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20180425--【大学】打造中国航空发动机叶片“金钟罩”

                      

                                来源:中央纪委国家监委网站 分享

主讲嘉宾:徐惠彬 北京航空航天大学校长、中国工程院院士

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让中国飞机发动机穿上自己做的衣服

  

【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。

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【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。


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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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空天报国,航空梦要一代代青年接力实现

  

【导视】第一代热障涂层是追上来的,是跟跑。第二代热障涂层我们从跟跑到了并跑。空天报国,一代一代传承下来,用我们的航空梦来助力中国梦。

  

徐惠彬:我们把中国的第一代热障涂层问题解决,得到了国家第一个航空发动机叶片热障涂层的国家技术发明二等奖,这是国家给我们的荣誉。2006年到前年又十年过去了,我们又做了什么呢?大家注意看中间有一个人。这个大的设备,这台设备是谁设计的?这就是刚才那个年轻人叫宫声凯。宫声凯站起来给大家亮个相。

  

我们为什么要自己做设备?全世界在我们之前只有两个国家能做设备,一个是乌克兰,还有一个是德国。乌克兰的设备要150万美元到200万美元,德国的设备要1000万美元以上,我们也买不起。这个设备做完了之后,我们还不到一千万人民币,而且它为我们国家的新一代发动机做了至少三大贡献。

  

过去我们做的第一代叶片涂层只能在导向叶片上做,转子叶片做上去以后寿命太低。用我们自己生产的设备在工作叶片上、转子叶片上实现了热障涂层的完美制备,导向叶片寿命提高了一倍。还有一点,就是我们现在做的第一代涂层是YSZ。YSZ的承受温度能力是1250度到1300度,再高它就会烧结,一烧结以后就变成块材,热膨胀以后的热应力特别大。我们课题组自己发明了第二代涂层材料,第二代热障涂层材料做到发动机的叶片上以后,已经进行了领先试用。这个工作现在跟美国和欧洲,在同一个起跑线上。我们第一代热障涂层是追上来的是跟跑,人家已经做了二三十年我们追上了。到第二代热障涂层,从设备到材料到工艺,我们已经站在了同样一条线上,也就是说我们从跟跑到了并跑。我们现在不敢说领跑,但是据我们了解的资料来看,我们现在就是所有的东西在同一条线上,这是我们非常自豪的一件事。2016年这个工作获得了国家发明一等奖,就是刚才站起来的宫声凯老师是第一完成人,这是咱们获得的国家发明一等奖。


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【北京航空航天博物馆场景】

  

徐惠彬:现在这个里面转动的这个叶片就是工作叶片,我们也叫转子叶片。我们的热障涂层主要涂在导向叶片和工作叶片上,这两片是温度最高的。我们的三大技术:冷却技术,耐温技术,以及热障涂层技术。这三件工作都是我们团队做的。下一代发动机,需要的材料更好,那个时候可能更需要更多的年轻人来从事这项任务。

  

徐惠彬:这张图大家都认识,师昌绪。师先生已经过世了。师先生是我们材料界很仰视的,我个人也一直把师先生作为学习的榜样和追求的目标。师先生是1955年从美国拿到博士回国的,一直是做高温合金。1955年回国的时候中国还是一穷二白。

  

【视频资料】

  

师昌绪:我在美国就说过,回去吃窝头,我都愿意。我的老师叫科恩,他就说你为什么要回国呀?我说我是中国人,在你们美国像我这样的多得很,在中国我们是很少的,是需要的。

  

徐惠彬:师先生一辈子为我们国家的材料领域、材料工业做出了巨大的贡献,所以他荣获了国家最高奖。我们航空界或者材料界认为,师先生最大的贡献就是他在中国第一次研制出来了九小孔的空心叶片。当时这个叶片都是实心的,没法冷却。师先生在70年代,当时在中科院的沈阳金属所,他领导着金属所高温合金研制组研制出来了。我们国家好几代的军机都是用的师先生研制出来的九小孔的空心叶片,这个解决了冷却问题。

  

【视频资料】

  

师昌绪:我们国家一直是想自己做,因为国外对我们封锁,经过几年的努力,我们现在已基本立足于国内。

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“尽忠报国:回到北航的价值就是使我做的材料和产品有一天飞上中国的蓝天”

  

讲讲我自己的经历。这张照片是1985年1月去德国 留学时拍摄的。第一个人和第三个人虽然长相不一样,穿的衣服是不是很一样啊?为什么呢?我讲讲这个故事。

  

1985年1月我被公派出国。那个时候中国很穷,穿的衣服出国怕丢人,公费的留学生有一个待遇,国家给每个留学生700元的置装费买衣服。我跟同学到了北京友谊商店买衣服,当时我的工资是多少?那时候我大学刚毕业,当时的工资是54.5元。这700块钱相当于我一年多的工资,国家对我们公费留学生多好。我们俩就去买衣服,都买的一样的衣服,买了一件风衣,买了一套全毛的西装。中间这位同学在德国待了几年了,所以他的衣服在德国买的,就跟我们在友谊商场买的不一样。我们俩没别的可买,所以买的一模一样。德国人觉得很奇怪,说这是你们的工作校服吗?怎么一模一样?最奇怪的是我们俩买了礼帽,后来才知道侦探才戴这个礼帽,当时不知道外国穿什么衣服。

  

到了德国以后潜心做研究。先做硕士后做博士,做的都是基础研究,做材料科学。在座的可能有好多研究生都是做材料科学的,材料也很美,被这些美丽的材料科学所吸引。这是铜基形状记忆合金单晶里边的孪晶结构,是在光学金相显微镜下照出来的,主要是做材料,一种马氏体的孪晶结构。大的是孪晶,中间是孪晶的对称镜面,孪晶里面还有孪晶,非常美。

