航空发动机是国防武器装备不可或缺的先进动力推进系统，被誉为“工业皇冠上的明珠”。如何避免在涡轮燃烧室后工作的叶片发生烧蚀和熔化，是保障发动机心脏正常工作的必要前提。

在中国科学院金属研究所，有这样一位致力于让航空发动机心脏激情燃烧的科研工作者——单晶高温合金叶片制造技术专家周亦胄研究员。

发动机的老大难问题

周亦胄向《中国科学报》记者介绍，大部分金属材料在制备成形过程中需要从高温熔体凝固成固体。假如完全按照“天性”凝固，金属材料凝固后将由许多细小的单元晶体组成，这些晶体的边界在高温下非常容易断裂。

只要控制金属熔体冷却过程中晶体的生长方向，让它们都朝一个方向生长，形成如同一捆整齐排列筷子那样的柱状晶体，金属材料高温下的强度就会显著增大。

如果继续改变定向凝固约束条件，保证只有一个柱状晶体生长，就可以获得只有一个晶体的单晶金属材料，这种单晶材料在高温下具有更高的强度。

“单晶高温合金叶片就是采用定向凝固工艺制备出的只有一个晶体的叶片。”周亦胄说，“单晶叶片的晶体生长工艺十分复杂，尤其是具有复杂气冷通道结构的单晶叶片制备难度更大，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等问题。”

在航空发动机极端苛刻环境下，存在这些缺陷的单晶叶片非常脆弱，在极短的时间内就会发生断裂或者熔化，造成发动机出现严重的安全事故。因此，在制备单晶叶片过程中，要严格控制这些缺陷。

此前，由于缺少对单晶凝固缺陷形成机制的深入认识，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，导致单晶高温合金叶片铸件的合格率非常低。周亦胄认为，对于一些使用新型合金铸造的复杂结构单晶叶片，在各种缺陷的交织作用下，我国甚至不能铸造出符合发动机设计要求的单晶叶片。

多种单晶叶片从无到有

2009年，周亦胄从英国伯明翰大学归国，入选中国科学院“百人计划”，来到中国科学院金属研究所开展高温合金研究工作。

刚刚回国时，面对国内外航空发动机的巨大差距，周亦胄感到痛心的同时，更坚定了他要做点事情的决心。他带领研究团队系统地开展了单晶高温合金叶片凝固缺陷形成机制的基础科学研究。

周亦胄查阅大量国内外文献，在海量的信息中他以敏锐的洞察力和高超的智慧，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、样品制备以及观察分析。在完成实验室研究工作后，他又带领科研团队到发动机叶片制造厂进行更为全面的生产性验证。

周亦胄常跟他的团队成员说，“理论必须和实际相结合，只有实际生产中用上了才是有用的材料和技术”，他们根据单晶叶片凝固缺陷的形成机制提出了多项工程上行之有效的凝固缺陷控制措施，并形成了一套单晶叶片规模化制造的全流程控制技术，改变了过去靠经验积累和反复试制的局面。

在周亦胄的带领下，研究团队为中航工业、航天科工集团等单位研制出了多种单晶高温合金叶片，解决了多种单晶叶片从无到有的问题。其中标志性的一项成果就是首次采用我国最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转子单晶叶片。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，该项研究成果受到了发动机设计单位的高度评价。

妙手巧回春 成果落辽沈

周亦胄指出，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允许在航空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。这使含铼单晶高温合金材料的价格非常昂贵，例如含铼的第二代单晶高温合金价格为300万元/吨，含铼的第三代单晶高温合金价格达到约500万元/吨。如此高昂的材料价格对我国以及美欧俄等国来说都是巨大的经济压力。

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普通金属材料对待，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发动机单晶叶片制造带来的巨大压力，周亦胄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。

由于国外封锁这方面的研究成果与技术方案，我国在从高温合金废料中回收稀贵金属方面的积累几乎是零。作为开拓者，采用何种技术路线成为周亦胄组建这个新实验室所面临的最大难题。

为了少走错路与弯路，他不辞辛苦地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，周亦胄在金属研究所组织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科学与技术问题。

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%。

鉴于周亦胄研究员在单晶高温合金及单晶叶片方面卓有成效的研究工作，他在2014年中国科学院“百人计划”终期评估中获得优秀，在2016年入选了“国家中青年科技创新领军人才”。