的科研團隊開始模擬設(shè)計。他從接受項目開始到研究出成果，花了整整5年的時間。這源于研發(fā)冶煉高溫合金的難度大，再加上直徑1.45米的渦輪盤硬度大很難變形。

    據(jù)董建新介紹，高溫合金是指以鐵、鈷、鎳為基，能在600℃以上高溫環(huán)境下服役，并能承受苛刻的機械應(yīng)力。因具有良好的抗氧化和抗熱腐蝕、優(yōu)異的蠕變與疲勞抗力、良好的組織穩(wěn)定性和使用可靠性，高溫合金主要用于制造航空、艦艇和工業(yè)用燃?xì)廨啓C的渦輪葉片、導(dǎo)向葉片、渦輪盤、高壓壓氣機盤和燃燒室等高溫部件，還用于制造航天飛行器、火箭發(fā)動機、核反應(yīng)堆、石油化工設(shè)備以及煤的轉(zhuǎn)化等能源轉(zhuǎn)換裝置。

    高溫合金按照適應(yīng)溫度環(huán)境，分為760℃高溫材料、1200℃高溫材料和1500℃高溫材料。按照中國金屬協(xié)會高溫材料分會對該類別高溫合金的分類，可細(xì)分為鑄造高溫合金、變形高溫合金、粉末高溫合金、氧化物彌散強化合金、鈦鋁系金屬間化合物高溫材料等五大類系。

    “我?guī)ьI(lǐng)科研團隊先到寶鋼去煉鋼，按照設(shè)計最高標(biāo)準(zhǔn)要求把高溫合金煉出來。”董建新解釋說，這種高溫合金是特殊鋼中的“特鋼”，是最高等級的鋼材，因此對煉鋼工藝的要求十分嚴(yán)苛，不允許有絲毫差錯。

    而將特鋼中的“特鋼”煉成之后，就需要巨型液壓機沖壓成渦輪盤。巨型模鍛液壓機，是象征重工業(yè)實力的國寶級戰(zhàn)略裝備，世界上能研制的國家屈指可數(shù)。目前，俄羅斯有7.5萬噸的液壓機、美國有5萬噸的液壓機。

    董建新介紹說，2012年12月11日，由我國自主設(shè)計研制的世界最大模鍛液壓機，在四川德陽中國第二重型機械集團進(jìn)入調(diào)試階段，于2013年4月10日投入試生產(chǎn)。這臺8萬噸級的“巨無霸”液壓機，地上高27米、地下深15米，總高42米，設(shè)備總重2.2萬噸，它的出現(xiàn)為董建新設(shè)計制造世界上最大的難變形高溫合金渦輪盤提供了物質(zhì)保障。

    “我們到四川德陽中國第二重型機械集團利用這臺世界上最大的液壓機去壓世界上最大的‘餅子’——直徑為1.45米的難變形高溫合金渦輪盤。”董建新告訴千龍網(wǎng)記者，8萬噸的大型液壓機在沖壓時，將加熱后的鋼坯就像做月餅一樣，就是那么往下砸一下，敲敲打打幾分鐘就做成了，假如事先設(shè)計有絲毫差錯，這個幾百萬的“特鋼”就報廢了。“2013年，幸好這一砸后，我們仔細(xì)檢查成型的渦輪盤毫厘不差，一次性取得成功。”

    2013年，董建新帶領(lǐng)研發(fā)團隊到四川德陽中國第二重型機械集團利用這臺世界上最大的液壓機去壓世界上最大的‘餅子’——直徑為1.45米的難變形高溫合金渦輪盤。圖為一次性壓制成功的難變形高溫合金渦輪盤。

    世界最大難變形高溫合金渦輪盤打破國際技術(shù)封鎖前景遼闊

    在2013年之前，我國1米以上的渦輪盤一直都是需要從國外進(jìn)口。因為渦輪盤不僅需要用一種特殊鋼材——高溫耐腐蝕合金材料制造，還需要大型水壓機才能壓出鋼“餅子”來。我國在高溫耐腐蝕合金材料研究方面起步較晚，最大型的液壓機也僅只有3萬噸。

    據(jù)千龍網(wǎng)記者了解，全球從事高溫合金材料的廠家不超過50家，主要分布在美、英、德、法、俄、日等國家，其中美國的通用電氣和普惠兩家實力最為強大。從航空發(fā)動機的市場占有率來看，通用、普惠、羅羅、MTU這4家所占的份額高達(dá)84%，呈現(xiàn)出明顯的寡頭壟斷格局。每個國家內(nèi)部也只有1至2家廠商占據(jù)寡頭壟斷地位。

    世界上高溫合金行業(yè)具有強壟斷性和穩(wěn)定性，國外的行業(yè)龍頭將長期享受行業(yè)壁壘帶來的紅利。國外其行業(yè)壁壘對華進(jìn)行技術(shù)封鎖，主要體現(xiàn)在技術(shù)壁壘、市場準(zhǔn)入壁壘、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)壁壘、累驗曲線等門檻，又使得新進(jìn)入者將面臨較高的進(jìn)入成本和時間成本。

    “2013年，我設(shè)計制造的這個目前世界上最大的難變形高溫合金渦輪盤會安裝在中石油的煙氣輪機上，這種煙氣輪機是在煉油后利用廢氣來發(fā)電，因此需要這種高溫合金的渦輪盤。”董建新開心地說，他率領(lǐng)團隊自主研發(fā)設(shè)計制造的“巨無霸”渦輪盤，造價比較低廉。而國外壟斷企業(yè)一個渦輪盤價格可能會翻倍，為國家節(jié)約了大量資金。

