近日，中纪委官网专门开设了一档栏目，栏目名称就叫《大学》。据悉，《大学》将邀请中国大学书记、校长，谈人文历史，谈科学创新，谈爱国敬业，谈道德修为。而在该栏目第一期露脸的大学校长，正是北京航空航天大学校长、中国工程院院士徐惠彬。

徐惠彬——

首批“国家杰出青年科学基金”获得者，教育部“长江学者特聘教授”，国家“百千万人才工程”入选者。1985年公派赴德国留学，1992年获柏林工业大学博士学位，1992-1993年在德国慕尼黑工业大学做博士后。1993年回国后在北京航天航空大学任教，从事新型形状记忆合金、热障涂层和磁致伸缩材料等特种功能材料的科学研究、工程应用和人才培养。先后主持30多个国家（国防）重点和重大项目，取得重要创新成果。获国家技术发明一等奖和二等奖各1项、省部级科技一等奖4项，授权发明专利100余项，发表SCI收录论文200余篇。

北航是一所有着国家使命的高等院校，在中国大飞机国产化的征程中，一代一代的北航人奋发进取、空天报国，用自己的一颗赤子之心以及一身科研能力报效祖国蓝天。

中国为什么要做自己的大飞机？能够制造完整航空发动机的有几个国家？做发动机为什么这么难？发动机到底有多昂贵？发动机温度每提高100度，推力将提高多少？徐惠彬校长从为飞机发动机“穿一件衣服”讲起，讲述了北航与大飞机的故事……

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▲徐惠彬校长《大学》节目现场

今天很荣幸有这么一个机会，我想给大家讲一讲航空发动机的材料。要讲航空发动机的材料，首先讲讲航空发动机，要想讲航空发动机，还得从飞机说起。

中国的老百姓对于大飞机有一个非常重的情结，有一个大飞机梦。

这张图片是2017年5月5日，C919在上海的浦东机场刺破苍穹、翱翔蓝天，这是咱们中国制造的商用大飞机首次飞翔在蓝天。大家再看下一个屏幕，多少镜头、多少闪光灯对着咱们这个大飞机，这是令国民激动的一次飞行。

大飞机的两次论证都是在北航。2006年第二次论证，我在中间也做了一些贡献。当时非常荣幸，是大飞机论证专家委员会的办公室主任。这次论证我觉得是历史性的。第一，大飞机项目要不要上，中国要不要做民用的、商用的大飞机？专家论证完之后，要做。从2006年论证到2017年，经过了差不多十年多的时间飞起来了，还是很厉害的。

中国为什么要做大飞机？我这里举了一个例子。根据我们当时的计算，咱们中国人低端产品做衬衫，要加工8亿件才能买一架空中客车A380，得加工多少件衬衫才能把中国的航空飞机买全啊？从今天来看，未来的20年中国需要多少架大飞机，就是商用飞机？大概需要5000到6000架，花多少钱来买呢？大概需要一万亿美元。这是什么概念呢？可以把空客和波音两个公司按照现在股票市场的市值买四次。

我们20年就要花一万亿美元买这些飞机，中国这么一个大国要靠买别人的飞机来过日子吗？不可能！中国要造自己的大飞机。

飞机发动机：工业皇冠上的明珠

说完大飞机，我们就开始看看发动机。发动机是飞机的心脏。全国人民非常关注的就是两个“心”：一个是芯片；一个是飞机的发动机——心脏。这两个“心”的问题不解决，我们就难以从大国成为强国。造不出来自己的“心脏”，总是长期依赖于国外，这个不是一个强国甚至大国所为。而且，从飞机讲到了发动机是核心的技术，是买不来的。

航空发动机是一个战略的、高端的、高精尖的技术产品，也跟一个大国、强国的地位紧密相关。不论是哪个国家都把航空发动机的技术列为禁运、严禁出口的产品。发动机到底谁能制造啊？就是联合国的五个常任理事国。能够制造完整的航空发动机的，只有这五个国家。

发动机除了是一个战略资源、核心产品、核心技术之外，它的附加值特别高。有人说飞机是工业上的皇冠，发动机就是皇冠上的明珠。船舶一公斤的价值如果是1的话，中间小汽车可能是9，最高的发动机是1400，它是船舶一公斤价值的1400倍。

