導(dǎo)讀：近日，中國(guó)科學(xué)院第三季度例行新聞發(fā)布會(huì)上傳來了關(guān)于國(guó)內(nèi)航空制造領(lǐng)域的好消息。中科院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所瞄準(zhǔn)航空、航天等戰(zhàn)略領(lǐng)域?qū)O端精密制造裝備的重大需求，在中科院科技成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化重點(diǎn)專項(xiàng)（弘光專項(xiàng)）項(xiàng)目“航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)極端精細(xì)制造裝備”等的支持下，開發(fā)出國(guó)內(nèi)最高單脈沖能量的26瓦工業(yè)級(jí)飛秒光纖激光器，研制出系列化超快激光極端制造裝備，實(shí)現(xiàn)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片氣膜孔的“冷加工”突破。

近日，“中國(guó)航天科普展”在深圳開展，圖為觀眾在長(zhǎng)征系列火箭模型前觀摩。展覽主辦方/供圖

中國(guó)經(jīng)濟(jì)導(dǎo)報(bào)記者|郭丁源

在航空領(lǐng)域，航空發(fā)動(dòng)機(jī)一直被譽(yù)為現(xiàn)代工業(yè)“皇冠上的明珠”，其制造水平代表著一個(gè)國(guó)家的科技、工業(yè)和國(guó)防實(shí)力。然而，我國(guó)現(xiàn)有加工手段容易導(dǎo)致航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)重件出現(xiàn)各種制造缺陷，嚴(yán)重影響新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制和生產(chǎn)。在航天領(lǐng)域，衛(wèi)星電推進(jìn)器等關(guān)重件存在微米級(jí)加工精度、高表面質(zhì)量、大幅曲面薄壁結(jié)構(gòu)等極端制造瓶頸，會(huì)極大影響航天飛行器的性能、壽命及可靠性。因此，對(duì)于本次國(guó)產(chǎn)“黑科技”的突破，中科院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所研究員楊小君表示：“研制出系列化超快激光極端制造裝備，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。”

在國(guó)際上率先突破關(guān)鍵技術(shù)

楊小君介紹，這次創(chuàng)新在國(guó)際上率先突破了小空腔（0.5毫米）葉片對(duì)壁無(wú)損傷微孔加工的世界技術(shù)難題，在國(guó)內(nèi)率先攻克了高精度、三維可編程、異型微結(jié)構(gòu)掃描成形技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了超高精度（±2微米）及異型氣膜孔的高品質(zhì)加工，為新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的研制提供了重要的技術(shù)支撐。

中國(guó)經(jīng)濟(jì)導(dǎo)報(bào)記者了解到，在弘光專項(xiàng)項(xiàng)目的支持下，西安中科微精光子制造科技有限公司（以下簡(jiǎn)稱“中科微精”）實(shí)現(xiàn)了系列化超快激光極端制造裝備的產(chǎn)業(yè)化。截至目前，已建成1條核心部件及3條極端精細(xì)制造裝備的中試生產(chǎn)線，相關(guān)產(chǎn)品已在中國(guó)航發(fā)商發(fā)、中國(guó)航發(fā)西航、中國(guó)航發(fā)黎明、貴陽(yáng)精鑄、中國(guó)航發(fā)航材院等20余家航空航天領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)單位得到應(yīng)用，為我國(guó)航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)重件加工提供了新的加工手段和裝備，有力推動(dòng)了我國(guó)航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

楊小君說，此次針對(duì)航空領(lǐng)域，項(xiàng)目組在國(guó)內(nèi)率先利用超快激光極端制造技術(shù)攻克了新型超高溫單晶材料和高精度復(fù)雜微結(jié)構(gòu)制造難題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高壓渦輪葉片氣膜孔的“超精細(xì)冷加工”，解決了現(xiàn)有電火花、長(zhǎng)脈沖激光加工工藝存在重鑄層、微裂紋、再結(jié)晶等缺陷的問題，完成了國(guó)產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)多型號(hào)、多批次高壓渦輪單晶葉片的氣膜孔加工及驗(yàn)證，為國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)換上“中國(guó)心”打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。同時(shí)，針對(duì)航天領(lǐng)域，攻克了50±2微米高品質(zhì)鉆孔技術(shù)，將航天推進(jìn)器流量控制板的控制精度提升三個(gè)數(shù)量級(jí)（由毫克/秒提升至微克/秒），減少燃料攜帶量約20%，并成功應(yīng)用于世界首套在軌驗(yàn)證的磁聚焦霍爾推進(jìn)系統(tǒng)，促進(jìn)了航天推進(jìn)系統(tǒng)升級(jí)。

