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当我第一次站在航展的展台前，看到那些精致得近乎艺术品一般的涡轮叶片的时候，我不禁为之震撼。这些手掌大小的金属构件，竟然能在上千摄氏度的高温之下，承受数十吨的拉力，并且经受每分钟上万次的旋转冲击，依然能够保持稳定工作。这并非魔法，而是单晶定向炉技术所创造的奇迹。

单晶叶片是只有一个定向结晶晶粒的铸造叶片，它消除了对空洞和裂纹敏感的横向晶界，使全部晶界平行于应力轴方向，从而显著改善了合金的使用性能。在过去60年中，单晶涡轮叶片对喷气发动机的发展至关重要，成为推动航空航天工业发展的重要技术支柱。

单晶定向炉：叶片诞生的摇篮

单晶定向炉究竟为何物？简单来说，它是这样一种装备，能够对金属结晶的方向加以控制。并且通过精准地把控温度梯度、凝固速率以及晶体取向，进而让高温合金在凝固的进程当中形成单一的晶体结构或者定向柱晶结构。

这种技术的关键在于"复合结晶器"，它包括单晶选晶器、定向柱晶选晶器和定向凝固启始段。

在定向凝固的初期，当液态合金浇入铸型后，铸型开始向下移动。

液态合金在结晶器的激冷下，在"复合结晶器"的启始段生成一层细小的等轴晶。

随着凝固过程继续，结晶在热流控制下，细小的等轴晶很快长成细小的定向柱晶，接下来分别进入单晶选晶器和定向柱晶的选晶器。

从追赶到创新：中国的单晶叶片之路

我国在单晶叶片技术领域的探索始于上世纪80年代。三十多年前，航材院从条件简陋的厂房里开始了单晶合金研究。唐定中与同事们从"一片空白"开始自己设计、自己编程、自己组装控制器和阀门，终于研制出了涡轮叶片研制的关键设备——我国第一台高梯度单晶炉，实现了我国真空单晶凝固设备的"从无到有"。

这台“功勋炉”，不但在我国单晶叶片早期的研制过程中，起到了极为重要的作用，先后为多种先进发动机研制了涡轮叶片。从那之后，我国的单晶叶片技术便开启了漫长且艰辛的追赶之旅。

中国航发科技委常委、航材院高温材料研究所原所长唐定中，是我国单晶叶片技术发展的重要推动者。2016年，已过花甲之年的唐定中临危受命，率领团队协作攻关，将高压涡轮叶片铸造合格率大幅提升，有效满足了高压涡轮工作叶片生产配装需求。

另一支重要力量是航空发动机用高温合金产品精密成形技术团队，由来自中国科学院金属研究所等单位的专家组成，负责人为孙文儒研究员。

从1950年代开始，该团队一直坚持高温合金及其生产工艺的研发，发展了GH4169G合金，成功研制了GH4169G合金整体叶盘，填补了我国航空发动机用大型高温合金整体叶盘的空白。

技术优势与挑战：数据说话

单晶叶片相比传统叶片的优势是显著的。与等轴晶体叶片相比，单晶涡轮翼型在蠕变强度和耐热疲劳性方面的相对寿命，已证明高达9倍，而耐腐蚀性相对寿命则高出3倍以上。

镍基高温合金单晶叶片与定向凝固叶片相比，可提高工作温度25℃~50℃，而每提高25℃从工作效率的角度来说，就相当于提高叶片工作寿命3倍。

这些数据背后，是技术难点的一次次攻克。而且单晶叶片制造面临的主要挑战包括：

1、凝固过程中的温度场与温度梯度分布复杂，一旦结构的突变区温度梯度控制不当，或温度场分布不合理，就容易形成新的晶粒而破坏叶片单晶生长的完整性。

2、单晶叶片制造工序繁多，过程复杂，在表面处理、气膜孔加工、喷涂涂层等过程中非常容易产生外来应力，为发动机涡轮叶片的安全可靠使用带来潜在危险。

3、航空发动机叶片与工业燃气轮机用的叶片在尺寸上有较大差别。航空发动机叶片长度一般只有100mm左右，重约250克；而燃气轮机叶片长达几百毫米以上，重量至少在几千克以上。这给大叶片的定向结晶工艺研制增加了相当难度。

航展上的国产单晶叶片：从"跟跑"到"并跑"

在第十五届中国国际航空航天博览会上，中国航发展出了六十余型参展展品，近半数为首次公开展示，参展规模创历史新高。其中涡轮叶片技术的进步尤为引人注目。

现代航空发动机涡轮前温度大大提升，F119发动机涡轮前温度高达1900-2050K，传统工艺铸造的涡轮叶片根本无法承受如此高的温度。而我国研制的单晶涡轮叶片成功解决了推重比10，一级发动机涡轮叶片耐高温的问题。

在航展上，我们可以看到配装中国航发"太行"、"玉龙"、AEP100等发动机的军民用飞机，这些发动机的涡轮叶片均采用了先进的单晶技术。特别是"太行"发动机已走出一条系列化发展和能力提升的研制路线，标志着我国在航空发动机核心技术上取得了重大突破。

未来的忧思与期望

站在航展的展台前，我既为国产单晶叶片技术的进步而欣喜，也为未来的道路而思考。

我国在12英寸半导体单晶炉方面的技术与国际水平仍存在差距，目前国内可生产12英寸半导体单晶炉的厂商，仅有晶盛机电和南京晶能。

而在航空发动机叶片领域，虽然取得了明显的进步，但是与世界一流水平相比，在材料的性能、制造的精度以及使用寿命等方面，仍有提升的空间。

我期待着，在不久的将来，中国的单晶定向炉技术能够实现从"跟跑"、"并跑"到"领跑"的跨越，让"中国制造"的航空发动机叶片，成为世界航空工业的新标杆。

各位科技爱好者们，你们如何看待我国单晶叶片技术的发展？在你心中，中国航空发动机技术，最需要突破的瓶颈是什么？欢迎在评论区，分享你的观点！

参考文献：

1、《中国科技核心期刊目录》（2024年版）：收录了中文期刊2022种和英文期刊196种，共计2218种，是了解中国科技领域核心期刊的重要资源

2、《中国科技发展历程》：详细介绍了中华民族的科技活动悠久历史，以及16世纪中期以前一直处于世界科技舞台中心的成就。

3、《中国科技70年：重大科技成就一览》：回顾了新中国成立70年来中国科技事业走过的不平凡发展之路，以及重大科技成就。