[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。

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