“超快激光極端智造技術(shù)是我國(guó)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)性能提升與發(fā)展的革命性技術(shù)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片氣模孔是微米級(jí)，而且葉片中間是空心的，要求對(duì)壁不能損傷，我們通過超快激光微加工技術(shù)，突破了傳統(tǒng)制造方式加工葉片氣膜孔存在的重鑄層、微裂紋、再結(jié)晶等缺陷，解決了航空發(fā)動(dòng)機(jī)在超高溫（1700℃）及超高壓等苛刻條件下，造成葉片易產(chǎn)生裂紋、蠕變、侵蝕甚至是斷裂等難題，實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓渦輪葉片氣膜孔‘超精細(xì)冷加工’的重大突破，顯著提升了發(fā)動(dòng)機(jī)壽命及推力，促使我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、制造等進(jìn)入了新的發(fā)展階段。”中科微精科技發(fā)展部的經(jīng)理表示，超快激光因具有極短的作用時(shí)間和超強(qiáng)的峰值功率等特性，可將作用區(qū)域材料直接電離，實(shí)現(xiàn)無(wú)材料選擇的非熱熔性“冷加工”，獲得傳統(tǒng)工藝無(wú)法比擬的超精細(xì)、低損傷等加工優(yōu)勢(shì)，已成為航空、航天、電子等領(lǐng)域極端制造的重要手段。

葉片研究與應(yīng)用正逐步趕超

葉片無(wú)疑是航空發(fā)動(dòng)機(jī)核心中的核心，突破葉片技術(shù)難關(guān)，成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)逆襲的關(guān)鍵。多年來，中國(guó)的航空材料人不僅實(shí)現(xiàn)了單晶葉片的技術(shù)突破，還打通了從基礎(chǔ)研究到應(yīng)用技術(shù)研究，再到工程化研究，直至型號(hào)應(yīng)用和型號(hào)保障的全流程科研工程系統(tǒng)。中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)所需的單晶合金葉片研究與應(yīng)用，已經(jīng)走上了可持續(xù)發(fā)展的快車道。

在葉片工作的過程中，葉片需要承受發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的啟動(dòng)制動(dòng)力，發(fā)動(dòng)機(jī)將面臨溫度劇變、轉(zhuǎn)子葉片在高速運(yùn)動(dòng)下的離心力和根部切應(yīng)力。這樣的工作環(huán)境，就要求葉片的材料具有較高的蠕變強(qiáng)度、熱機(jī)械疲勞強(qiáng)度、抗硫化腐蝕等特性，一些較為先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部力要求更高。公開數(shù)據(jù)顯示，一個(gè)小小的渦輪葉片（幾十毫米量級(jí)大小）在工作時(shí)承受著相當(dāng)于5輛皮卡車的重量，一個(gè)十幾克重的渦輪葉片給渦輪 盤施加的離心拉力為上萬(wàn)公斤。

這么高難度的核心制造工藝屬于歐美長(zhǎng)期壟斷和嚴(yán)格技術(shù)封鎖的技術(shù)項(xiàng)目，至今中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的落后領(lǐng)域仍然是在葉片，雖然已取得巨大進(jìn)步，但是與主要發(fā)達(dá)國(guó)家相比，仍存在差距。早些年因?yàn)槲覈?guó)的航空工業(yè)實(shí)力不夠，我們的高端發(fā)動(dòng)機(jī)一直都依賴國(guó)外進(jìn)口。業(yè)內(nèi)人士表示，這種差距除體現(xiàn)在技術(shù)、工藝、材料上，還有一個(gè)至關(guān)重要的東西需要跟上，那就是技術(shù)積累。

