我國在大飛機(jī)制造技術(shù)上與西方發(fā)達(dá)國家仍存在較大差距，重大瓶頸問題就是發(fā)動(dòng)機(jī)的推力嚴(yán)重不足。為提高發(fā)動(dòng)機(jī)推力，就需要發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片具有更高的承溫能力。
因此，國外大推力航空發(fā)動(dòng)機(jī)全都采用單晶高溫合金葉片。而在我國，由于單晶高溫合金葉片制造技術(shù)的落后，大推力航空發(fā)動(dòng)機(jī)只能采用定向柱晶葉片，從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力、壽命與可靠性嚴(yán)重不足。顯然，單晶高溫合金葉片制造技術(shù)的突破將成為我國大飛機(jī)制造發(fā)展的關(guān)鍵。
2007年，國內(nèi)的航空航天技術(shù)也進(jìn)入了新的發(fā)展階段，國家宣布大飛機(jī)立項(xiàng)，迫切需要高溫合金專業(yè)的研究人員。2009年6月，中國科學(xué)院金屬研究所研究員周亦胄在中國科學(xué)院“百人計(jì)劃”項(xiàng)目的支持下開始組建單晶高溫合金制造技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，瞄準(zhǔn)我國航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展對(duì)單晶高溫合金制造技術(shù)的重大需求，開展單晶高溫合金制造技術(shù)及缺陷控制的研究工作。
攻克難題：成功研發(fā)中國制造的“皇冠明珠”
單晶高溫合金葉片制造的技術(shù)難題，主要難在哪里？一是，單晶葉片的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，內(nèi)部有精細(xì)的風(fēng)冷通道需要鑄造成形，這導(dǎo)致葉片鑄造時(shí)會(huì)出現(xiàn)很多結(jié)構(gòu)性缺陷；二是，單晶葉片制造過程中會(huì)出現(xiàn)雜晶、小角晶界、取向偏離、再結(jié)晶、型殼反應(yīng)、表面疏松、熱裂紋等多種不同類型的冶金缺陷，每種缺陷的產(chǎn)生都可以造成高溫合金葉片的報(bào)廢，導(dǎo)致其合格率很低。
針對(duì)這些技術(shù)難題，周亦胄帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)開展了雜晶、小角晶界、取向偏離、再結(jié)晶、型殼反應(yīng)、表面疏松、熱裂紋等缺陷形成機(jī)制的基礎(chǔ)研究，他堅(jiān)持深入一線進(jìn)行模具設(shè)計(jì)、蠟?zāi)＝M合、鑄造實(shí)驗(yàn)、樣品制備以及觀察分析。完成實(shí)驗(yàn)室研究工作后，他又帶領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)到發(fā)動(dòng)機(jī)葉片制造廠進(jìn)行生產(chǎn)性驗(yàn)證。
周亦胄團(tuán)隊(duì)根據(jù)單晶葉片凝固缺陷的形成機(jī)制提出了多項(xiàng)工程上行之有效的凝固缺陷控制措施，形成了一套單晶葉片規(guī)模化制造的全流程控制技術(shù)，成功研制出多種不同類型的單晶葉片，在現(xiàn)有的工業(yè)基礎(chǔ)條件下實(shí)現(xiàn)了單晶葉片制造技術(shù)的突破，為中航工業(yè)發(fā)動(dòng)機(jī)公司、航天科工集團(tuán)公司等新型發(fā)動(dòng)機(jī)的研制提供了葉片保障。
其中一項(xiàng)標(biāo)志性成果，就是采用我國新型的第二代單晶高溫合金DD405，成功鑄造出了中航工業(yè)新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的高壓渦輪轉(zhuǎn)子單晶葉片。該葉片在發(fā)動(dòng)機(jī)試車考核中表現(xiàn)優(yōu)越，標(biāo)志著我國在復(fù)雜結(jié)構(gòu)單晶葉片制造技術(shù)上取得了重要進(jìn)展。此外，多項(xiàng)單晶葉片鑄造技術(shù)還以技術(shù)轉(zhuǎn)移的方式推廣到了中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)公司，顯著促進(jìn)了我國單晶高溫合金葉片鑄造技術(shù)的進(jìn)步。