    此外，在燃?xì)廨啓C發(fā)電領(lǐng)域，我國未來10年將帶動高溫合金材料50億的需求空間。燃?xì)廨啓C是航空發(fā)動機的延伸，廣泛應(yīng)用于船舶動力、煤電、核電、氣電等領(lǐng)域，因燃?xì)廨啓C噴到葉輪上的氣體溫度高達(dá)1300℃，需要抗高溫腐蝕性能優(yōu)良和長期組織穩(wěn)定的抗熱腐蝕高溫合金來打造渦輪葉片和導(dǎo)向葉片。

    而作為高性能發(fā)動機最關(guān)鍵部件之一的渦輪盤，其材料和制造技術(shù)始終受到國內(nèi)外航空工程界的特別關(guān)注。董建新介紹說，2013年，國務(wù)院批準(zhǔn)設(shè)立“航空發(fā)動機與燃?xì)廨啓C”國家科技重大專項簡稱“兩機專項”，“兩機專項”將于2016年下半年正式啟動。而這種自主研發(fā)的大型高溫合金渦輪盤將不僅可被廣泛應(yīng)用于大飛機、核電站等民用設(shè)施，還可以廣泛應(yīng)用于我國航空母艦、核潛艇、戰(zhàn)斗機、航空航天等軍用設(shè)備的動力系統(tǒng)。

    培養(yǎng)大批高溫合金高級人才最感自豪

    “我是一個教師，在學(xué)校里最主要的任務(wù)就是教書育人。因此，對我來說，在校培養(yǎng)大批高溫合金專業(yè)領(lǐng)域的碩士、博士，最令我感到自豪。”董建新給千龍網(wǎng)記者介紹說，他培養(yǎng)了50多位碩士、博士，畢業(yè)后分布在我國航空材料研究院、鋼鐵研究總院、航空航天等研究所。

    1989年，董建新在北京科技大學(xué)讀博士，研究方向是高溫合金。畢業(yè)后，董建新留在北京科技大學(xué)材料學(xué)院，一直承擔(dān)材料學(xué)專業(yè)學(xué)生《材料分析方法》的主講教學(xué)工作，主講本科生《航空航天材料概述》《專業(yè)課程設(shè)計》課程，并負(fù)責(zé)材料學(xué)博士生《材料科學(xué)與工程選論》課程。他還曾經(jīng)負(fù)責(zé)和承擔(dān)有關(guān)國家自然科學(xué)基金重點和面上項目、“973”和“863”計劃課題、國家重點攻關(guān)、軍工項目及國際合作課題和重大廠協(xié)課題等。

    “我招研究生，主要看學(xué)生是否有自覺性，讓學(xué)生自己努力去做，我只是告訴他一些方法。”董建新說，他在培養(yǎng)碩士、博士生的時候，經(jīng)常進(jìn)行學(xué)習(xí)階段性總結(jié)。比如，一周開組會，讓研究生自己找選題做報告，這不僅能培養(yǎng)他們會講的能力，還可以讓不同研究方向的學(xué)生相互聽一下，擴展知識面。而學(xué)生們則需要將最近一兩年的有關(guān)領(lǐng)域的文獻(xiàn)、文獻(xiàn)解讀、科研動態(tài)，都一一總結(jié)出來，并在組會上講出來。這不僅能鍛煉學(xué)生們的說、寫、科研、動手等方面的能力，還能培養(yǎng)他們會想實驗、會做實驗、會寫實驗。

    董建新教授經(jīng)常和學(xué)生們打成一片，他每隔一段時間就組織學(xué)生們出去活動，在活動中師生們一起喝咖啡，一起進(jìn)行學(xué)術(shù)上的討論。比如，他們討論30年后的高溫合金的科研走向。“30年以后不一定會是鎳基合金渦輪盤，因為飛機、艦艇動力的核心部件材料，能耐溫度越高、質(zhì)量越輕，自然就越好。未來也許會出現(xiàn)一種新的材料可以替代鎳基合金渦輪盤。”董建新說。

    董建新還舉例說，古代的椅子都是木頭，現(xiàn)在都用高分子、玻璃來做椅子，這就是材料學(xué)的不斷發(fā)展變化與應(yīng)用的結(jié)果。年輕人的思想需要更多往前想，不能只局限現(xiàn)有的東西，這樣有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。對于科研方向的選擇，董建新教授也是讓學(xué)生們一起來開會，大家來提科研方向，共同討論科研主題。這充分發(fā)揮了學(xué)生們科研的積極性和自主性。

    很多碩士、博士畢業(yè)工作了，董建新教授仍然會“扶上馬送一程”。師生們利用社交軟件，建立一個高溫合金QQ群，大家經(jīng)常在群里討論各種問題，相互幫助查閱需要的相關(guān)資料。在申請一些項目的時候，學(xué)生們還會回過頭來請昔日的導(dǎo)師幫他們看看，提供一些建議供參考。

    2000年6月15日，首屆“高校青年教師獎”頒獎大會在人民大會堂舉行。北京科技大學(xué)材料學(xué)院的董建新教授在教學(xué)和科研領(lǐng)域取得突出成就，榮獲首屆“高校青年教師獎”。“高校青年教師獎”是國務(wù)院批轉(zhuǎn)教育部《面向21世紀(jì)教育振興行動計劃》中“高層次創(chuàng)造性人才工程”的重要項目之一，是與“長江學(xué)者獎勵計劃”特聘教授崗位制度相配合、與“跨世紀(jì)優(yōu)秀人才培養(yǎng)計劃”相銜接的人才培養(yǎng)和獎勵計劃。還作為100名優(yōu)秀青年教師之一入選“高等學(xué)校優(yōu)秀青年教師教學(xué)科研獎勵計劃”。