  

这是我当时在慕尼黑工大的一个笔记,这上边是用德文和中文一起写的。研究相变怎么样提高温度,怎么样让它智能,要不要产生相变和不产生相变,怎么样解决热膨胀问题,天天研究这个。后来,我就把这些记录带回国了。

  

1993年,我在德国待了八年零八个月终于要回国了。当时我立志回国,回国创业。这是北航大概90年代的一张照片。我回北航的时候学院路还没有,很窄也没有车,什么过街天桥、北四环就更没有。

  

这是我们创业的图。干什么呢?用肩膀和棍子来装卸设备,这是真实的。这是装卸设备的一个图。大家很高兴,撬棍、木头、吊车、树,这是创业。

  

回国以后面临着很多困难,但是也挺高兴的。用这张照片可以反映我的心情:尽忠报国。能够反映我的家国情怀。中国当时确实不富裕。我当时的工资一个月已经不低了——370块,年收入四千多块钱。我在德国的年薪是八万马克,一马克相当于五块多钱人民币,一换算40万,正好我的工资回来降低了100倍。同学经常问我说,徐惠彬为什么要回国,你的价值何在?一个月挣300多块钱你哪有价值?我说我回到北航,我的价值就是使我做的材料和产品,能够有一天飞在中国的蓝天上。

  

“航天梦助力中国梦,要一代代青年接力奋斗去实现”

  

下面我把我们做的一些实物的东西给大家看一看。我们刚才讲到了,发动机“一盘两片”特别是两片有三大关键技术。这个叶片看起来已经非常复杂了,它是双层气冷叶片,如果打开的话,它里边构造和空心设计复杂的程度到了毫米级。里边的每个小柱、每个小槽都是到毫米级的。这个又是单晶,一定要用铸造的方法把单晶做出来,而且每个沟槽、每个小导流柱都是单晶。这个就是一个工艺品。能把这么完美的东西做出来,实现它的冷却技术,这是我们北航做出来的,是我们团队做出来的。

  

这个叶片的合金已经是比现在我们能从资料上查出来的所有合金的承温能力,提高了80℃-100℃。

  

【视频资料】

  

师昌绪:这100℃是什么概念呢?就是我们发展材料,高温合金,每年平均增加7-8℃。这一下子提高100℃,这个很难。

  

徐惠彬:这个合金的耐温程度肯定是在全世界最高的制高点上。这是发动机叶片的第二代涂层,做在叶片上,已经在领先试车。这三项工作,一个是合金的单晶承温能力,一个是冷效,一个是热障涂层,这三件工作在世界上都是一流的,已经达到了跟美国、欧洲比肩并跑的水平,这是我们的自豪,用我们的航空梦助力中国梦。

  

唐朝诗人王勃写了一句话,“海内存知己,天涯若比邻。”现在的军用发动机可以实现超音速三倍的加力,可以实现超音速巡航,但民用发动机还做不到。如果我们做的民用发动机能够达到超音速三倍或者四倍飞行的时候,我们到美国纽约只需要两个小时。这一切取决于发动机的性能。那个时候整个地球就是一个地球村,真正是做到了“海内存知己,天涯若比邻。”我们去纽约可以一天打个来回了,这个是航空梦。我们这一代人已经60岁上下,在座的年轻人都是二三十岁。我希望再有十年、二十年的时候你们能够实现这个梦想。


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互动环节

  

提问:徐校长,您好。北航从1952年成立65年以来,为我们祖国的航空航天领域培养了一代又一代的杰出人才,我想问一下您能否再分享一些关于他们的优秀事迹和小故事?

  

徐惠彬:北航是1952年建校的,建校的纪念日是10月25日。10月25日是什么日子?就是抗美援朝的纪念日,当时周总理亲自定的。那个时候咱们学校是八个学校的航空学院合并而来的。我们统计了一下,当时建校的元老当中有28位正教授和17位副教授,这些人绝大多数都是从西方国家、发达国家学成回国的。高歌,他在1984年发明了一个发动机里边燃烧室的结构,沙丘驻涡稳定器。这项发明被钱学森称为是一个为国人争气的一项重大发明[这句话,最后用的时候建议删掉。可以配图片在视频中。]。高歌老师是怎么发明的沙丘驻涡呢?他毕业以后就到青海工作了。

  

【视频资料】

  

高歌:我去那报到的路上,路边都是大沙漠,沙漠里面有形形色色的各种各样的沙丘,有一种沙丘引起了我的注意,这沙丘非常漂亮,弯弯的,就像月牙形状,我当时就想了,这种月牙形状的沙丘为什么这么稳定呢?如果说它能够在那停留几十年、几百年、甚至上千年不变,那就必然有其道理。

  

徐惠彬:他就把这项技术做到了发动机里边,现在好几代发动机都用了高歌老师的沙丘驻涡火焰稳定器,使得飞机的推力增加了好几个百分点。

  

我们北航,空天报国,敢为人先,也有自己红色基因一代一代传承下来。为国家效力,尽忠报国这么一个红色基因是一代一代传下来的。

  

习近平总书记在十九大报告中指出,“中国梦是历史的、现实的,也是未来的;是我们这一代的,更是青年一代的。中华民族伟大复兴的中国梦终将在一代代青年的接力奋斗中变为现实。”

  

谢谢大家!

  

片尾:中国要造自己的大飞机,尽忠报国,能做出一点点的贡献,也是贡献。我的价值就是能够使我做的材料和产品,能够有一天飞在中国的蓝天上。用我们的航空梦来助力中国梦


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