魁星点斗灵符​‎

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治好中国航空业的心脏病为什么这么难？
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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；一个是飞机的心脏——发动机。这两个“心”的问题不解决，我们就难以从一个大国成为强国。造不出来不出自己的心脏，总是长期赖于国外，这也不是一个强国，甚至是一个大国的所为。

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？北京航空航天大学校长、中国工程院院士徐惠彬，主讲《打造中国航空发动机叶片“金钟罩”》，为你揭秘中国航空发动机叶片涂层材料研制的突破过程。

航空发动机难在哪里？

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发动机需要非常高的安全性和可靠性

现在的一台民用发动机，要求稳定地工作三万小时，不能出任何故障。将来要超过三万小时，其中，有个两个实验是发动机必须要做的。

第一个实验叫抛鸟实验。

在航空飞行中，全球每年因鸟撞事故而造成的损失多达几十亿美元。据中国航空报报道：在2014年10月中国首次成功完成某型飞机发动机整机吞鸟试验。实验首次采用目测三点法、激光对准法，保证了鸟体实际撞击部位与设定点的偏差小于30mm；首次使用高速相机，实现了试验速度测量误差小于0.01%。

航空发动机进行“抛鸟”试验

第二个实验叫吞冰实验。

吞冰片试验目的，主要是为考核某型发动机对吞入一定形状、大小和数量冰片或冰雹的能力,在地面试验台上模拟飞行环境对发动机进行专项考核试验。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，吞进去的话发动机不能说停下检修，叶片打碎了，发动着火了还能飞吗？这两项实验证明发动机具有高度的安全性和可靠性。

航空发动机进行“吞冰”试验

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发动机的叶片承载巨大的离心力

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。

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发动机的温度极高

现在发动机用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（开尔文）和C（摄氏度）相比差了273度。民机发动机燃烧室的温度也要达到1800到1900K。而发动机所用的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。所以说所有金属材料的叶片，在发动机燃烧室里边，它是处于熔化状态的，而且它还要挂着10000倍的离心力，你想想它是不是做到了极致。

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《航空知识》资深编辑倾力编译

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极致的加工精度要求

或许大家听说过层流和湍流，当流速很小时，流体分层流动，互不混合，称为层流，或称为片流；当流速增加到很大时，流线不再清楚可辨，流场中有许多小漩涡，称为湍流。发动机飞得很高，然后前面有风扇，压气机把风吹到燃烧室，相当于17级的风速，这个时候要确保火焰在里边稳定地燃烧，这对于搞空气动力学的也是一个极限，设计不好吹偏了把旁边都烧掉了。发动机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，要确保每个零件都万无一失，所以发动机这个产品有多么精致。

让中国飞机发动机穿上自己做的衣服

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发动机的核心：“一盘两片”

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去以后带动它转动的。“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，然后才能吹着工作叶片转动。它是首先接触火焰的，紧接着就是工作片就是转动的，这是里面最难攻克的。

三项技术：冷却、合金的温度、加上涂层

发动机的叶片的工作温度已经远远超出了合金的熔点，怎么能让它不化呢？第一个需要冷却，中间把它做成空心的，冷空气吹进去然后冷却它，在外边形成个保护膜来保护它，因为它有一个温度梯度在里边，表面的温就降很多。第二件事让合金的承温能力继续提高。第三件事给它穿上一层衣服。深色的叶片，就是没有穿衣的叶片，白的叶片就是穿了一层衣服的叶片。

穿了什么衣服呢？一个热障涂层，叫 Thermal Barrier Coating（TBC），是应用于热端部件表面的高温防护陶瓷涂层。通过把合金与其工作附近的超高温热源隔离，来降低工件表面温度，从而提高器件的工作温度和寿命。这个陶瓷衣服涂上去难度大了，因为大家知道陶瓷很脆，金属的热膨胀系数很大，金属膨胀了陶瓷没有热膨胀，或者膨胀很小一下就把它崩掉了。所以要想穿上这层衣服非常难。

不带陶瓷涂层叶片(左)和带热障陶瓷涂层叶片(右)服役后表面状态对比

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材料的进化史：等轴晶体、定向晶体、单晶体

解剖航空发动机的材料的话，它用了哪些材料呢？如下图，蓝色的是钛合金，红色的是镍基合金，然后黄色的主轴轴承用的是钢，然后还用了少量的铝和复合材料。90%以上都是用的金属材料，金属材料有个特点，它在温高的情况下，它的强度会大幅度地降低。

比强度（Specific Strength），钛合金的比强度在室温下是最高的，镍基合金其次，然后是钢和铝合金差不多。但是钛合金随着温度的增加，它很快强度就衰减了，镍基高温合金的比强度虽然不是最高，但它能够撑的温度比较高，撑得时间也比较长。这就是为什么我们现在做的涡轮叶片的合金，都是用镍基高温合金做出来的，而不能用钛合金。那么科学家们想办法，大家知道最开始做的叶片，是用铸造的方法做出的是等轴晶，放大以后，它由很多晶粒组成。但是在高温下，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，温度一高晶界就开始软化，然后这时候再有个巨大的离心力，这个晶界就碎了。第二步科学家们做出了定向，让所有的晶粒往一个方向长，它虽然有个晶界，但是它的晶界都是竖着的，有离心力的时候不要紧，但是横向不行，只要有横向力的话它从晶界就断开了。第三要做成单晶体，想了很多法，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，温度还得接着提高从而增加推力。怎么办呢？做成空心的，就是师先生做的，当时叫九小孔，现在这孔可达到90个900个。单通道不行做成多通道，就为了让它到处都冷却，不行的话加涂层，热障涂层。做出来这个热障涂层非常不容易，陶瓷里有个概念相变增韧，如果你有一点小的相变的话可以增韧，不会产生很大的裂纹。当时我们解决了材料问题——YSZ，YSZ陶瓷材料因为其卓越的物理、化学性能、良好的热稳定性、极低的热导率，一直是一种被广泛应用的热阻材料。结构上，我们发明了一种新结构，从陶瓷到机体中间有一个过渡层，叫粘结层，这一层总是掉粘不住，怎么回事呢？我们感觉合金的成分与前与后差距太大，所以我们就把粘结层做成了一个梯度, 叫 GBTBC，梯度的粘结层。在结构上有了这个新的发明。

发动机的叶片穿上了中国人自己做的衣服

理论存在了，可真正要让发动机叶片穿上了中国人自己做的衣服可没有那么容易，只有通过不断热循环才能证明叶片能真正可以穿上这层衣服。一个小时拿出来一次冷却，最多做到了多少呢，一万次，或者叫一万个小时的循环，一个小时一次。一万个小时是多长时间？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。所以做一次实验要做一万小时，一年多的时间。冬天还好，可夏天的时候那真是热。徐校长说：“热我们也高兴，只要它叶片涂层不掉，所以我们觉得很自豪。我们把整个的材料、结构、工艺、表征、测试、寿命预测，把它做完了之后能达到一万个小时，我们特别开心。”由此发动机的叶片不再“赤膊上阵”，而是穿上了中国人自己做的“金钟罩”！

以上文字部分摘录于《打造中国航空发动机叶片“金钟罩”》

风上风云｜云端故事

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