做发动机为什么这么难？为什么中国长期以来做不出来民用发动机？发动机是一切工业最高精尖的质量的集成。中国在刚解放的时候，连自行车都造不好。那个时候咱们的工业基础有多差？怎么就在这60年一下子能够追赶上？还有几大难点。

首先发动机需要非常高的安全性和可靠性。现在一台民用发动机要求稳定地工作三万小时不能出任何故障，将来要超过十万小时。其中有两个实验是发动机必须要做的。

第一个实验叫抛鸟试验。很大的鸟从发动机穿过去以后，发动机不能怎么样。有一年我去英国，因为一只大鸟撞到飞机发动机里面去了，飞机就先不能起飞，要看看里边的叶片有没有被损伤。最后把发动机的风扇打开，确实完好无缺，然后飞机才飞走了，还是这台发动机。第二个实验就是吞冰实验。一分钟一吨的冰要打到发动机里面去，发动机叶片要完好无缺，发动机如果不行的话，谁敢坐飞机？在空中肯定有鸡蛋大的冰雹下来，吞进去，发动机不能坏了，叶片打碎了，发动机着火了，还能飞吗？这两项实验证明航空发动机要具有高度的安全性和可靠性。

第二，发动机的转速非常高。发动机的转速要达到10000多转，每分钟15000-16000的转速，发动机如果转动叶片，它承受的离心力相当于叶片本身的10000倍。有人说相当于挂着几台桑塔纳，而且这个时候发动机的叶片是在极高的温度下运转的。这就是它的第二个难点，发动机的叶片承载着巨大的离心力。

第三，发动机的温度极高。现在发动机的材料绝大多数都是金属材料，军用发动机燃烧室的工作温度已经超过了2000K，K跟℃相比差了273度，民用机的发动机燃烧室的温度也要达到1800K-1900K。大家知道我们用的金属材料，特别是一会儿后边还要讲镍基高温合金，它的初熔点大概也就在1300多度，加上273，也不到1600K。所以说，所有的金属材料的叶片在发动机燃烧室里边是处于熔化状态的，而且它还要挂着10000倍的离心力。

第四，搞空气动力学的，都听说过层流和湍流。发动机飞得很高，前面有风扇、压气机把风吹到燃烧室，相当于17级的风速。这个时候的火焰在里边要稳定地燃烧，在17级的风速下，这对于搞空气动力学的也是一个极限，如果设计不好，吹偏了把旁边都烧掉了。

大家看看这个图，看看发动机的产品有多么精致。它确实是一件工艺品，由上万个零件组成的。加工精度要达到微米级，甚至有些个别的部件要达到纳米级。

另外发动机非常昂贵，刘大响院士是北航的毕业生，他曾经讲过一次报告，他说发动机的产品非常昂贵。它的整个重量价值相当于白银，里边的发动机的叶片，它的价值相当于黄金。这么贵，如果没有一个大量的资金投入，发动机是不可能研制出来的，这就是为什么一个国家穷的时候不可能造发动机。

我们讲发动机最核心的核心就是“一盘两片”。“盘”就是涡轮盘，涡轮盘就是把工作叶片插上以后带动它转动的。“两片”一个是导向叶片，一个是工作叶片。导向叶片就是火焰冲出来的时候导流，然后吹着工作叶片转动，它是首先接触火焰的。紧接着就是工作叶片，就是转动的，这是最难攻克的，这就是我们这个团队下面要做的工作。

给发动机叶片穿上一件"金钟罩”

发动机的叶片工作温度已经远远超出了合金的熔点，那么需要几大技术，怎么让它不熔化？第一，需要冷却。中间把它做成空心的，把冷空气吹进去冷却它。在外边形成一个保护膜来保护它。因为有一个温度梯度在里边，表面的温度会降很多。第二，让合金的承温能力继续提高。第三，穿上一层衣服。刚才看到的深色的叶片，就是没有穿衣服的叶片——合金。白的叶片就是穿了一层衣服的叶片，穿了什么衣服呢？这就是我们团队做得很得意的工作，它是一个热障涂层，叫Thermal Barrier Coating，就是TBC，隔热的。

