做發動機為什么這么難？中國這么大一個國家靠買別人的飛機來過日子嗎？要讓發動機葉片穿上我們中國人自己做的衣服，使我們做的材料和產品飛在中國的藍天上。

　　徐惠彬：今天很榮幸有這么一個機會，我想給大家講一講航空發動機的材料。要講航空發動機的材料，首先講講航空發動機，要想講航空發動機，還得從飛機說起。

　　中國的老百姓對于大飛機有一個非常重的情結，有一個大飛機夢。這張圖片是2017年5月5日，C919在上海的浦東機場刺破蒼穹、翱翔藍天，這是咱們中國制造的商用大飛機首次飛翔在藍天。大家再看下一個屏幕，多少鏡頭、多少閃光燈對著咱們這個大飛機，這是令國民激動的一次飛行。

　　大飛機的兩次論證都是在北航。2006年第二次論證，我在中間也做了一些貢獻。當時非常榮幸，是大飛機論證專家委員會的辦公室主任。這次論證我覺得是歷史性的。第一，大飛機項目要不要上，中國要不要做民用的、商用的大飛機？專家論證完之后，要做。從2006年論證到2017年，經過了差不多十年多的時間飛起來了，還是很厲害的。

　　中國為什么要做大飛機？我這里舉了一個例子。根據我們當時的計算，咱們中國人低端產品做襯衫，要加工8億件才能買一架空中客車A380，得加工多少件襯衫才能把中國的航空飛機買全啊？從今天來看，未來的20年中國需要多少架大飛機，就是商用飛機？大概需要5000到6000架，花多少錢來買呢？大概需要一萬億美元。這是什么概念呢？可以把空客和波音兩個公司按照現在股票市場的市值買四次。

　　【新聞聯播視頻資料】2014年5月23日，習近平考察中國商飛設計研發中心

　　【同期聲】（習近平總書記）：我們這個國家也是最大的飛機市場，每年成百上千億都花在買飛機上。過去那個邏輯是，造不如買，買不如租，我們現在要倒過來。我們首先是要花更多的錢來研制、制造自己的飛機，形成我們獨立的、自主的能力。

　　徐惠彬：我們20年就要花一萬億美元買這些飛機，中國這么一個大國要靠買別人的飛機來過日子嗎？不可能！中國要造自己的大飛機。

　　說完大飛機，我們就開始看看發動機。發動機是飛機的心臟。全國人民非常關注的就是兩個“心”：一個是芯片；一個是飛機的發動機——心臟。這兩個“心”的問題不解決，我們就難以從大國成為強國。造不出來自己的“心臟”，總是長期依賴于國外，這個不是一個強國甚至大國所為。而且，從飛機講到了發動機是核心的技術，是買不來的。

　　航空發動機是一個戰略的、高端的、高精尖的技術產品，也跟一個大國、強國的地位緊密相關。不論是哪個國家都把航空發動機的技術列為禁運、嚴禁出口的產品。發動機到底誰能制造啊？就是聯合國的五個常任理事國。能夠制造完整的航空發動機的，只有這五個國家。

　　發動機除了是一個戰略資源、核心產品、核心技術之外，它的附加值特別高。有人說飛機是工業上的皇冠，發動機就是皇冠上的明珠。這個圖顯示出來的價值，最高的就是發動機。船舶一公斤的價值如果是1的話，中間小汽車可能是9，最高的發動機是1400，它是船舶一公斤價值的1400倍。

　　【北京航空航天博物館場景】

　　徐惠彬：這個是咱們的北京一號，在很多片子上都能看到。這是咱們1958年，現在應該是60年了，1958年到2018年。北航當年號稱是把畢業論文直接寫在飛機上。我覺得，這是咱北航的精神。

　　徐惠彬：做發動機為什么這么難？為什么中國長期以來做不出來民用發動機？發動機是一切工業最高精尖的質量的集成。中國在剛解放的時候，連自行車都造不好。那個時候咱們的工業基礎有多差？怎么就在這60年一下子能夠追趕上？還有幾大難點。

　　首先發動機需要非常高的安全性和可靠性。現在一臺民用發動機要求穩定地工作三萬小時不能出任何故障，將來要超過十萬小時。其中有兩個實驗是發動機必須要做的。

　　第一個實驗叫拋鳥試驗。很大的鳥從發動機穿過去以后，發動機不能怎么樣。有一年我去英國，因為一只大鳥撞到飛機發動機里面去了，飛機就先不能起飛，要看看里邊的葉片有沒有被損傷。最后把發動機的風扇打開，確實完好無缺，然后飛機才飛走了，還是這臺發動機。第二個實驗就是吞冰實驗。一分鐘一噸的冰要打到發動機里面去，發動機葉片要完好無缺，發動機如果不行的話，誰敢坐飛機？在空中肯定有雞蛋大的冰雹下來，吞進去，發動機不能壞了，葉片打碎了，發動機著火了，還能飛嗎？這兩項實驗證明航空發動機要具有高度的安全性和可靠性。

