人类科技巅峰：2500年前中国技术打造世上最完美的S型曲线 ...

吃瓜看热闹

1、从无到有
手掌大的叶片，要耐得住上千摄氏度的高温，承得起数十吨的拉力，经得住每分钟上万次的转动——涡轮工作叶片成为航空发动机中最核心最难研制的部件之一。
2016年，党中央、国务院作出重大决定，举全国之力突破航空发动机核心技术，实现航空发动机的自主研发和制造生产。
为了确保国产装备的稳定可靠，航空发动机高压涡轮叶片的铸造能力与合格率提升成为当务之急。
飞机发动机是飞机的“心脏”，是一架飞机最核心的部件，一般来说，航空发动机的制造成本占整机制造成本的30%左右，重要性不言而喻。目前，涡扇发动机广泛应用于战斗机、运输机、客机、无人机，占比在95%以上，是最为核心的航空发动机。作为航空发动机的关键性构件--风扇叶片，始终是发动机核心技术最高的部分。
叶片是一种特殊的零件，叶片的曲面构型极其复杂，其传递相当大的扭矩和极高的燃烧温度，它数量多，形状复杂，要求高，加工难度大，而且是故障多发的零件，一直以来各发动机厂的生产的关键，因此投入了大量的人力、物力、财力进行研发。在发动机叶片的价值构成中，以涡轮叶片的价值量最大，占比达到了63%，同时，它也是涡扇发动机中制造难度和制造成本最高的叶片。在全球航空发动机叶片市场中，由于欧美企业飞机制造产业发展较早且技术先进，目前仍主导着国际市场。例如，GE、赛峰、罗罗、普惠等国际航空发动机巨头均拥有直属工厂，或与合作公司成立合资工厂。
发动机在运行的时候，这些叶片所要承担的是超过2000摄氏度的高温，以及承担本身重量1万倍的离心力，以每分钟转数万转的速度，持续旋转几个小时。按部件主要分为风扇叶片、压气机叶片和涡轮叶片，尤其是像里面的高温单晶涡轮叶片，可以说是发动机加工难点中的难点。
超高温（超过1700度）发动机的工作温度已经远远大于大多数的金属合金的熔点。因此，叶片内部需要空心（单晶空心叶片），并用高速流动的冷空气带走热量冷却叶片；叶片外部还需要有保护膜，外加热障涂层减低热传递，减低到达叶片的热量。
高速（每分钟几万转）这个时候叶片自身将承受一万倍的离心力，这个给每一片的叶片上面吊上十几台奥迪Q5。
超高的安全性和可靠性。民用航空发动机要求每一台发动机，都可以实现稳定工作三万小时以上，及时有小鸟及冰雹也不可以出现任何故障。也是这些方面的特殊性，航空发动机对于各种新理论、新材料、新工艺的需求也是都在行业的最前沿，也一个国家综合实力的一种体现。
20世纪30年代，研究人员研制出拥有优异高温性能的高温合金，代替不锈钢，使叶片使用温度达到800℃。之后不久，真空冶炼技术的出现促进了铸造高温合金的发展，多晶合金逐渐开始成为涡轮叶片的主选材料。
20世纪80年代，研究人员发现定向凝固技术，通过控制结晶生长速度，使晶粒择优生长，来改善合金的强度和塑性；提高合金的热疲劳性能。在此基础上，单晶高温合金开始发展，成为高性能航空发动机涡轮叶片的主导材料。
第三代发动机涡轮叶片大多使用的第一代单晶和定向凝固高温合金，在加之气膜冷却单通道空心技术，使得涡轮叶片的使用温度1327℃-1477℃，发动机的推重比在7-8之间，涡扇-10系列发动机就属于第三代发动机。
第四代发动机风扇叶片是用复合材料制成的，这种复合材料主要是高温合金，能够抵御高速旋转产生的高温不会变形，还包有钛合金是为了保护发动机叶片不会在高速旋转中破裂和损伤，而且能够在维修当中方便进行更换。这种复合结构要比目前普遍使用的铝、钢和钛合金材料轻一半，强度和耐热性几乎相同。
目前，世界上目前最大风扇叶片是GE9X发动机，安装16片复合材料风扇，叶片叶尖直径为3.4m。GE于1995年首次将复合材料风扇叶片应用于GE90-94B发动机。在过去25年中，GE及其合资企业CFM使用复合材料风扇叶片的发动机累计飞行时间已超过1.38亿小时。
俄罗斯联合发动机制造集团（UEC）宣布已掌握大尺寸复合材料发动机风扇叶片开发技术。预计未来俄罗斯国产发动机PD-35将使用该技术生产的复合材料风扇叶片。
第四代涡扇发动机的涡轮前温度已经达到了1500-1700摄氏度，而第五代涡扇发动机的涡轮前温度将要到达1900摄氏度以上。世界上最先进的发动机F119和F135的涡扇前温度已经达到了2000K以上，1700以上摄氏度的高温。未来则要达到2200K，也就是1900摄氏度以上的高温。
    回首新中国起步之时，师昌绪院士是中国高温合金开拓者之一，发展了中国第一个铁基高温合金，领导开发中国第一代空心气冷铸造镍基高温合金涡轮叶片。（人民网评）
1945年，师昌绪以第一名的成绩从国立西北工学院（现为西北工业大学）的矿冶系毕业，1948年考取出国资格后赴美留学，在密苏里大学获得矿冶学院硕士学位、诺特丹大学获冶金学博士学位。
朝鲜战争爆发之后，美国司法部发布禁令（1951），禁止在美国学习理工医学科的中国留学生回中国，受限于此，师昌绪边在MIT担任中国研究助理，边和其他中国学生为回到祖国奔走。
1957年，我国开始研究高温合金，沈阳金属所是第一批研究高温合金的单位之一，当时流行的变形涡轮叶片存在难以克服的矛盾：如何在高温条件下，材料有足够的韧性和抗疲劳性能。于是师昌绪领导的小组转向研究铸造涡轮叶的路线，集中研究了涡轮喷气发动机的铸造镍基涡轮叶片材料和铁基涡轮盘材料，后来成功研制出了我国第一个涡轮叶片用916铸造高温合金、涡轮叶片铸造镍基高温合金M17。
铸造涡轮叶片的成功研发，为后继气冷空心叶片技术打开了大门。1964年，我国自行研制的新歼击机歼-8进入到最终决策阶段，如何改进歼机动力问题成为其中的关键项目。讨论会上，将动力问题的突破口确定为提高发动机推力的解决方案，即是解决涡轮叶片的耐高温问题。最后航空研究院提出了一个颠覆性的方案：将实心涡轮叶片改为空心涡轮叶片，并用铸造合金做出冷却孔来强制冷却。
当时，这项技术是美国的高度保密技术，选什么材料制孔一直是技术人员的首要难题，试用了钼丝、钨丝和各种化合物丝，效果都不理想。后来，师昌绪在美国杂志上看到出售细石英管的广告，联想到这种细石英管是否能生产空心叶片用的细丝，反复试验后，技术人员终于攻克下难关，1966年生产出第一套九小孔气冷空心叶片。
第一套九小孔气冷空心叶片试车，运行不足2小时叶片就飞了。为了彻底解决问题，成立了联合调查组，分析发现是涡轮叶片榫齿的安装公差不当造成的失败，将正公差改为负公差后，叶片榫齿的受力状态均匀了，试车终于成功。但这还不是终点，之后是如何提高量产能力的技术攻关，成品率由2%，上升到10%，再到20%、30%，最后实现大批量生产甚至出口。
中国第一代空心气冷铸造镍基高温合金涡轮叶片，是我国用量最大的航空涡轮叶片，指导了我国涡轮叶片数十年的生产方向。
20世纪60年代后，铸造高温合金成为涡轮叶片的主流选材，发展至今涡轮叶片经历了五代更迭（见表1）。
2016年8月，国际顶刊Nature Materials封面论文刊登了一篇来自中国团队的成果，正是陈光及其团队历时3年，在新型航空航天材料PST TiAl合金方面取得的重大突破。这篇论文发表后引起了国内外的广泛关注，发表1个月内，下载量超过5000次，居该刊之首，。
关于中国两代科研人员在探索“工业皇冠”的道路上砥砺前行的事情简单一讲，从引进到自主研发，从镍基合金到PST TiAl单晶合金，从无到有，实现了自己做的材料和产品飞在中国蓝天上的梦想。
航空发动机领域中最强者必然是军用航发，而军用发动机算是人类科技的巅峰之作。
2、2500年的传承
1978年，河南淅川下寺2号楚墓出土的这件春秋晚期的云纹铜禁，庄严瑰丽，造型奇妙，铸艺巧夺天工，霸气自然天成，是河南博物院的镇院之宝。


