开拓创新为国产航空发动机添“动力”——中国科学院金属研究所周亦胄研究员

2017-04-28

周亦胄，1972年生，工学博士，中国科学院金属研究所研究员，博士生导师。先后入选国家科技主管部门“中青年科技创新领军人才”、中国科学院“百人计划”、辽宁省“十百千高端人才引进工程”、沈阳市“引进杰出人才”等人才计划；获得中国科学院“优秀百人计划”、辽宁省直属机关“五一奖章”等荣誉。兼任有色金属学会贵金属学术委员会委员、有色金属学会冶金物理化学学术委员会委员、有色金属先进加工与再利用国家重点实验室学术委员会委员。长期从事航空发动机、燃气轮机用高温合金材料成分设计、制备工艺、微观结构、使役性能以及回收再利用的研究工作。在国际著名材料学期刊上发表论文60余篇，已获得国家发明专利“一种减少单晶高温合金精铸件再结晶的方法（专利号：ZL201210179680.9）、一种可调节热膨胀系数的硅基陶瓷型芯的制备方法（专利号：ZL201410175419.0）、高温合金废料金属综合回收的方法（专利号：ZL201310070067.8）、定向凝固过程温度场分布评定方法（专利号：ZL201210322357.2）、单晶高温合金杂晶形成倾向性的评定方法（专利号：ZL201210138597.7）、平面薄壁铸件的制备方法（专利号：ZL201210136757.4,）”，实用新型专利“一种点焊夹持装置（专利号：ZL201520746524.5）”。

攻坚克难，实现国产航空发动机材料研制新突破

周亦胄研究员1996年7月毕业于清华大学材料科学与工程系，同年进入中国科学院金属研究所，师从周本濂院士攻读材料物理与化学专业工学硕士学位。1999年至2003年，他在中国科学院金属研究所师从成会明院士攻读材料物理与化学专业工学博士学位。2003年至2009年先后在德国爱尔兰根大学和英国伯明翰大学从事高温合金定向凝固制造及单晶高温合金凝固缺陷控制方面的研究工作。2009年6月，回国进入中国科学院金属研究所从事航空发动机、燃气轮机用高温合金材料的研究工作。

回国以后，周亦胄研究员带领团队开拓创新，先后主持了国家自然科学基金联合基金项目“含稀贵金属高温合金的设计与应用的基础研究”、国家自然科学基金面上项目“定向凝固过程中的晶粒竞争生长机制研究”、国家部委项目“高温合金新材料与先进制备技术研究”、国家部委项目子专题“陶瓷材料与合金熔体界面的作用规律”、中国科学院百人计划项目“单晶高温合金的制备技术及缺陷控制”、中航工业叶片研制项目“DD5合金单晶高压涡轮工作与导向叶片的技术攻关”、中航工业叶片研制项目“DD32合金单晶定向凝固高压涡轮工作叶片精铸件”、中航工业叶片研制项目“K465合金高压涡轮一级、二级工作叶片精铸件”、航天科工集团叶片研制项目“DD5合金单晶高压、K418B合金多晶低压涡轮叶片精铸件研制”、航天科技集团高温合金挡板研制项目“DD5合金单晶挡板”、中航工业叶片研制项目“K438合金三级导向叶片”、中国科学院科研装备研制项目“激光熔化成形设备的研制”等科研任务16项。目前，相关研究成果已经成功转化为高温合金叶片产品，为中航工业、航天科工集团、航天科技集团等单位研制出了多种高温合金叶片，为我国航空发动机制造水平的提升作出了突出贡献。

研制出多种单晶叶片，引领我国复杂结构单晶叶片制造技术迈上新台阶

衡量航空发动机先进性的关键指标是发动机的推力和推重比，提升这两项指标的主要技术途径是提高发动机燃烧室后的涡轮前进口温度。如何避免在燃烧室后工作的涡轮叶片发生烧蚀和熔化，是保障发动机正常工作的必要前提。为了解决叶片的烧蚀和熔化问题，同时保证叶片在高温下具有足够的强韧性，当前唯一的办法就是制造具有复杂气冷通道结构的单晶高温合金叶片。单晶叶片的制造工艺十分复杂，尤其是具有复杂气冷通道结构的单晶叶片制造难度更大，经常会出现杂晶、偏离预定晶体取向、显微孔洞、金属熔体与陶瓷模壳高温反应、再结晶等问题，带有这些缺陷的叶片如果不报废极易造成发动机出现严重的安全事故。长期以来我国主要是靠经验积累和反复试制来减少这些缺陷，导致单晶叶片铸件的合格率非常低。对于一些新型合金铸造的复杂结构单晶叶片，我国甚至不能铸造出可用的单晶叶片。