这个陶瓷衣服涂上去，难点大了。怎么说呢？首先，因为大家知道陶瓷很脆，金属的热膨胀系数很大。如果金属膨胀，陶瓷没有热膨胀或者膨胀很小，一下就崩掉了，所以要想穿上这层衣服非常难。

所有这一切的原因都是要增加航空发动机的工作温度、涡轮的工作温度。提高了温度以后对发动机有非常大的好处。有人计算过，发动机里边每提高100度，它的推力就会增加8%到10%。也有人说航空发动机只要提高100度，这个发动机就是提高了一代。推力增加了，发动机加上飞机的起飞升力就增加，在同样情况下，每增加10%推力，就可以增加10%的载客量，能从300人增加到330人，经济效益好。更不用说军机，推力增加了，它的机动性、作战性才能更大，才能实现超音速巡航，才能追得上别人的飞机。这个常识大家也都知道，发动机的温度决定了它的推力。现在用其他的方法都不太好使，只有提高发动机的温度是最灵的，但是提高温度对搞材料的人来说是一个巨大的难点。

我们要攻克这“两片”怎么把它做出来。为什么“两片”这么难？它是发动机压力最高、温度最高的两个地方。要想攻克这件事，三项技术一个都不能少，冷却、合金的温度和涂层。解剖航空发动机的材料，它用了哪些材料呢？绝大部分大家看到，蓝色的是钛合金，红色的是镍基合金，然后黄色的是主轴，轴承用的是钢，然后用了少量的铝和复合材料，90%以上都是用的金属材料。

金属材料有一个特点，它在温度高的情况下强度大幅度降低，要是打铁锻造烧红了就可以打出一个扁铲。在高温下钢铁材料变得很软，这是一种锻造成型，因为高温下它的强度是会降低的。咱们说这个比强度，Specific Strength。比强度应该说钛合金是在室温下最高的，镍基合金其次，钢和铝合金差不多。但是钛合金随着温度的增加，很快它的强度就衰减了。镍基合金比强度虽然不高，但是它撑得温度比较高，撑得时间也比较长，这个红色线就是镍基高温合金。这就是为什么我们现在做的涡轮叶片合金都是镍基高温合金，而不能用钛合金。

科学家们想办法。第一，大家知道，叶片最开始做是用铸造的方法做成是等轴晶。多晶粒放大了以后，它由很多的晶粒组成。在高温下由于它的晶界原子排列是混乱的，从熵的角度来说它就是不稳定的，温度一高，晶界开始软化，这时候有一个巨大的离心力，晶界就碎了。

第二，科学家做出定向实验，所有的晶粒往一个方向，它虽然有晶界，但是它晶界都是竖着的，有离心力的时候不要紧。但是横向不行，只要有横向力它从晶界就断开了。

第三，做成单晶体。想了很多办法，现在做的都是单晶。这还不够，温度还在提高。发动机设计师说不行，温度还得提高增加推力。怎么办？空心的。就是师昌绪先生做的当时是九小孔，现在孔可多了，90、900的孔很多，单通道不行就做多通道，为了让它到处都能冷却，还不行的话加热障涂层。

做出来热障涂层非常不容易。陶瓷里有一个概念叫相变增韧，有一点小的相变可以增韧，不会产生很大的裂纹，当时我们解决了材料的问题，YSZ。结构上，我们发明了一种新结构，这是从陶瓷到机体中间有一个过渡层，我们叫粘结层。这个总是掉，粘不住。怎么回事呢？我们感觉合金的成分前与后差距太大，所以我们把粘结层做成梯度的，我们叫GBTBC，梯度的粘结层，这是结构上有一个新的发明。

还有一点也是挺有意思的，这个涂层有受面，做不好啊。最惨的就是从那个炉子里拿出来，陶瓷片都崩掉了，或者在炉子里热循环，看烧多少个小时能掉，几个小时全掉了，很悲惨。我们做长时间的热循环，就是放炉子里一个小时后拿出来一次冷却，再放进去，我们最多做了多少呢？一万次！或者叫一万个小时的热循环，一个小时一次。一万个小时大家知道是多长时间吗?一年多，不休息，炉子不能休息，人得看着三班倒。一天24小时乘以365，是8000多小时。所以我们做一次实验要做一万小时一年多的时间。冬天还挺好，夏天的时候咱北京也够热的。我们的小实验室就在四号楼的后面，一个小平房，在那里搭了一个炉子。夏天真是热，但是我们也高兴，只要叶片涂层不掉，我们觉得很自豪，把整个的材料、结构、工艺、表征、测试、寿命预测做完以后，能达到一万小时，我们特别开心。

