戍天九思：中国航空发动机逆袭背后的三大技术突破

lameihua

　　近年来，中国航空发动机取得了一系列长足进步，与歼-10配套的涡扇-10、与歼-20配套的涡扇-15、与运-20配套的涡扇-20都已装备部队，与C-919配套的长江CJ-1000A也已完成试飞，即将进入量产。同时，与之技术相关的15兆瓦、50兆瓦、110兆瓦、300兆瓦重型燃气轮机也已突破，中国动力技术进入高速发展的快车道。为什么？

　　高品质“核心机”的三块拼图

　　航空专家说，火电机组的汽轮机、航空发动机、船用燃气轮机，这三种动力系统的核心燃烧室都是一样的，被称为“核心机”。

　　▲2024年2月下线的300兆瓦重型燃气轮机将是下一代航母的动力

　　核心机都需要在高温、高压、高转速等极端条件下运行，其工作温度、压力和转速越高，发动机效率也就越高，但是，发动机寿命就越短，这是一对永恒的矛盾。因此，科学家和工程师一直在探索解决这对矛盾。要确保发动机的高效率和长寿命，一靠材料，二靠设计，三靠工艺，三者缺一不可。

　　只有突破了材料、设计和工艺这三大核心技术的门槛，“核心机”才有可能走上高速发展的快车道。

　　2017年稀土钢技术突破奠定了材料基础

　　长期以来，我国盾构机虽然实现国产化，但核心部件——主轴承一直依赖进口。2022年12月，我国成功研制超大型盾构机用直径8米、重达41吨的主轴承，这是目前我国制造的首台套直径最大、单重最大的盾构机用主轴承。各项技术性能指标达到先进国际水平。从此，超大型盾构机有了“中国心”！

　　▲自研超大型盾构机用直径8米主轴承

　　事实上，超大型盾构机主轴承成功源于稀土钢技术的突破。稀土被称为“工业维生素”，可显著提高钢的韧塑性及耐磨、耐热、耐蚀性。长期以来，我国尽管有大量优质稀土，但是，稀土钢技术却被国外垄断着，我国一直未能突破。

　　从2007年开始，中科院金属研究所李依依院士、李殿中研究员科研团队，经过长达10年的攻关，于2017年发现了稀土合金和钢水“双纯净化”的关键作用，研发出“稀土钢纯净化制备技术”。

　　李殿中讲，1吨钢只需加入200克左右的微量稀土，即可大幅提升钢的韧塑性和疲劳寿命。成本只增加了10多元钱，但疲劳性能却可以提升一个数量级。稀土加入轴承钢后，影响疲劳寿命的大尺寸夹杂物数量减少50%；加入模具钢后，其使用寿命提高1倍以上；加入重轨钢后，疲劳寿命提高了30%以上。

　　材料是基础，没有好材料，“巧媳难为无米之炊”。正是因为有了2017年稀土钢技术的重大突破，2016年5月成立的中国航发集团后来才有了底气。发动机叶片虽是铝钛合金，但也添加了稀土。

　　比如，“双低氧稀土钢”技术使得GCr15轴承钢的拉压疲劳寿命和滚动接触疲劳寿命分别提升了高达40倍，这极大地增强了航空发动机关键部件的耐用性和可靠性。

　　师昌绪发明的空心叶片冷却技术奠定了设计理论基础

　　2024年6月24日，《中国科学报》发表题为《为国铸造：“空心”叶片里的决心》文章，介绍了中国科学院金属研究所师昌绪等老一辈科学家发明并改进航空发动机空心叶片的事迹。

　　航空发动机在高温、高压、高转速等极端条件下运行。为了确保发动机的高效率和长寿命，科学家和工程师一直在不断改进发动机设计和材料，其中空心叶片冷却技术在提高涡轮叶片性能方面发挥了关键作用。

　　国外研究发现，空心叶片可以通过内部冷却通道内的空气实现对叶片的冷却，由此提升叶片的整体承温能力。而涡轮叶片的承温能力直接决定发动机的工作效率。

　　1961年，美国成功研制出空心涡轮叶片，使战机的飞行速度和作战性能大幅提高。

　　1966年11月，时任航空研究院金属所高温合金课题组负责人师昌绪等人，在简陋的铸造实验室里试制出我国首个9小孔铸造空心涡轮叶片，装机测试成功，我国成为继美国之后世界上第二个成功采用精铸气冷涡轮叶片的国家，仅比美国晚5年。

　　▲师昌绪设计空心涡轮叶片的图纸

　　▲1983年，师昌绪（右一）与航空发动机厂的工程师讨论问题。

　　师昌绪院士因主持铸造空心涡轮叶片的研制和推广工作，荣获2010年度国家最高科学技术奖。

　　为了表彰师昌绪作出的巨大贡献，2011年12月，国际小行星中心将第28468号小行星永久命名为“师昌绪星”。

　　后来，沿着师昌绪设计材料制造一体化的攻关思路，随着冷却孔腔的设计从简单到复杂，承温能力不断提高，航发空心叶片也从第一代发展到第四代单晶涡轮叶片，航空发动机的效率和寿命显著提高。

　　超大型热等静压装备突破奠定了工艺设备的基础

　　2024年7月19日，中国钢研科技集团正式发布我国首台套超大型热等静压装备HIPEX1850。这是目前国内最大、世界第二大尺寸的热等静压装备，可应用于我国航空航天等领域大型核心零部件的加工处理。这标志着我国热等静压装备研制技术取得重大进展。

　　▲我国首台套超大型热等静压装备HIPEX1850

　　▲热等静压装备可应用于航空航天、电力能源、燃气轮机等多个高端制造领域

　　热等静压技术由美国贝尔实验室1955年研发并推广，是一种制造高性能材料的关键技术，通过对材料进行高温高压处理，材料组织更加均匀，致密度更高，材料内部的微孔、裂纹、偏析等缺陷可被完全消除，最后材料的耐磨性、耐腐蚀性和综合机械性能显著提升，材料疲劳寿命可提高10—100倍。

　　我国从1977年生产出第一台小型热等静压设备，到如今超大型装备正式问世，不仅实现了装备尺寸的跨越式发展，更在装备设计制造的关键核心技术上取得了重大突破。

　　笔者认为，随着新一代材料、设计和工艺技术的突破，我国的航空发动机必将上一个新台阶，与C929配套的长江CJ-2000等新一代发动机在路上。