炼石航空单晶叶片的重大意义

中国航空工业在一张白纸上起步，六十年来成绩也算辉煌。当初钱学森给中央建议的时候就说过，航空工业与航天工业相比，更注重经验的积累。许多工艺和材料技术都必须通过千万次试验，才能获得实际数据。而飞机和发动机的设计，依赖于大规模的风洞试验。二十世纪五十年代的美国，不仅各个飞机公司有大型风洞，许多大学也有。而且各类超音速风洞高温风洞品种齐全。美国佬不仅有钱而且电力充足。而同时代的我国则还是一穷二白。在这样的基础上同美国争霸是不明智的。航天工业则不同，一次性的装备。相比航空工业的经验积累，更容易获得突破。所以，从那时起，中央就把主要精力放在了航天工业上。这主要说是把最优秀的科学家都调拨给了航天工业部。所以才有今天的神舟系列飞船，通讯卫星。而航空工业迟一步起步。

　　现在航空工业的短板就是发动机。航空发动机的设计制造难点很多，俺认为其中两点是要注意的。

　　第一是加工精度：加工精度实际上是整个工厂体系的精度。几乎涉及到所有部门。比如压气机增压比要高，像美国的压气机增压比就非常高，这里说的是实际达到的增压比，不是设计值。为了让尽量多的空气被增压，压气机就不能漏气。那压气机叶片距离压气机机匣靠得非常近，近到几乎碰到的距离。于是空气压缩效率很高。但是叶片与机匣靠的这么近，发动机每分钟两万转的震动，必须保证叶片不会擦碰压气机匣，这就非常难。所以我们的压气机叶片就必须距离压气机匣远一些。这样一来压气机就漏气了。增压比就低一些。这不仅涉及到压气机的设计制造，跟所有发动机分段的精度都有关系。发动机每一个分段都是不锈钢高温合金板焊起来的，本身会有变形，对付这些变形的机匣你怎么加工之后保证精度？是个很大的难题。有人说我用最精密的数控机床加工，机床本身精度不大于万分之一毫米。没有用。这些机匣是软的，刀具碰到它，它向后退，等你刀具切削过后，又弹回来。不掌握加工方法再精密的机床也没办法。

　　第二是涡轮叶片的单晶铸造：这实际上是二十世纪六十年代也就是半个世纪以前的技术。但是我国现在还没有掌握。整个发动机工作环境最恶劣的部件就是涡轮叶片。它必须在一千多度的高温和承受巨大载荷以及剧烈的震动中每分钟两万转的运转。涡轮前温度已经逼近它的熔点，但是它的强度和刚性不能有一点问题。蠕变变形是绝对不允许的。这需要内部冷却，这就要在叶片内部开孔。通入冷却空气。这一点我们可以做到。但这还不够，为了进一步提发动机功率，涡轮前温度已经达到高温合金材料的蠕变区。材料的使用温度已经越过了它的蠕变极限。这时候就要设法减少叶片铸造过程中的晶界数量来抗蠕变。

　　说明一下所有金属都是晶体。你切菜的菜刀和手指头上佩戴的钻戒是同样的，都是晶体。晶体最小单位是晶格，晶格非常小，由几个原子按一定规律构成。常见的晶格有体心立方，面心立方和密排六方。到网上搜一下就能找到。很多个晶格构成一个晶粒。很多个晶粒组成整个晶体。晶粒和晶粒之间叫做晶界。晶粒内部原子排列非常有规律。但是晶界位置原子排列非常混乱。在常温下，晶界位置强度比晶粒内部高。但是在高温下，晶界最活跃最容易滑移。所以，常温部件需要晶界越多越好也就是晶粒越细碎越好，但是在高温下要反过来，晶界越少越好。什么情况下晶界最少呢？就是单晶体。整块金属只有一个晶粒，没有晶界。这样在高温下它的强度刚性非常好。几乎逼近熔点了强度一点不下降。所以高温合金的单晶体铸造一直是西方大国绝密的技术。到现在俄罗斯和我们都没搞到。我们都知道多晶硅和单晶硅。多晶硅就是多个晶粒构成的晶体圆柱，而单晶硅是由一个晶粒构成的晶片。做集成块必须用单晶硅。拉制单元素硅的单晶硅比较容易。形状简单就是个的圆片。但是铸造多种耐高温元素构成的形状复杂甚至还要求中间有多处空洞的高温合金涡轮叶片的单晶体非常困难。也就是说，必须在铸造金属冷却结晶的时候只让一个晶格生成，在亿亿万个原子的金属液体中，只允许生成一个用电子显微镜才能看到的一个晶格。然后这个其他金属晶格在这个初始晶格周围生长，最后叶片成型为一个由亿万个晶格构成的单晶体。这过程中叶片各个部位温度和形状始终在变化，要让它不产生晶界谈何容易。美国的F-22就不要说了，从F-4起，就用上了单晶涡轮叶片。所以它的发动机体积小功率大。它可以提高发动机涡轮前温度。而我们的多晶体的涡轮叶片就承受不了那样的高温，所以我们的发动机涡轮前温度不敢太高。发动机推力自然就小。我们在其他方面费尽心机，但是只要这一点技术不突破，就始终不能跟美国并驾齐驱。

　　各位只需要注意我国的单晶体铸造技术的发展，如果有一天CCTV公布了我们能铸造单晶体涡轮叶片啦！那就是中国空军的盛大节日