我们解决了什么？我们最重要的是，解决了我们中国的航空发动机叶片。过去上飞机的时候，我们简称叫赤膊上阵，因为只能靠合金本身的耐温能力和冷却来降温，没有衣服穿，只能赤膊上阵。国外发动机都是穿着衣服的，我们团队为中国航空发动机解决了第一代热障涂层问题，使得我们的发动机的叶片穿上了中国人自己做的衣服。

设备国产化：已和美国和欧洲站在了同一个起跑线上

我们把中国的第一代热障涂层问题解决，得到了国家第一个航空发动机叶片热障涂层的国家技术发明二等奖，这是国家给我们的荣誉。2006年到前年又十年过去了，我们又做了什么呢？大家注意看中间有一个人。这个大的设备，这台设备是谁设计的？这就是刚才那个年轻人叫宫声凯。

▲宫声凯及其团队在实验室

我们为什么要自己做设备？全世界在我们之前只有两个国家能做设备，一个是乌克兰，还有一个是德国。乌克兰的设备要150万美元到200万美元，德国的设备要1000万美元以上，我们也买不起。这个设备做完了之后，我们还不到一千万人民币，而且它为我们国家的新一代发动机做了至少三大贡献。

过去我们做的第一代叶片涂层只能在导向叶片上做，转子叶片做上去以后寿命太低。用我们自己生产的设备在工作叶片上、转子叶片上实现了热障涂层的完美制备，导向叶片寿命提高了一倍。还有一点，就是我们现在做的第一代涂层是YSZ。YSZ的承受温度能力是1250度到1300度，再高它就会烧结，一烧结以后就变成块材，热膨胀以后的热应力特别大。我们课题组自己发明了第二代涂层材料，第二代热障涂层材料做到发动机的叶片上以后，已经进行了领先试用。这个工作现在跟美国和欧洲，在同一个起跑线上。我们第一代热障涂层是追上来的是跟跑，人家已经做了二三十年我们追上了。到第二代热障涂层，从设备到材料到工艺，我们已经站在了同样一条线上，也就是说我们从跟跑到了并跑。我们现在不敢说领跑，但是据我们了解的资料来看，我们现在就是所有的东西在同一条线上，这是我们非常自豪的一件事。2016年这个工作获得了国家发明一等奖，就是刚才站起来的宫声凯老师是第一完成人，这是咱们获得的国家发明一等奖。

现在这个里面转动的这个叶片就是工作叶片，我们也叫转子叶片。我们的热障涂层主要涂在导向叶片和工作叶片上，这两片是温度最高的。我们的三大技术：冷却技术，耐温技术，以及热障涂层技术。这三件工作都是我们团队做的。下一代发动机，需要的材料更好，那个时候可能更需要更多的年轻人来从事这项任务。

北航人和北航精神：尽忠报国，梦向中国蓝天

▲师昌绪老先生旧照

这张图大家都认识，师昌绪。师先生已经过世了。师先生是我们材料界很仰视的，我个人也一直把师先生作为学习的榜样和追求的目标。师先生是1955年从美国拿到博士回国的，一直是做高温合金。1955年回国的时候中国还是一穷二白。

师先生一辈子为我们国家的材料领域、材料工业做出了巨大的贡献，所以他荣获了国家最高奖。我们航空界或者材料界认为，师先生最大的贡献就是他在中国第一次研制出来了九小孔的空心叶片。当时这个叶片都是实心的，没法冷却。师先生在70年代，当时在中科院的沈阳金属所，他领导着金属所高温合金研制组研制出来了。我们国家好几代的军机都是用的师先生研制出来的九小孔的空心叶片，这个解决了冷却问题。

