航空發動機助力飛機上天，而為航空發動機提供動力的，正是其中的渦輪機和渦輪葉片。如果說，航空發動機是飛機的心臟，那么，渦輪葉片就是心臟的“心房”。目前，渦輪葉片廣泛使用復雜空心結構的單晶葉片，以鎳基高溫合金制作而成，其鑄造工藝代表了當今制造技術的最高水平。

航空發動機渦輪 盤及渦輪葉片

單晶高溫合金渦輪葉片是我國研制先進航空發動機的瓶頸之一，存在一些亟須解決的制造問題，如葉片合格率較低、復雜結構葉片研制困難等。在我國研制的爬坡過程中，有一款國產軟件打破了跨國公司的壟斷，將我國單晶葉片的研發周期縮短了三分之一，為先進航空發動機的研制提供了堅實的技術支撐。

3月初，這一由清華大學材料學院教授許慶彥團隊與中國航發北京航空材料研究院等單位合作的“航空發動機高溫合金葉片定向凝固多尺度建模與仿真技術及工程應用”項目，榮獲北京市科學技術獎一等獎。

單晶葉片造價極其昂貴

在航空發動機中，渦輪 盤呈圓餅狀，周邊以榫卯結構固定數條渦輪葉片，遠看形似向日葵。別看這小小的渦輪葉片長度只有10厘米左右，能量卻相當強大，它最高可承受1800℃高溫，當轉速達到1.2萬轉/秒時，離心力能達到18噸的載荷，相當于在薄薄的葉片尖上停著一輛倫敦巴士。

高溫、高壓、高速，外加腐蝕風險，如此惡劣工作環境，對渦輪葉片的材料和結構都提出極其嚴苛的要求。

目前的渦輪葉片采用鎳基高溫合金制造，其中含有鎳、鋁、鈷、鉻、鉬、錸、鉭、鈦、鎢等十幾種元素；葉片還具有薄壁、空心、三維空間復合彎扭、截面突變等結構特征，最薄的地方僅有0.3毫米；復雜的內部冷卻通道中還含有幾十到上百個小的凸臺/肋。

師法古代青銅器制法的熔模鑄造技術，與現代定向凝固技術結合之后，可制備復雜的單晶葉片——在普通的熔模鑄造技術基礎上，強制形成一個垂直方向的溫度梯度，來限制晶體的生長方向，通過籽晶法（在鑄件底部擺放一個單晶粒作為晶核）或者選晶法（使用螺旋選晶器只讓一個晶體通過），保證只有一個晶體能夠生長到葉片本體鑄件中。

但如此工藝制造的產品，容易產生多種鑄造缺陷，例如縮松、雜晶、雀斑、取向偏離、小角晶界等，成品率非常低。而生產葉片的單晶高溫合金材料的組成元素，多數為稀有金屬，其中錸在地殼中的含量比所有的稀土元素都少，比鉆石更難以獲取，價格跟白金相仿。正因為此，單晶葉片造價昂貴，制作過程容不得失誤，亟須模擬系統以降低試驗的成本。

數值模擬法可預判缺陷

將液體金屬澆入與零件相適應的鑄造空腔之中，待其冷卻凝固后，便制得所需要的器物。早在青銅器時代，中國人在鑄造工藝上就大顯身手。不過，千百年間，金屬在鑄型中凝固的過程不可知，也不可控。因而，一句老話在鑄造圈兒流傳——睜著眼睛造，閉著眼睛澆。

上世紀八九十年代起，清華大學教授柳百成在國內率先嘗試將計算機技術與傳統鑄造業結合，創新地開辟了用計算機建模與仿真技術提升傳統鑄造行業技術水平研究的新領域，利用軟件可模擬澆注及凝固過程，由此改變幾千年來的老行規。如今，柳百成已成為中國工程院院士，他領銜推出的數字化鑄造相關成果已在多個大型工程中應用。清華大學材料學院教授許慶彥曾作為骨干，參與其中。