周亦胄研究员带领研究团队系统地开展了单晶叶片凝固缺陷形成机制的基础科学研究。他查阅大量国内外文献，设计出科学合理的实验方案。实验过程中为了全面、快速地掌握第一手实验结果，他坚持深入一线进行模具设计、蜡模组合、铸造实验、样品制造以及观察分析。在完成实验室研究工作后，他又带领科研团队到叶片制造厂进行更为全面的生产性验证。根据单晶叶片铸造缺陷的形成机制提出了多项工程上行之有效的铸造缺陷控制措施，并形成了一套单晶叶片规模化制造的全流程控制技术。

经过不懈努力，周亦胄研究员带领团队为航空航天领域研制出多种单晶叶片，实现了我国多种单晶叶片的从无到有，其中标志性的一项成果就是采用我国新型的第二代单晶高温合金DD405成功铸造出了中航工业新型航空发动机中的高压涡轮单晶转子叶片与导向叶片。该叶片在发动机试车考核中表现优越，标志着我国在复杂结构单晶叶片制造技术上取得了重要进展，受到了发动机设计单位的高度评价。

提出稀贵金属元素回收利用新思路，有效降低航空航天发动机单晶叶片制造成本

高温合金叶片铸造时需要通过浇道与冒口设置来保证叶片中不出现凝固缺陷。铸造后浇道与冒口内的高温合金不能在航空航天发动机零部件制造中重复使用，因此高温合金叶片铸造过程中产生出的废料常高达总用料的70%以上。单晶高温合金材料的基体为镍元素，其中还含有铼、钌、钽、钨、钼、钴等稀有贵重金属。铼作为一种重要的战略稀缺金属，在世界范围内储量不足1万吨，而我国的保有储量仅为200余吨，价格约为5万元/千克，这使得含铼单晶高温合金材料的价格非常昂贵。目前我国已开始大量采用第二代单晶高温合金制造航空航天发动机单晶叶片，在生产过程中产生出大量含铼高温合金废料。由于缺少相关分离提取技术，使得合金废料中铼、钌、钽、钨、钼、钴等高价值元素只能被当作镍对待，造成了极大的资源浪费和经济损失。

为了缓解这种高昂的材料价格给我国航空航天发动机单晶叶片制造带来的巨大压力，周亦胄研究员提出了从高温合金废料中回收再利用稀贵金属元素的思路，并开始酝酿在金属研究所组建稀贵金属资源再生循环利用实验室。由于国外的技术封锁，我国没有任何从高温合金废料中回收稀贵金属的成功经验。面对这种局面，周亦胄研究员不辞辛苦到全国各地找资源循环利用专家进行讨论，分析各种方法回收处理高温合金废料的可行性。经过反复论证，他最终确定了采用电化学溶解法多步分离提取高温合金废料中稀贵金属元素的技术路线。随后，他在金属研究所组建起一支具有电化学腐蚀与化学分离提取研究背景的科研队伍，探索了高温合金废料电化学溶解、沉淀分离、萃取分离、离子交换分离、金属化合物重结晶提纯、金属化合物气体还原等环节中的关键技术问题。经过反复的实验摸索，他与研究团队建立起了从高温合金废料中分离回收稀贵金属元素的技术路线，实现了从高温合金废料中分离回收铼、钌、钽、钨、钼、钴、镍等稀贵金属元素的目标，同时形成了与之配套的高温合金低成本制造技术，该技术可使第二、三代单晶高温合金的制造成本分别降低20%和30%。

为了帮助更多企业应用该成果降本增效，他还牵头成立了沈阳市稀贵金属再生循环利用工程技术研究中心，为沈阳市的汽车、电子、能源等行业提供从废弃物中获取稀贵金属资源的相关技术和服务，为推动辽宁地方经济的可持续发展发挥了重要作用。

从在国内孜孜以求不断积累科研实力，到远赴异国进行高温合金材料研究，再到回国主持开展国产航空发动机高温合金材料的研制，周亦胄研究员在科研的道路上不断地追寻着新的目标，实现着更高的跨越。特别是归国这六年，他急国家之所需，不断攀登一个又一个科技高峰，以科研创新为国产航空发动机的研制增添了新的动力。