所处时代：春秋时期
器物规格：纵长131厘米，横长67.6厘米，高28.8厘米，身宽46厘米，重94.2千克
此禁整体用失蜡法铸就。文献所见中国最早用失蜡法工艺的时间，在唐代初年——《唐会要》说，高祖武德年间铸造开元通宝，用的就是失蜡法。
因失蜡法文献所见较晚，学界一般认为中国失蜡法工艺源自印度。云纹铜禁的出土，将中国失蜡法铸造工艺的历史向前推进1100年——此禁铸造年代，不晚于公元前552年。墓主子庚是年而卒。
由此，学界认为失蜡法铸造工艺至少在2500多年前的中国，就已相当成熟。它不是舶来品，是中国固有的三大传统铸造技术之一。
所谓失蜡法，是青铜器的一种铸造方法。即先造蜡样，蜡样外再反复浇淋细泥以成范，经加热，溶化的蜡水从范下预留的小孔中流走，形成空范，然后再浇铸铜汁铸器，这样可造出结构非常复杂的铸件。
从照片上即可看出，当初塑造这些镂空的云纹费了工匠不少功夫。更难以想象的是，汉末该墓曾被盗掘，此禁被打碎而免于被盗走。发掘时如一块残破的案板，周围的云纹皆断为铜梗。河南博物院的王长青高级技师带领四位徒弟花费四年时间修复了它，使之恢复原貌，堪称奇迹。
失蜡法铸造精密零部件是现代制造业的一种重要技术手段，没想到2500年前的中国匠人已经发展出了该方法，并且一鸣惊人，制造出过这么复杂的器物。
云纹铜禁和航空发动机当中的核心零部件涡轮叶片，以及发动机的机匣等部件的制作工艺是一样的，用的都是我们老祖宗发明的失蜡法。
如今的3D打印技术据说都能打印一套房子了，失蜡法的科技含量竟然还能如此之高？现代的3D打印技术也许可以打印铜禁，但却无法打印涡轮叶片，最重要的原因就是强度和精度。
一个涡轮叶片工作时产生的功率相当于一辆坦克发动机的功率，一个飞机叶片工作时的拉力也相当于一辆重型卡车（60–100吨）的拉力。这种力度，3D打印根本完成不了。
失蜡法在几千年前可以制作出精美的云纹铜禁，几千年后我们借用这种工艺制造出了被誉为“工业皇冠上的明珠”的涡轮叶片。这，正是古人留给我们的一笔宝贵财富。
铜禁线条复杂，需要用失蜡法保持精准的形状，涡轮叶片虽然外表形状没有铜禁那么复杂，但内里也有很多的沟坎，而失蜡法最厉害的就是在结构上无须分型铸造，可以精准呈现诡异复杂的形状。坚蛋与大家一起来看看涡轮发动机叶片的复杂制造工艺，相信各位会有很大收获。