變廢為寶：實(shí)現(xiàn)稀貴金屬再生循環(huán)利用
在高溫合金葉片鑄造過程中，需要通過澆道與冒口設(shè)置來保證葉片中不出現(xiàn)凝固缺陷。由于鑄造后澆道與冒口內(nèi)的高溫合金不允許在航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件制造中重復(fù)使用，因此，高溫合金葉片鑄造過程中產(chǎn)生出的廢料常高達(dá)總用料的70%。單晶高溫合金材料的基體為鎳元素，其中含有錸、鉭、鎢、鉬、鈷等多種稀有貴重金屬。
以錸為例，作為一種重要的戰(zhàn)略稀缺金屬，錸在世界范圍內(nèi)儲(chǔ)量不足1萬噸，而我國的保有儲(chǔ)量?jī)H為200余噸，價(jià)格約為3萬元/千克，這使含錸單晶高溫合金材料的價(jià)格非常昂貴。如：含3wt.%錸的第二代單晶高溫合金價(jià)格為200萬元/噸，含6wt.%錸的第三代單晶高溫合金價(jià)格達(dá)到約300萬元/噸。
目前，我國已開始大量采用第二代單晶高溫合金制造航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)單晶葉片，在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生出大量含錸高溫合金廢料。由于缺少相關(guān)分離提取技術(shù)，使得合金廢料中錸、鉭、鎢、鉬、鈷等高價(jià)值元素只能被當(dāng)作鎳來對(duì)待，造成了極大的資源浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失。
針對(duì)這一難題，周亦胄進(jìn)行了深入思考：能否從廢料的回收再利用方面尋找突破口，減少巨大的資源浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失，實(shí)現(xiàn)先進(jìn)單晶葉片制造的長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展？由于國外對(duì)相關(guān)研究成果和技術(shù)方案的封鎖，要研究高溫合金廢料中回收稀貴金屬的技術(shù)，幾乎是從零開始。
周亦胄迎難而上，著手在金屬研究所組建稀貴金屬資源再生循環(huán)利用實(shí)驗(yàn)室。為確定技術(shù)路線，他奔波于全國各地找資源循環(huán)利用專家進(jìn)行討論，分析各種回收處理高溫合金廢料方法的可行性。
經(jīng)過反復(fù)論證，周亦胄最終確定了采用電化學(xué)溶解法多步分離提取高溫合金廢料中稀貴金屬元素的技術(shù)路線。隨后，他組織起一支具有電化學(xué)腐蝕與化學(xué)分離提取研究背景的科研隊(duì)伍，探索了高溫合金廢料電化學(xué)溶解、沉淀分離、萃取分離、離子交換分離、金屬化合物重結(jié)晶提純、金屬化合物氣體還原、金屬粉末熱壓燒結(jié)等環(huán)節(jié)中的關(guān)鍵科學(xué)與技術(shù)問題。
經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，周亦胄研究團(tuán)隊(duì)建立起了從高溫合金廢料中分離回收稀貴金屬元素的技術(shù)路線，實(shí)現(xiàn)了從高溫合金廢料中分離回收錸、鉭、鎢、鉬、鈷等稀貴金屬元素的目標(biāo)，填補(bǔ)了國內(nèi)的技術(shù)空白，并形成了與之配套的高溫合金低成本制造技術(shù)，該技術(shù)可使第二、三代單晶高溫合金的制造成本顯著降低。
談到取得多項(xiàng)突破性科研成果的成功經(jīng)驗(yàn)，周亦胄說：“科研工作者必須具備兩方面能力：一是要把國家需求和研究方向密切結(jié)合，圍繞國家需求推動(dòng)和促進(jìn)專業(yè)領(lǐng)域發(fā)展。二是要有不息探索的執(zhí)著和鍥而不舍的精神。一項(xiàng)成功的研究成果背后可能隱藏著上百次甚至上千次的失敗，只有鍥而不舍的執(zhí)著精神才能帶領(lǐng)我們走出失敗，走向成功。”
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