中國(guó)航空工業(yè)近年來的蓬勃發(fā)展，離不開一代代軍工人嘔心瀝血的科研攻關(guān)。對(duì)于航天器來說，飛機(jī)的“心”一直是我國(guó)軍工的一項(xiàng)短板，也是制約我國(guó)飛行器發(fā)展的最重要一環(huán)。不過，目前，這一差距正在逐漸縮小。

2014年，我國(guó)自行研制的第五代含錸高溫合金材料、陶瓷基高溫渦輪葉片及單晶渦輪葉片項(xiàng)目正式投產(chǎn)，這是我國(guó)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)和工業(yè)汽輪機(jī)制造領(lǐng)域取得的新突破，只有中日兩國(guó)成功研制了第五代高溫單晶合金。目前，我國(guó)自主研發(fā)的第一代和第二代單晶葉片已經(jīng)用于渦扇-10改進(jìn)型發(fā)動(dòng)機(jī)，而三代高溫單晶合金也已經(jīng)應(yīng)用于渦扇-15發(fā)動(dòng)機(jī)上。據(jù)介紹，航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片相關(guān)技術(shù)的掌握，意味著我國(guó)將大大提高大推重比發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)能力，并將大大提高原有發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。

相關(guān)技術(shù)還將惠及公眾生活

中科微精成立短短三年來，不斷攻克超快激光極端精細(xì)制造領(lǐng)域的一個(gè)個(gè)技術(shù)難關(guān)并進(jìn)行了產(chǎn)權(quán)固定，團(tuán)隊(duì)申請(qǐng)專利120余件，從設(shè)備整機(jī)到關(guān)鍵部件再到加工系統(tǒng)集成專業(yè)軟件，均有知識(shí)產(chǎn)權(quán)覆蓋保護(hù)，加速了公司的市場(chǎng)開拓和快速發(fā)展。

 激光技術(shù)自問世以來，60多年間，取得了飛躍的發(fā)展，其應(yīng)用幾乎涵蓋所有工業(yè)領(lǐng)域，除輕工業(yè)、汽車、航空航天、動(dòng)力及能源行業(yè)外，正逐步向精細(xì)、微細(xì)加工領(lǐng)域拓展，有力推動(dòng)了電子制造、集成電路、通訊、機(jī)械微加工、醫(yī)療、牙科、美容儀器設(shè)備及新興應(yīng)用的發(fā)展。

中國(guó)經(jīng)濟(jì)導(dǎo)報(bào)記者了解到，作為國(guó)內(nèi)超快激光高端制造裝備的先導(dǎo)者，中科微精也相繼開發(fā)出系列化超快激光加工裝備（航空類、航天類、汽車類、電子類），在將超快激光極端智造技術(shù)應(yīng)用于航空航天事業(yè)的同時(shí)，也不斷向民用領(lǐng)域拓展，惠及公眾生活。

超快激光智造技術(shù)和裝備可以應(yīng)用在電子、汽車、醫(yī)療等方面。由于燃料不完全燃燒造成的汽車尾氣是空氣污染的一個(gè)重要原因，利用超快激光技術(shù)可實(shí)現(xiàn)汽車噴油嘴倒錐孔高精度加工，經(jīng)過高壓霧化的燃料可更加充分地燃燒，達(dá)到減少?gòu)U氣污染的目的。在醫(yī)療領(lǐng)域，超快激光解決了國(guó)產(chǎn)心臟支架加工精度低、筋寬不一致、毛刺多等加工缺陷，解決了制約國(guó)產(chǎn)心臟血管支架激光切割加工的“瓶頸”技術(shù)問題。在電子通信領(lǐng)域可實(shí)現(xiàn)藍(lán)寶石、玻璃等硬脆材料高效、高品質(zhì)加工瓶頸，可大幅提升加工效率，降低制造成本。