这里正在加工瓷土，将瓷土打碎，制作涡轮叶片的内芯。
涡轮喷气式发动机需要中空的涡轮叶片，只有高质量的陶瓷芯是失蜡法铸造的最好内芯材料，它能够在浇铸金属时依然能够保持稳定，在铸件冷却后又能通过化学工艺轻易溶解，在叶片中留下所需要的空气通道。


这是等待进行加工的瓷土模型，在外部包裹蜂蜡进行失蜡法铸造，才能得到涡轮叶片。瓷土模型可以制作成横截面非常小，而且在加工过程中变形小。


工人正在准备浇铸接口。


已经包裹了陶瓷芯的蜂蜡叶片。


同时，将内部的蜂蜡排出，形成铸造空腔。


每个叶片都要进行多角度探伤，防止出现任何瑕疵
整个涡轮叶片生产工艺非常繁复，完全超越了珠宝制造工业，而这仅仅是“工业皇冠上的钻石”——航空发动机制造的一小部分。
1940年，在我国云南昆明的巫家坝机场，驻扎了美国空军一直部队，这个部队里的飞机经常出现发动机涡轮叶片断裂造成的坠机事故，令美国人很苦恼，却一直找不到很好的解决方法。
这个部队里有个飞机机械师叫奥斯汀，有一天他在机场附近散步的时候，发现当地用一种看起来很特殊的方式铸造缅寺里的铜钟，这种方式虽然一次只能铸造一件，但铸造的器型规整，而且可以做成非常复杂的结构。
奥斯汀从中受到很大启发，用这种工艺试着铸造出了飞机发动机的涡轮叶片，发现所铸叶片非常坚固耐用，于是就开始推广把原来的锻造叶片全都改成失蜡法做的铸造叶片。上世纪四十年代中期，回到美国的奥斯汀，创立以他命名的现代熔模精密铸造技术。由此可见，现在的熔模铸造技术是从中国古代的失蜡法发展而来的.
云纹铜禁的出土，也证明了中国是最早使用失蜡法的国家之一。虽然熔模铸造跟失蜡法所使用的核心材料、具体工艺均有较大差别，但是的基因和本质，还是来自中国。
长国人志气的中国20系列飞机、C919国产大飞机，凝聚了中国几代航发人共同的努力，也传承着我们古老而伟大的技艺。中华文明生生不息，滚滚向前，守护着这个国家的现在和未来。以一颗智慧之心，悟华器美物。
2500年前，失蜡法制成华美的云纹铜禁，成就一代楚国霸业；2500年后，古老的失蜡法制成发动机的发动机，在创新中传承，而强国之梦从未改变。