大約20年前開始，許慶彥等人就設想，將多尺度建模與仿真系統引入渦輪葉片制造領域，向制造業的最高領域跨越。

單晶葉片到底如何而成？許慶彥描述：在定向凝固爐中，液態金屬澆入陶瓷型殼，靜置一段時間后，跟隨特殊的抽拉機構，自上而下運動，從高溫區進入低溫區，葉片隨之自下而上生長凝固，再經過特殊結構的選晶器，就能夠形成單晶葉片。

不同于普通的鋼材制作，單晶葉片要求未凝固高溫合金液體要沿同一方向慢慢凝固，最后形成所有原子排列一致的單晶體。這樣，排列整齊的材料才能承受高溫。這就是單晶高溫合金制造的秘密所在，也是難點所在，單晶高溫合金渦輪葉片定向凝固過程多尺度建模與仿真系統就是要解決這個難點和科學問題。

許慶彥介紹，項目創新點在于首先開展了定向凝固過程宏觀、微觀多尺度耦合建模，開發的數值模型既可模擬凝固過程中整個葉片的宏觀溫度場和微觀組織，又可預測可能產生的缺陷。在數值計算方法上，他們提出了射線追蹤計算熱輻射的工程計算方法，可用于計算凝固過程中葉片與爐壁之間的輻射換熱，再將熱量、質量和動量等方程聯立求解，進而預測晶體生長情況。這相當于給單晶葉片生成過程建了一套模擬系統，一些規律和潛在的風險可以提前掌握，指導科研人員實際操作，避免了“閉著眼睛澆”。

輻射換熱過程中的計算量大、計算效率低。為了提高效率，研究團隊發明了有限差分網格存儲新方法，模擬軟件中只存儲跟葉片有關的有效數據，而不存儲其他多余的無效數據，由此可節省內存76%；另外，研究者還發明了整體組織分層算法，可實現邊凝固邊存儲數據，能大大提高計算規模。

一門自動化課程激發創新靈感

“70后”教授許慶彥來自山東，在改革開放十年后的1988年考入哈爾濱工業大學，本想學當時熱門的自動化，卻被調劑至鑄造專業。至今回想起當時的心情，他用了五個字形容——極度不情愿，“以為鑄造很土，就是翻砂。”去了學校，走進高大上的實驗室，他才了解到，這個專業在全國數一數二，實驗儀器設備也相當高大上。老師還說，鑄造不僅是一門歷史悠久的工藝方法，更是一門現代科學技術，這里面學問大著呢！自此，許慶彥改變成見，刻苦攻讀，一口氣讀到了博士。

讀博期間，或許是對當初的自動化還有執念，他選修了一門自動化專業的課程，正是這門無心插柳的課程幫助他實現了后來的跨越。

單晶葉片定向凝固過程中，抽拉速度會影響葉片的結晶狀態，以往是勻速抽拉，出現缺陷的概率較高，思考改進方法時，許慶彥來了靈感，“何不讓它自動變速抽拉呢？”

經過反復編程、調試、排查漏洞，單晶葉片多級變速與自適應抽拉控制技術隨之被發明，軟件可以根據模擬計算的結果，針對葉片不同位置，采用不同的抽拉速度。這一創新做法，可將單晶葉片合格率提高10%至30%。

定向凝固的關鍵一道關卡中，已凝固的金屬枝晶經由螺旋狀的選晶器，經過競爭和淘汰后形成單晶結構。許慶彥團隊通過大量模擬，從引晶段高度、起始角、螺旋直徑、螺旋線直徑等參數方面，提出了選晶器設計準則，填補了國內空白。他們還改進了晶粒競爭生長模型，發明了晶體取向模擬方法。

打開“鑄造之星”（定向凝固模塊）軟件，最左邊豎直排列著材料數據庫、邊界條件、剖分網格、生成外殼、定向凝固爐結構、葉片排布方式等選項，最上排依據計算過程分為前處理、計算、后處理等階段，在軟件中設定好所需要的計算參數，就可以進行模擬計算，相關計算結果還可變成可視化的過程，并可形成動畫效果，軟件也能預測單晶葉片的缺陷，以便后續工藝改進。

