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2023年5月28日,中国东方航空使用中国商飞全球首架交付的C919大型客机,执行MU9191航班。这标志着中国民航商业运营国产大飞机正式“起步”。一架大飞机有上百万个零部件。如果说,航空发动机是飞机的“心脏”,发动机中的高温涡轮叶片就是这颗“心脏”的“主动脉”,而它的核心制造技术一直都被国外垄断。在无锡透平叶片有限公司,有一支由公司技术副总监兼工艺研究所所长崔慧然带领的团队,通过持续技术攻关完成了几乎不可能的任务。
无锡透平叶片有限公司技术副总监、工艺研究所所长崔慧然:“每一个高温涡轮叶片要攻克很多的技术难点,都走了九九八十一难。我们是有责任有担当去攻克大国重器核心部件的卡脖子技术。我和我的团队美好蓝图,是配装‘中国心’的国产大飞机翱翔在祖国的蓝天。”
一架大飞机有上百万个零部件。众所周知,航空发动机是飞机的“心脏”。而支撑心脏跳动的,是它的“主动脉”——高温涡轮叶片。它涉及精密铸造、热障涂层、气膜孔加工等多项复杂工艺,是发动机中制造难度和制造成本最高的,也被誉为高端装备制造业“皇冠上的明珠”。
崔慧然:“温度叶片要突破‘三高’。第一个是温度高,超过1700℃的高温,温度已经大于金属的熔点;第二个是它要承受几十个大气压的压力;第三个是高转速,转速都达到上万转,一个小小的叶片相当于挂了一辆汽车,有极大的一个离心力。其核心制造技术一直被国外垄断,急需进行制造工艺的自主化研制和生产。”
2010年,崔慧然从上海交通大学材料学专业博士毕业后,来到无锡透平叶片有限公司。这是我国第五个五年计划期间建设的第一家专业叶片厂,一直致力于传统能源电站领域的汽轮机叶片的研发与生产。2012年,随着传统能源装备市场逐渐饱和,无锡透平叶片决定向“两机”,也就是航空发动机和燃气轮机领域的高端制造转型。接过转型“大旗”的,正是看似文弱实则坚定的崔慧然。
崔慧然:“‘两机’是上天入地下海的。大国重器的关键部件代表了一个国家科技工业和国防实力的制高点,高温叶片是发动机性能提升的关键。业内经常说,我们‘两机’的高温叶片相当于是冰做的勺子,在具体的恶劣工况的运行下,用冰做的勺子去搅拌一锅热汤。要把汤搅匀,同时这个勺子还不能融化。”
听上去似乎无法实现的任务,摆在了崔慧然和团队面前。
崔慧然说:“难啃的骨头我为什么敢接,或者是为什么敢去挑战?因为我对我的团队‘90后特种部队’特别自信。办法总比问题多,干就完了!我们后面通过四处走访交流,争取到了一次叶片的试制机会。”
既然技术要不来、买不来、讨不来,那就只能迎难而上,自主研发!
崔慧然:“高温叶片制造,首先,材料的本身国内也都采用单晶材料。目前来说,它耐热到1100℃。最高不超过1200℃,它的材料性能就急剧恶化了。以航空发动机为例,现在需要它的进口温度是1700℃,其他的500℃怎么来解决?”
这背后需要解决两项核心技术!
崔慧然:“第一个是冷却的技术。首先设计方面要把叶片做成空心的。同时。通过空气动力学设计不同的气膜孔使它的冷却效果达到300℃左右。加上刚才说的1200℃,就是1500℃了。剩下的200℃就是我们涉及到的第三项核心技术——涂层,给它的内腔或者是外表面再穿一层衣服,可以提高它的耐热温度200℃左右。”
攻克核心技术的每一步都是闯关。
崔慧然:“打孔和涂层都难,我们没有不难的。高涡导叶有时候是多联的,比方说三联、两联,1000多个孔。但是联和联之间,有些孔是干涉的,直接去打孔打不到。我们对一些多位向复杂角度的、有干涉的气膜孔如何制造,当时就成为了一个难题。前面要定好或打好气膜孔,后面要进行涂层,并且叶片本身是复杂曲面的,如何来确保厚度和不同部位的均匀性以及疲劳性能的检测。比如说热振试验,在1100℃左右的高温下要经过三十次,甚至是上百次的冷热循环实验,来确保涂层不会脱落。”
设计和制造要完美融合,才能让叶片达到极致的、苛刻的性能要求。
崔慧然:“孔有一个范围,比方说0.5毫米到0.7毫米。一般情况下到底是打0.6毫米,还是0.65毫米?后面涂层肯定会堵一部分的孔,堵孔堵到什么程度?首先是两个工序之间的匹配,以及要达到它的热振性能。一路走来太不容易了。”
从零开始的探索之路道阻且长,一次次试错、一次次调整、一次次从头再来……崔慧然带领团队一路披荆斩棘,从未退缩。
崔慧然:“如果有一天我们自己制造的叶片装在了国产大飞机上面,那是多么自豪和骄傲。这也是一直激励着我们团队勇往直前的动力。”
最终,团队打破关键技术瓶颈,在航空发动机部件制造关键技术上实现了“从0到1”的突破,产品开发周期还缩短了60%以上。
崔慧然:“2017年,我们通过某型涡轮叶片的试制,通过了首件鉴定,也标志着我们初步具备‘两机’高温叶片的制造能力。”
2020年底,在某型发动机首台高温叶片研制期间,崔慧然带领团队通宵达旦、夜以继日,打了一场七天七夜的不眠之战,最终在凌晨四点通过了验收。
崔慧然:“不同的叶片工况不一样,它的涂层 、孔,以及焊接、工艺都是不一样的。每一个新品都是。”
在摸索前行的道路上,崔慧然还主导完成了高端制造新业务规划及车间建设,建成了国内领先、工序齐全的高端制造加工生产线。
崔慧然说:“首先,要有以一辈子做成一件事的执着,同时也要有科技工作者的坚守。在科研和生产一线带领团队攻坚克难,突破大国重器的核心部件的卡脖子技术,为无锡、江苏和国家的新质生产力和高质量发展作出贡献。”
(江苏广电总台·融媒体新闻中心记者/王芳 王从 编辑/张萌)
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