讲讲我自己的经历。

1985年1月我被公派出国。那个时候中国很穷，穿的衣服出国怕丢人，公费的留学生有一个待遇，国家给每个留学生700元的置装费买衣服。我跟同学到了北京友谊商店买衣服，当时我的工资是多少？那时候我大学刚毕业，当时的工资是54.5元。这700块钱相当于我一年多的工资，国家对我们公费留学生多好。我们俩就去买衣服，都买的一样的衣服，买了一件风衣，买了一套全毛的西装。中间这位同学在德国待了几年了，所以他的衣服在德国买的，就跟我们在友谊商场买的不一样。我们俩没别的可买，所以买的一模一样。德国人觉得很奇怪，说这是你们的工作校服吗？怎么一模一样？最奇怪的是我们俩买了礼帽，后来才知道侦探才戴这个礼帽，当时不知道外国穿什么衣服。

到了德国以后潜心做研究。先做硕士后做博士，做的都是基础研究，做材料科学。在座的可能有好多研究生都是做材料科学的，材料也很美，被这些美丽的材料科学所吸引。这是铜基形状记忆合金单晶里边的孪晶结构，是在光学金相显微镜下照出来的，主要是做材料，一种马氏体的孪晶结构。大的是孪晶，中间是孪晶的对称镜面，孪晶里面还有孪晶，非常美。

这是我当时在慕尼黑工大的一个笔记，这上边是用德文和中文一起写的。研究相变怎么样提高温度，怎么样让它智能，要不要产生相变和不产生相变，怎么样解决热膨胀问题，天天研究这个。后来，我就把这些记录带回国了。

1993年，我在德国待了八年零八个月终于要回国了。当时我立志回国，回国创业。这是北航大概90年代的一张照片。我回北航的时候学院路还没有，很窄也没有车，什么过街天桥、北四环就更没有。

这是我们创业的图。干什么呢？用肩膀和棍子来装卸设备，这是真实的。这是装卸设备的一个图。大家很高兴，撬棍、木头、吊车、树，这是创业。回国以后面临着很多困难，但是也挺高兴的。用这张照片可以反映我的心情：尽忠报国。能够反映我的家国情怀。中国当时确实不富裕。我当时的工资一个月已经不低了——370块，年收入四千多块钱。我在德国的年薪是八万马克，一马克相当于五块多钱人民币，一换算40万，正好我的工资回来降低了100倍。同学经常问我说，徐惠彬为什么要回国，你的价值何在？一个月挣300多块钱你哪有价值？我说我回到北航，我的价值就是使我做的材料和产品，能够有一天飞在中国的蓝天上。

我们刚才讲到了，发动机“一盘两片”特别是两片有三大关键技术。这个叶片看起来已经非常复杂了，它是双层气冷叶片，如果打开的话，它里边构造和空心设计复杂的程度到了毫米级。里边的每个小柱、每个小槽都是到毫米级的。这个又是单晶，一定要用铸造的方法把单晶做出来，而且每个沟槽、每个小导流柱都是单晶。这个就是一个工艺品。能把这么完美的东西做出来，实现它的冷却技术，这是我们北航做出来的，是我们团队做出来的。

这个叶片的合金已经是比现在我们能从资料上查出来的所有合金的承温能力，提高了80℃-100℃。

这个合金的耐温程度肯定是在全世界最高的制高点上。这是发动机叶片的第二代涂层，做在叶片上，已经在领先试车。这三项工作，一个是合金的单晶承温能力，一个是冷效，一个是热障涂层，这三件工作在世界上都是一流的，已经达到了跟美国、欧洲比肩并跑的水平，这是我们的自豪，用我们的航空梦助力中国梦。

唐朝诗人王勃写了一句话，“海内存知己，天涯若比邻。”现在的军用发动机可以实现超音速三倍的加力，可以实现超音速巡航，但民用发动机还做不到。如果我们做的民用发动机能够达到超音速三倍或者四倍飞行的时候，我们到美国纽约只需要两个小时。这一切取决于发动机的性能。那个时候整个地球就是一个地球村，真正是做到了“海内存知己，天涯若比邻。”我们去纽约可以一天打个来回了，这个是航空梦。我们这一代人已经60岁上下，在座的年轻人都是二三十岁。我希望再有十年、二十年的时候你们能够实现这个梦想。

*综合自中央纪委国家监委网站

编辑：金婉霞
责任编辑：樊丽萍

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