這款國產軟件功能強大，與國外老牌同類軟件ProCAST相比也毫不遜色，具有計算速度快、計算精度高，微觀組織計算規模大、價格低的優勢。

為了驗證模擬系統的效果，許慶彥下“血本”專門定制一臺先進的工業生產規模的高溫合金定向凝固爐，以便科研成果能更好地服務于工程應用。這個高七八米、占地50平方米的龐然大物，光建就花了四五年時間。建成后，在哪里落腳又是個大難題，校內沒有合適的場地，幾經輾轉，他聯系到海淀的一家科研機構，讓爐子在那里安家。

雖然爐子距離清華大學有十幾公里，但畢竟做起實驗來方便多了，許慶彥團隊中，目前在讀的研究生幾乎每個人都過去做過實驗，項目中的部分創新點也由這臺大爐子驗證得出。在許慶彥心中，“干科研不是實驗室發幾篇論文就算了，要貼近工程實際，需要真實設備，真刀真木倉地干。”

助研發周期縮短三分之一

這些年來，這套模擬系統早已走出實驗室，參與了制造行業的實際生產，項目成果已在中國航發北京航空材料研究院、中國航發沈陽黎明航空發動機有限責任公司等單位開展工程應用，可將單晶葉片的研發周期縮短三分之一左右，經濟效益和社會效益顯著。

當前，我國已全面啟動實施航空發動機和燃氣輪機重大專項，“兩機”專項關鍵技術中，渦輪葉片制造將是重要的研究課題之一。許慶彥透露，今后還將繼續完善現有技術，一方面要提高計算的準確性，針對單晶葉片各種鑄造缺陷的形成機理提出更完善的模型，以更加準確預測缺陷的形成，為優化工藝提供參考；同時，要發展智能化計算方法，他們的目標是未來只需要按下一個按鈕就能實現復雜的運算，并得到模擬結果與分析報告；還計劃利用超級計算機實現多個算例并發運行，提高計算效率，節省時間。

許慶彥興奮地暢想，“人工智能和大數據這么火，要是能集合相關技術，真正實現智能化工藝設計和制造，讓未來單晶葉片的生產工藝研發盡量少做實驗就更好了。”

單晶葉片的生產大小工序多達上百道，除了定向凝固，后續熱處理也是關鍵環節，許慶彥團隊也正在加強這一方向的建模與仿真研究。

項目簡介

“航空發動機高溫合金葉片定向凝固多尺度建模與仿真技術及工程應用”項目由清華大學等單位完成。

清華大學材料學院教授、博導許慶彥帶領團隊在國內率先開展了航空發動機單晶高溫合金渦輪葉片建模與仿真系統的深入研究，研發了具有完全自主知識產權的單晶高溫合金定向凝固多尺度模擬軟件系統。項目對單晶高溫合金渦輪葉片定向凝固過程開展了宏觀、微觀多尺度耦合建模，并發明射線追蹤計算熱輻射的方法，解決了抽拉過程中熱輻射的大規模計算難題，提出了分層計算方法，克服了多尺度耦合時計算量巨大的難題；建立了拉速自動優化模型，并提出自適應抽拉技術；改進了實際溫度場分布下晶粒競爭生長模型，提出了晶體取向模擬方法、螺旋選晶器結構參數的設計準則和晶體取向控制方法。

項目成果已成功應用于渦輪葉片的制造，是國內航空發動機單晶渦輪葉片研制中首次應用的國產軟件，填補了國內空白。（圖為單晶葉片定向凝固過程示意圖）

名詞解釋

單晶葉片

這是航空發動機渦輪葉片的一種類型，通常是指由鎳基單晶高溫合金制備的、只由一個柱狀晶體構成的鑄造葉片。鎳基單晶高溫合金是含有鎳、鋁、鈷、鉻、鉬、錸、鉭、鈦、鎢等多種元素并采用定向凝固和籽晶或選晶技術制造的具有單一柱狀晶組織的合金體。