任忠鸣：与国际同行“并跑”

吴苡婷

任忠鸣

上海大学材料科学与工程学院教授

1958年3月出生，博士。上海大学省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室主任，国际磁科学学术委员会委员，发表论文近400篇，获得专利40余项，重要国际学术会议上发表大会报告或主题/特邀报告30余次。

作为航空发动机和燃气轮机等的核心主承力部件，高温合金叶片需要具有高强度、高韧性、抗腐蚀、抗疲劳和抗冲击的优良性能，因为其形状复杂、质量要求高、制造难度极大，因而也被称为制造技术“皇冠上的明珠”。

长久以来，该项技术一直由发达国家垄断，中国从20世纪60年代就着手研发，但进步缓慢。近年来，上海大学省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室联合中国航发北京航空材料研究院、华中科技大学、上海交通大学、上海电气中央研究院科研人员组成的科研团队，在国家“两机”重大专项（航空发动机和燃气轮机重大专项）和中航发商用航空发动机公司的支持下，终于在这个领域实现了突破，打造出了“中国产”飞机发动机双层壁超冷单晶叶片，达到了发达国家同等技术水平，完成了“并跑”的目标。日前《大飞机》杂志特约记者采访了上海大学省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室主任任忠鸣教授。

40年孜孜以求

任忠鸣是文革结束后的第一届大学生，40多年来，一直在冶金领域默默奋斗。1982年，任忠鸣师承我国著名的铸造理论专家郭可讱老先生攻读研究生，开始从事液态金属浇铸方面的研究。1994年，任忠鸣来到上海大学攻读博士后，之后加入了钢铁冶金专家徐匡迪院士的团队，在冶金领域深耕不辍。

2005年，国家启动大飞机重大专项后，任忠鸣的团队就瞄准了“飞机发动机叶片制造”这一高难度的技术难题。在攻关过程中，他们先后攻克了F级燃气轮机用空心单晶叶片制备、CJ1000航空发动机用非轴对称双联单晶空心静子叶片制备及其一系列涡轴、涡扇发动机用定向、单晶叶片制备技术。

自2013年起，任忠鸣团队与中国航发商用航空发动机有限责任公司联合开展单晶双层壁叶片的制备研究，解决了复杂陶瓷型芯整体制造、双層壁单晶叶片定向凝固和叶片质量检测等技术难题。最终，任忠鸣团队实现了飞机发动机叶片的重大突破。

“有史以来最复杂的合金材料”

耐热1500℃的性能优良的合金材料究竟是如何打造的呢？

从20世纪30年代后期起，英、德、美等国就开始研究高温合金，这种材料一般是指以铁、镍、钴为基的合金。任忠鸣告诉记者，高温合金是人类有史以来打造的最复杂的合金材料，包含了20多种金属元素，还要精准控制含量。

高温合金材料的打造不是一蹴而就的，需要通过三个步骤才能实现。任忠鸣介绍说，第一步是冶炼铸造过程，这涉及到凝固结晶的控制技术，在钢铁的精炼过程中，各国积累了大量的经验，但是目前最优质的配方，也只能达到1150℃的熔点温度。

第二步是要给材料穿上隔热“衣服”，也就是热障涂层，这些涂层通常使用陶瓷材料。不过，陶瓷材料虽然可以耐高温，但是它比较薄，又比较脆，如果用传统工艺容易产生脱落，目前采用比较多的是火焰喷涂、等离子喷涂、电子束喷涂等方法，使得陶瓷和金属之间的连接更加牢固，这样的组合又可以将熔点温度提高100℃。

最后一个步骤是冷却。鲜为人知的是发动机叶片内部是空心的。正因为是空心的，冷却时可以采用向叶片内部吹气冷却的方法。气体通过外部的轴和孔道进入，从而提高叶片的耐热温度。经过这道工序，叶片的耐热温度又增加了250℃。

“弯道超车是不可能的”

要打造具有自主知识产权的国产航空发动机叶片，还有很长的路要走。任忠鸣告诉记者，上述技术路径有两大拦路虎，一是国外的专利壁垒，二是成本问题。为了绕开国外的专利壁垒，中国人必须要另辟蹊径，打造自主知识产权的技术，而且这种技术必须要考虑到未来商业化的成本问题。

另外，西方发达国家还在不断自我超越，美国科学家目前已经把飞机发动机叶片的耐温能力提高到了1900℃。我们与他们之间又有了新的差距。

2015年4月23日，上海材料基因组工程研究院在上海大学揭牌。任忠鸣说，我们希望通过材料基因组计划来加快高温合金的研发进程，找到更加耐高温的材料，之前我们进行合金实验基本用的是“炒菜”的方法，不断试错。现在数据模型的方法已经在催化剂和功能材料的配比上取得了一些突破，下一步我们也将寻求定量的计算方法去改进高温合金的配比。

而用磁场改变合金内部的均匀性问题，是任忠鸣团队打造高性能耐高温合金的另一条路径，“这个科学原理在炼钢过程中取得了很大成功，我们希望在飞机发动机叶片的打造中，它也能显示出奇效。”

但是任忠鸣也坦言，材料研究和其他科学研究还是有不同之处，它需要很长时间的实验。比如日本科研机构做飞机发动机叶片材料的拉伸性能研究，他们在某种材料上加载荷，保持5年、10年、20年，记录这些金属蠕变的特性和规律，然后再用到设计和制造中去。这些基础研究也是我们必须要做的，需要大量科学家协同努力，不断积累原始数据。

“弯道超车在飞机发动机叶片的研发上是不可能的，我们需要的还是踏实工作和不断探索，加倍努力，希望在不远的将来能够交出一份令全国人民满意的答卷。”任忠鸣说。