任忠鳴：與國際同行“并跑”

吳苡婷

任忠鳴

上海大學材料科學與工程學院教授

1958年3月出生，博士。上海大學省部共建高品質特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室主任，國際磁科學學術委員會委員，發表論文近400篇，獲得專利40余項，重要國際學術會議上發表大會報告或主題/特邀報告30余次。

作為航空發動機和燃氣輪機等的核心主承力部件，高溫合金葉片需要具有高強度、高韌性、抗腐蝕、抗疲勞和抗沖擊的優良性能，因為其形狀復雜、質量要求高、制造難度極大，因而也被稱為制造技術“皇冠上的明珠”。

長久以來，該項技術一直由發達國家壟斷，中國從20世紀60年代就著手研發，但進步緩慢。近年來，上海大學省部共建高品質特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室聯合中國航發北京航空材料研究院、華中科技大學、上海交通大學、上海電氣中央研究院科研人員組成的科研團隊，在國家“兩機”重大專項（航空發動機和燃氣輪機重大專項）和中航發商用航空發動機公司的支持下，終于在這個領域實現了突破，打造出了“中國產”飛機發動機雙層壁超冷單晶葉片，達到了發達國家同等技術水平，完成了“并跑”的目標。日前《大飛機》雜志特約記者采訪了上海大學省部共建高品質特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室主任任忠鳴教授。

40年孜孜以求

任忠鳴是文革結束后的第一屆大學生，40多年來，一直在冶金領域默默奮斗。1982年，任忠鳴師承我國著名的鑄造理論專家郭可讱老先生攻讀研究生，開始從事液態金屬澆鑄方面的研究。1994年，任忠鳴來到上海大學攻讀博士后，之后加入了鋼鐵冶金專家徐匡迪院士的團隊，在冶金領域深耕不輟。

2005年，國家啟動大飛機重大專項后，任忠鳴的團隊就瞄準了“飛機發動機葉片制造”這一高難度的技術難題。在攻關過程中，他們先后攻克了F級燃氣輪機用空心單晶葉片制備、CJ1000航空發動機用非軸對稱雙聯單晶空心靜子葉片制備及其一系列渦軸、渦扇發動機用定向、單晶葉片制備技術。

自2013年起，任忠鳴團隊與中國航發商用航空發動機有限責任公司聯合開展單晶雙層壁葉片的制備研究，解決了復雜陶瓷型芯整體制造、雙層壁單晶葉片定向凝固和葉片質量檢測等技術難題。最終，任忠鳴團隊實現了飛機發動機葉片的重大突破。

“有史以來最復雜的合金材料”

耐熱1500℃的性能優良的合金材料究竟是如何打造的呢？

從20世紀30年代后期起，英、德、美等國就開始研究高溫合金，這種材料一般是指以鐵、鎳、鈷為基的合金。任忠鳴告訴記者，高溫合金是人類有史以來打造的最復雜的合金材料，包含了20多種金屬元素，還要精準控制含量。

高溫合金材料的打造不是一蹴而就的，需要通過三個步驟才能實現。任忠鳴介紹說，第一步是冶煉鑄造過程，這涉及到凝固結晶的控制技術，在鋼鐵的精煉過程中，各國積累了大量的經驗，但是目前最優質的配方，也只能達到1150℃的熔點溫度。

第二步是要給材料穿上隔熱“衣服”，也就是熱障涂層，這些涂層通常使用陶瓷材料。不過，陶瓷材料雖然可以耐高溫，但是它比較薄，又比較脆，如果用傳統工藝容易產生脫落，目前采用比較多的是火焰噴涂、等離子噴涂、電子束噴涂等方法，使得陶瓷和金屬之間的連接更加牢固，這樣的組合又可以將熔點溫度提高100℃。

最后一個步驟是冷卻。鮮為人知的是發動機葉片內部是空心的。正因為是空心的，冷卻時可以采用向葉片內部吹氣冷卻的方法。氣體通過外部的軸和孔道進入，從而提高葉片的耐熱溫度。經過這道工序，葉片的耐熱溫度又增加了250℃。

“彎道超車是不可能的”

要打造具有自主知識產權的國產航空發動機葉片，還有很長的路要走。任忠鳴告訴記者，上述技術路徑有兩大攔路虎，一是國外的專利壁壘，二是成本問題。為了繞開國外的專利壁壘，中國人必須要另辟蹊徑，打造自主知識產權的技術，而且這種技術必須要考慮到未來商業化的成本問題。

另外，西方發達國家還在不斷自我超越，美國科學家目前已經把飛機發動機葉片的耐溫能力提高到了1900℃。我們與他們之間又有了新的差距。

2015年4月23日，上海材料基因組工程研究院在上海大學揭牌。任忠鳴說，我們希望通過材料基因組計劃來加快高溫合金的研發進程，找到更加耐高溫的材料，之前我們進行合金實驗基本用的是“炒菜”的方法，不斷試錯。現在數據模型的方法已經在催化劑和功能材料的配比上取得了一些突破，下一步我們也將尋求定量的計算方法去改進高溫合金的配比。

而用磁場改變合金內部的均勻性問題，是任忠鳴團隊打造高性能耐高溫合金的另一條路徑，“這個科學原理在煉鋼過程中取得了很大成功，我們希望在飛機發動機葉片的打造中，它也能顯示出奇效。”

但是任忠鳴也坦言，材料研究和其他科學研究還是有不同之處，它需要很長時間的實驗。比如日本科研機構做飛機發動機葉片材料的拉伸性能研究，他們在某種材料上加載荷，保持5年、10年、20年，記錄這些金屬蠕變的特性和規律，然后再用到設計和制造中去。這些基礎研究也是我們必須要做的，需要大量科學家協同努力，不斷積累原始數據。

“彎道超車在飛機發動機葉片的研發上是不可能的，我們需要的還是踏實工作和不斷探索，加倍努力，希望在不遠的將來能夠交出一份令全國人民滿意的答卷。”任忠鳴說。