　　第二，發動機的轉速非常高。發動機的轉速要達到10000多轉，每分鐘15000-16000的轉速，發動機如果轉動葉片，它承受的離心力相當于葉片本身的10000倍。有人說相當于掛著幾臺桑塔納，而且這個時候發動機的葉片是在極高的溫度下運轉的。這就是它的第二個難點，發動機的葉片承載著巨大的離心力。

　　第三，發動機的溫度極高。現在發動機的材料絕大多數都是金屬材料，軍用發動機燃燒室的工作溫度已經超過了2000K，K跟℃相比差了273度，民用機的發動機燃燒室的溫度也要達到1800K-1900K。大家知道我們用的金屬材料，特別是一會兒后邊還要講鎳基高溫合金，它的初熔點大概也就在1300多度，加上273，也不到1600K。所以說，所有的金屬材料的葉片在發動機燃燒室里邊是處于熔化狀態的，而且它還要掛著10000倍的離心力。

　　第四，搞空氣動力學的，都聽說過層流和湍流。發動機飛得很高，前面有風扇、壓氣機把風吹到燃燒室，相當于17級的風速。這個時候的火焰在里邊要穩定地燃燒，在17級的風速下，這對于搞空氣動力學的也是一個極限，如果設計不好，吹偏了把旁邊都燒掉了。

　　大家看看這個圖，看看發動機的產品有多么精致。它確實是一件工藝品，由上萬個零件組成的。加工精度要達到微米級，甚至有些個別的部件要達到納米級。

　　另外發動機非常昂貴，劉大響院士是北航的畢業生，他曾經講過一次報告，他說發動機的產品非常昂貴。它的整個重量價值相當于白銀，里邊的發動機的葉片，它的價值相當于黃金。這么貴，如果沒有一個大量的資金投入，發動機是不可能研制出來的，這就是為什么一個國家窮的時候不可能造發動機。

　　我們講發動機最核心的核心就是“一盤兩片”。“盤”就是渦輪盤，渦輪盤就是把工作葉片插上以后帶動它轉動的。“兩片”一個是導向葉片，一個是工作葉片。導向葉片就是火焰沖出來的時候導流，然后吹著工作葉片轉動，它是首先接觸火焰的。緊接著就是工作葉片，就是轉動的，這是最難攻克的，這就是我們這個團隊下面要做的工作。

　　發動機的葉片工作溫度已經遠遠超出了合金的熔點，那么需要幾大技術，怎么讓它不熔化？第一，需要冷卻。中間把它做成空心的，把冷空氣吹進去冷卻它。在外邊形成一個保護膜來保護它。因為有一個溫度梯度在里邊，表面的溫度會降很多。第二，讓合金的承溫能力繼續提高。第三，穿上一層衣服。剛才看到的深色的葉片，就是沒有穿衣服的葉片——合金。白的葉片就是穿了一層衣服的葉片，穿了什么衣服呢？這就是我們團隊做得很得意的工作，它是一個熱障涂層，叫Thermal Barrier Coating，就是TBC，隔熱的。

　　這個陶瓷衣服涂上去，難點大了。怎么說呢？首先，因為大家知道陶瓷很脆，金屬的熱膨脹系數很大。如果金屬膨脹，陶瓷沒有熱膨脹或者膨脹很小，一下就崩掉了，所以要想穿上這層衣服非常難。

　　所有這一切的原因都是要增加航空發動機的工作溫度、渦輪的工作溫度。提高了溫度以后對發動機有非常大的好處。有人計算過，發動機里邊每提高100度，它的推力就會增加8%到10%。也有人說航空發動機只要提高100度，這個發動機就是提高了一代。推力增加了，發動機加上飛機的起飛升力就增加，在同樣情況下，每增加10%推力，就可以增加10%的載客量，能從300人增加到330人，經濟效益好。更不用說軍機，推力增加了，它的機動性、作戰性才能更大，才能實現超音速巡航，才能追得上別人的飛機。這個常識大家也都知道，發動機的溫度決定了它的推力。現在用其他的方法都不太好使，只有提高發動機的溫度是最靈的，但是提高溫度對搞材料的人來說是一個巨大的難點。

　　我們要攻克這“兩片”怎么把它做出來。為什么“兩片”這么難？從這張圖可以看到，它是發動機壓力最高、溫度最高的兩個地方。要想攻克這件事，三項技術一個都不能少，冷卻、合金的溫度和涂層。解剖航空發動機的材料，它用了哪些材料呢？絕大部分大家看到，藍色的是鈦合金，紅色的是鎳基合金，然后黃色的是主軸，軸承用的是鋼，然后用了少量的鋁和復合材料，90%以上都是用的金屬材料。

