高温合金团队创新合金理论，自主设计关键性能指标达国际领先水平的四代镍基单晶合金并制备出双冷涡轮叶片，填补我国先进航空发动机自主可控发展的材料“卡脖子”短板。

Based on the new alloy strengthening theories established by the superalloy team, a fourth-generation nickel-based single crystal superalloy with key performance indicators reaching the international leading level and dual-cooled turbine blades have been independently prepared, which would solve the material "strangle hold" problems for the independent and controllable development of national aero-engines.

知其然并知其所以然，为飞机塑造强大“内心”

当飞机自由地翱翔天际，它的“心脏”——航空发动机却经受着严酷的考验。尤其是高速旋转的涡轮叶片，要承受上千摄氏度的炙烤和高强度的拉伸。究竟什么材料能满足如此苛刻的工作条件？这是各国科技战略必争的焦点，也是长期以来制约我国航空发动机技术进步的瓶颈之一。

浙江大学张泽院士带领的高温合金团队以“知其然并知其所以然”的理念进行攻关，创新合金理论，自主设计第四代镍基单晶合金并制备出双冷涡轮叶片，合金关键性能指标达国际领先水平。 

飞机竞“速”，关键看材料

航空发动机通过燃烧燃油推动涡轮叶片旋转为飞机提供动力。燃烧温度越高越充分，它提供的推力也就更大。据介绍，涡轮发动机的涡轮前温度每提升100℃（摄氏度），该发动机的推重比能提升10%左右。然而，温度的提升不是没有上限的，它的“上限”受制于叶片材料的性能——叶片能承受多大的“烤”验。

团队成员赵新宝研究员介绍，航空燃油燃烧时温度可以达到1600℃以上，这样的温度能让铁化为“水”；同时，叶片的工作转速可以达到15000转/分钟，高速旋转产生巨大的离心力，叶片因此最高承受的拉应力超过吊起一辆中型卡车所需要的力。此外，燃油燃烧产生的气体也在腐蚀着叶片。长期处于这样恶劣的服役环境，涡轮叶片会发生缓慢的拉伸变形，当形变量达到极限的时候会发生断裂，造成叶片失效。作为航空发动机中的关键部件，涡轮叶片也是发动机中科技含量最高、挑战最大的部件。 

“金刚不坏之身”在哪里？

让我们试想一下涡轮叶片的工作环境：被强腐蚀性的空气包围，温度高达1600℃以上、气压在20个大气压强以上，且数值随时剧烈变化。能应对残酷的考验，钢铁“硬汉”也是勉为其难的。研究人员需要寻找既强健，又轻盈，且耐用的材料。

镍基单晶高温合金是当前公认的涡轮叶片首选材料，它的性能是飞机更新换代的关键。对比一般的耐热钢、铝合金、镁合金等其他材料，镍基单晶高温合金具有极高的承温能力、高的强度、抗腐蚀和抗氧化能力、长寿命等特点。2019年国庆七十周年上亮相的新一代国产隐形战斗机的涡轮叶片采用的是第二代镍基单晶高温合金。

镍基单晶高温合金的组成十分复杂，由十多种元素组成。“添加的元素基本都是公开的，但是添加多少量、如何搭配、有什么作用各有说法，就像厨师做菜，同样的原料，在不同厨师手上做出来的色香味差异很大。”赵新宝说，在这方面，欧美国家在物理和材料等研究领域的发展早于我国，并已经总结了一系列的经验和数据库，但这些基础数据都不是公开的。同时，欧美国家对涉及航空航天科技等重点领域进行技术封锁，甚至禁止我国留学生参与高压涡轮叶片材料的任何研究课题。

的确，航空航天科技的自主可控是一个长期以来的课题。面对研究基础薄弱，数据积累不够和国外技术封锁的局面，2016年，党中央、国务院在“十三五”期间全面启动实施航空发动机和燃气轮机重大专项，旨在突破主要包括高性能单晶高温合金核心材料技术在内的、阻碍“两机”发展的“卡脖子”难题。 

从“知其所以然”开始

张泽院士提出，单纯的仿制改变不了受制于人的局面，“卡脖子”难题的解决之道，关键还在于“知其然并知其所以然”，不仅要追求材料性能好，而且还要通过显微技术等一系列研究，解释好性能产生的机理，从根本上去探寻材料的微观结构与材料服役性能之间的基本关系，去做一系列的自主探索。

赵新宝介绍，高温合金在不同的服役环境条件下的演化特征是不同的，背后是从原子扩散-位错运动-裂纹扩展等纳微尺度到宏观尺度的一系列演变，如何有效的利用元素添加、析出相设计来实现抑制位错运动或微裂纹扩展的目的是“知其所以然”的关键课题。研究团队认为，高压涡轮叶片材料的核心科学问题是要获得合金元素配方、确立制备工艺、探明服役中的微观结构演化机制。

“我们团队利用先进的电镜技术，对合金的断裂过程进行跟踪对比，找出决定性能好坏的关键因素；根据强化相析出与成分配比、热处理等参数的关系，通过调整热处理工艺，实现了不同尺度强度的匹配。”赵新宝说。自2018年以来，团队阐明了提高其高温持久寿命与组织长期稳定性的结构基础，建立其关键成分—热处理工艺—相结构特征及稳定性—持久性能的依存关系，形成了自主新型合金结构调控相关理论。

在“知其所以然”的基础上，研究团队不断优化合金成分、制备和热处理工艺等的相关设计，自主研制出第四代镍基单晶高温合金，关键指标达到国际先进水平：在1100℃/137MPa条件下的，持久寿命超过500小时，超过了国家重大专项提出的300小时的指标及国外同等第四代镍基单晶高温合金400小时的水平，为高承温能力涡轮叶片的制备提供了材料基础；此外，研究团队联合国内相关企业攻克双层壁冷却涡轮动叶、静叶单晶叶片制备技术，制备出可进行工程验证的等尺寸叶片。