功能材料科技创新服务平台/中国功能材料网 功能材料创新服务平台

如果说航空发动机是“现代工业皇冠上的明珠”，那么，单晶涡轮叶片就是在“明珠上镶钻”。

航空涡轮发动机的本质就是一台能量转换装置，它把航空燃油的化学能，通过燃烧转化为高温高压热能，再推动涡轮旋转转变为机械能，最终转化为飞机的动能。

发动机热端部件耐受温度越高，能量转换效率就越高，发动机推力更大、油耗更低、综合性能也更强。目前商用发动机涡轮前温度可达1500℃以上。军用航空发动机为实现极限战术动作，极限工作温度还要更高。所以，单晶叶片的工作条件极为苛刻，是决定发动机性能、可靠性与寿命的关键因素，也是衡量一个国家航空制造水平的重要标志。

目前，我国单晶涡轮叶片处于怎样的水平？自主技术革新是如何赋能航空发动机核心研发的？

1956年5月26日诞生的中国航发北京航空材料研究院见证了我国航空材料事业从跟跑到并跑、局部领跑的征途。

如今，中国航发航材院专职总师李嘉荣带领团队发明的具有自主知识产权的单晶高温合金已达到国际先进水平。

中国航发航材院专职总师 李嘉荣：我们实现了中国的单晶涡轮叶片材料自主研制，其中第二代单晶高温合金DD6，性能优于或相当于欧美大量应用的第二代单晶高温合金，而且使用成本更低，DD6已经成为目前我国应用量最大的单晶高温合金，为国家节约大量战略资源。

李嘉荣带领团队还揭示了单晶涡轮叶片结晶与再结晶缺陷形成机理及晶体生长机制，突破复合气冷与双层壁超冷单晶涡轮叶片制备关键技术。

李嘉荣：多年来，航材院研制交付的单晶涡轮叶片，在多型先进航空发动机上获得应用，为以先进歼击机为代表的军民用飞机、直升机提供了先进材料支撑。

单晶涡轮叶片的核心使命，就是在超高温、高压、高转速、腐蚀性燃气冲刷的严苛环境下，长期安全、稳定、可靠服役。

中国航发航材院高温合金材料研究所科研人员 岳晓岱：单晶叶片工作时不仅要承受足以熔化普通钢材的超高温，还要承受燃气大力冲刷。叶片绝不能出现拉长、变形；哪怕仅仅拉长1毫米，高速旋转下就有可能直接剐蹭涡轮外环，带来安全隐患。

单晶涡轮叶片明明工作温度已经超过普通钢材甚至接近自身合金熔点，为什么还能长期稳定服役？

岳晓岱：首先就是合金材料本身底子过硬。Ni基单晶高温合金以金属镍为基体，科研人员根据高温强度、抗蠕变性能、耐高温腐蚀等多重需求，科学设计，精准配多种合金元素。这些元素理化特性差异极大：铝和铼可以从不同方面强化合金，但是二者密度相差就近8倍，熔点相差2500℃以上。我们的科研团队历经反复试验、持续攻关，不仅实现了所有元素均匀熔炼融合，还能实现杂质元素有效控制。

20世纪六七十年代，航空发动机涡轮叶片主要使用多晶合金。这类叶片由无数细小晶粒结晶而成，好比石块垒成的石墙，开裂损毁大多不是石块本身断裂，而是石块间的缝隙出现裂纹。如今的单晶合金则采用特殊工艺，让整片叶片形成一个完整晶体，如同没有缝隙的整块石板。相较之下，它的结构强度和高温耐受能力都实现了质的飞跃。这一“超级金属”究竟是怎样“炼”成的呢？

单晶涡轮叶片的铸造沿用了古老的失蜡法工艺。

岳晓岱：我们会先用尺寸非常精密的模具来压制叶片的型芯，然后在型芯外面压制叶片的蜡模。然后在外面涂覆陶瓷型壳，然后把蜡熔化掉，就形成内部为型芯、外部为陶瓷壳的铸造型壳。接下来，将合金熔液浇注进这个空腔，冷却凝固后，原本蜡模占据的位置就变成了金属叶片。最后再把叶片内部陶瓷型芯脱除，空心冷却结构的单晶叶片就由图纸变成了实体。

单晶叶片从合金熔炼制备到最终成品交付，全程涉及十余个核心大工序，而每个核心工序又会细分出十几道甚至几十道精细小工序。目前，能够独立自主掌握单晶涡轮叶片全套材料研发+精密铸造+工程应用全链条技术的国家，全球仅有美国、英国、俄罗斯、法国和中国。

北京航空材料研究院从20世纪80年代起，率先研发出具有自主知识产权的单晶高温合金，以及我国第一件单晶涡轮叶片、第一件单晶空心涡轮叶片等，填补我国多项空白。

中国航发航材院党委副书记 王文强：经过70年的发展，航材院已拥有16个领域近80个材料专业，是国内材料领域的“航空母舰”。我们航材人将为加快航空发动机自主研制步伐，实现高水平科技自立自强，为强国建设和民族复兴伟业，书写更加灿烂的材料华章。