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近年来,世界材料产业的产值以每年约30%的速度增长,化工新材料、微电子、光电子、新能源成了研究最活跃、发展最快的新材料领域,材料创新已成为推动人类文明进步的重要动力之一,也促进了技术的发展和产业的升级.在中国新材料研究领域,有一个人因一部电视剧《中国神火》而梦想成为一名从事航空航天事业的科技工作者；因一位老师说到“材料是未来航空与航天技术发展中的重大瓶颈问题”而在大学时期选择了材料系；因在世界上航空发动机与单晶叶片制造技术水平最高的英国Rolls-Royce公司（罗罗公司）的见闻与学习而选择了单晶高温合金制造技术的研究方向；因一腔爱国情怀而决定在掌握先进技术后回国,实现自己的科研报国梦—他就是中国科学院金属研究所的单晶高温合金叶片制造技术专家周亦胄,他用开拓创新的精神为我国高温结构材料技术的发展做出了贡献,也为我国航空发动机制造技术的发展进步提供了先进材料与叶片制造技术保障.
命运的车轮似乎懂得一颗不断进取的心
周亦胄大学毕业于清华大学材料系,先后获得中国科学院金属研究所硕士和博士学位,并师从为两弹一星作出重要贡献的周本濂院士.虽然博士入学的第一年,导师周本濂因突发心脏病离世,使得他们研究组的生存与发展受到了很大影响,但对他的科研生涯也产生了重要影响.
博士毕业后,周亦胄开始在德国爱尔兰根大学从事高温合金定向凝固研究工作.其间,他对高温合金定向凝固理论及技术有了系统的理解和认识,知道了航空发动机的制造技术代表着当前人类制造技术的最高水平.先进发动机中的单晶涡轮叶片是通过定向凝固技术制造的,其内部需要开辟风冷通道,制造工艺极其复杂,因此被誉为现代工业皇冠上的明珠.因此,周亦胄一直期望能到世界上航空发动机与单晶叶片制造技术水平最高的美国GE公司和英国罗罗公司学习和工作.
终于有一天,周亦胄看到了罗罗公司在全球公开招聘一名研究人员的信息,并在激烈的竞争中脱颖而出.在领略罗罗公司先进的单晶高温合金制造技术与规模化生产现场的同时,他把自己当作一名学生,从型壳制造、定向凝固铸造到铸件组织结构分析,积极参与单晶高温合金制造的各个工序与环节,并不停地与高温合金材料及精密铸造技术专家们交流讨论单晶铸造缺陷的形成机制与控制措施.在勤奋学习及实践中,他不仅对定向凝固理论有了更深入的理解,而且对定向凝固技术在单晶高温合金制造上的应用有了深刻的体会,这为他后来的研究奠定了坚实的基础.
2009年6月,周亦胄作为“百人计划”研究员学成归国.首先,他在中国科学院金属研究所组建了单晶高温合金制造技术实验室,将目标瞄准我国航空航天发动机发展对单晶高温合金制造技术的重大需求,开展单晶高溫合金制造技术及缺陷控制的研究工作.同时,他将实验室的研究模式定位为通过基础研究来提高单晶高温合金的工程化制造与应用技术水平,为有效开展单晶高温合金基础与工程化研究提供了良好条件.
创新总能带来意想不到的惊喜
大飞机项目是我国科技与经济实力发展到一定阶段后的强国之路,是中国将以国家意志来发展航空事业的体现.但由于作为航空发动机“心脏”的单晶高温合金叶片制造技术与发达国家相比还存在差距,我国的大推力航空发动机仍然只能采用定向柱晶叶片,发动机的动力、寿命与可靠性亟待提高,也严重阻碍我国发展推力更高的下一代航空发动机的步伐.
为了解决这一问题,周亦胄带领科研团队系统开展了杂晶、小角晶界晶粒、取向偏离、再结晶、型壳反应、表面疏松、热裂纹等单晶叶片典型冶金缺陷形成机制的基础研究,然后根据这些缺陷的形成机制提出了工程上行之有效的控制措施.在查阅大量国内外文献,分析完海量的信息后,他设计出了科学合理的实验方案,并一步步实现了单晶叶片制造技术的发展和进步,成功研制出多种不同类型的单晶叶片,解决了多种单晶叶片从无到有的问题,为中航工业发动机公司以及航天科工集团多个新型发动机的研制提供了叶片保障.其中标志性的一项成果就是首次采用我国最新型的第二代单晶高温合金成功制备出了中航工业新型发动机中的单晶高压涡轮工作叶片.该叶片在试车考核中表现优越,标志着我国在复杂结构单晶叶片的制造技术上取得了重要进展.此外,他们研发出的多项单晶叶片铸造技术还以技术转移的方式推广到了中航工业沈阳黎明航空发动机集团公司,推动了我国单晶高温合金叶片铸造技术的进步.
鉴于周亦胄在单晶高温合金及叶片方面卓有成效的研究工作,他在2014年获得中国科学院“优秀百人计划”,在2016年入选了“国家中青年科技创新领军人才”、辽宁省“百千万人才工程”百人层次人才,并获得辽宁省直机关“五一劳动奖章”等荣誉.
高温合金叶片制造过程中会产生很多废料,为了缓解因高昂的材料价格给我国航空发动机单晶叶片制造带来的巨大压力,周亦胄还带领团队积极寻找降低成本的技术路径,并提出了从高温合金废料中回收再利用高价值金属元素的思路.通过不辞辛苦地到全国各地找资源循环利用专家进行讨论与反复论证,他最终确定了采用电化学溶解法多步分离提取高温合金废料中高价值金属元素的技术路线.随后,他在金属研究所组织起一支具有电化学腐蚀与化学分离提取研究背景的科研队伍,探索了高温合金废料电化学溶解、沉淀分离、萃取分离、离子交换分离、金属化合物重结晶提纯、金属化合物气体还原等环节中的关键科学与技术问题.
经过反复的实验摸索,周亦胄与研究团队建立起了从高温合金废料中分离回收各种高价值金属元素的技术路线,实现了从高温合金废料中分离回收铼、钌、钽、钨、钼、钴、镍等金属元素的目标,同时形成了与之配套的高温合金低成本制造技术,该技术可使含铼、钌单晶高温合金的制造成本显著降低.此外,他还牵头成立了沈阳市稀贵金属再生循环利用工程技术研究中心,为沈阳市的汽车、电子、能源等行业提供从废弃物中获取稀贵金属资源的相关技术和服务,为推动辽宁地方经济的可持续发展发挥了作用.
航空航天强国梦的实现需要科技的支撑,航天航空事业的安全更是关乎国计民生和国家安全,周亦胄愿做这样的守护者,用自己的知识和汗水筑起一道坚固的“城墙”,用科技的力量让中国人飞得更高,飞得更远！
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参考文献：
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