　　金屬材料有一個特點，它在溫度高的情況下強度大幅度降低，要是打鐵鍛造燒紅了就可以打出一個扁鏟。在高溫下鋼鐵材料變得很軟，這是一種鍛造成型，因為高溫下它的強度是會降低的。咱們說這個比強度，Specific Strength。比強度應該說鈦合金是在室溫下最高的，鎳基合金其次，鋼和鋁合金差不多。但是鈦合金隨著溫度的增加，很快它的強度就衰減了。鎳基合金比強度雖然不高，但是它撐得溫度比較高，撐得時間也比較長，這個紅色線就是鎳基高溫合金。這就是為什么我們現在做的渦輪葉片合金都是鎳基高溫合金，而不能用鈦合金。

　　科學家們想辦法。第一，大家知道，葉片最開始做是用鑄造的方法做成是等軸晶。多晶粒放大了以后，它由很多的晶粒組成。在高溫下由于它的晶界原子排列是混亂的，從熵的角度來說它就是不穩定的，溫度一高，晶界開始軟化，這時候有一個巨大的離心力，晶界就碎了。

　　第二，科學家做出定向實驗，所有的晶粒往一個方向，它雖然有晶界，但是它晶界都是豎著的，有離心力的時候不要緊。但是橫向不行，只要有橫向力它從晶界就斷開了。

　　第三，做成單晶體。想了很多辦法，現在做的都是單晶。這還不夠，溫度還在提高。發動機設計師說不行，溫度還得提高增加推力。怎么辦？空心的。就是師昌緒先生做的當時是九小孔，現在孔可多了，90、900的孔很多，單通道不行就做多通道，為了讓它到處都能冷卻，還不行的話加熱障涂層。

　　做出來熱障涂層非常不容易。陶瓷里有一個概念叫相變增韌，有一點小的相變可以增韌，不會產生很大的裂紋，當時我們解決了材料的問題，YSZ。結構上，我們發明了一種新結構，這是從陶瓷到機體中間有一個過渡層，我們叫粘結層。這個總是掉，粘不住。怎么回事呢？我們感覺合金的成分前與后差距太大，所以我們把粘結層做成梯度的，我們叫GBTBC，梯度的粘結層，這是結構上有一個新的發明。

　　還有一點也是挺有意思的，這個涂層有受面，做不好啊。最慘的就是從那個爐子里拿出來，陶瓷片都崩掉了，或者在爐子里熱循環，看燒多少個小時能掉，幾個小時全掉了，很悲慘。我們做長時間的熱循環，就是放爐子里一個小時后拿出來一次冷卻，再放進去，我們最多做了多少呢？一萬次！或者叫一萬個小時的熱循環，一個小時一次。一萬個小時大家知道是多長時間嗎?一年多，不休息，爐子不能休息，人得看著三班倒。一天24小時乘以365，是8000多小時。所以我們做一次實驗要做一萬小時一年多的時間。冬天還挺好，夏天的時候咱北京也夠熱的。我們的小實驗室就在四號樓的后面，一個小平房，在那里搭了一個爐子。夏天真是熱，但是我們也高興，只要葉片涂層不掉，我們覺得很自豪，把整個的材料、結構、工藝、表征、測試、壽命預測做完以后，能達到一萬小時，我們特別開心。

　　我們解決了什么？我們最重要的是，解決了我們中國的航空發動機葉片。過去上飛機的時候，我們簡稱叫赤膊上陣，因為只能靠合金本身的耐溫能力和冷卻來降溫，沒有衣服穿，只能赤膊上陣。國外發動機都是穿著衣服的，我們團隊為中國航空發動機解決了第一代熱障涂層問題，使得我們的發動機的葉片穿上了中國人自己做的衣服。

　　互動環節

　　提問：我想問一下材料相關的問題，首先想請您介紹一下航空材料未來的發展趨勢，還有就是怎么能更好地為航空航天、為國家和國防事業做出更多貢獻？

　　徐惠彬：未來十年之后陶瓷基的復合材料，應該說是第六代發動機可以考慮的。再往下看還有一種材料，就是碳碳復合材料，就是carbon fibre。大家知道陶瓷也好、碳也好，特別是碳，它雖然高溫的時候不軟化、比強度高，但是最致命的一個問題——除了韌性差，碳碳和陶瓷都有問題，但是碳碳問題更大——就是說它的抗氧化能力極差，放到爐子里就著了。現在我自己感覺還沒有更好的辦法，全世界都解決不了這個難題，如果發動機溫度繼續提高，肯定需要新材料。有人說一代材料一代發動機，也有人說一代材料一代飛機。所以說我們做材料的人非常重要，關注一點，把基礎的突破了，能做一點上的貢獻，也是貢獻。