“我們不僅要把活干好，還要讓干的活能用得上！”

近一年來，中國科學(xué)院金屬研究所（以下簡稱金屬所）研究員馬英杰深刻感受到基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究對工程化應(yīng)用的意義。他告訴《中國科學(xué)報(bào)》：“我們圍繞下一代航空發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵材料，進(jìn)一步揭示其損壞機(jī)理，補(bǔ)齊原來沒有弄清楚的基礎(chǔ)研究短板。”

馬英杰是2021年度中國科學(xué)院青年科學(xué)家獎獲得者之一。該獎項(xiàng)每年評選一次，每次表彰10人。“很感謝‘中國科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)計(jì)劃’（以下簡稱“青年團(tuán)隊(duì)計(jì)劃”），讓我可以一心一意、心無旁騖地開展基礎(chǔ)研究。”他說。

馬英杰所在的青年團(tuán)隊(duì)共10人，均來自金屬所鈦合金研究部，是一支土生土長的青年科研團(tuán)隊(duì)。該青年團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、金屬所研究員徐磊自稱是團(tuán)隊(duì)中的老大哥，帶著一群“80后”“90后”深耕基礎(chǔ)研究，攻克關(guān)鍵核心技術(shù)，以解決航空發(fā)動機(jī)長壽命關(guān)鍵材料及制造工藝難題。

為什么選擇粉末冶金

“制約我國航空發(fā)動機(jī)發(fā)展的因素較多，如設(shè)計(jì)水平、制造裝備精度、材料穩(wěn)定性等。”徐磊告訴《中國科學(xué)報(bào)》，“我們團(tuán)隊(duì)一直專注高溫材料，而航空發(fā)動機(jī)材料要求滿足高疲勞性能、耐高溫等苛刻的條件。”

早在10多年前，徐磊就帶領(lǐng)青年團(tuán)隊(duì)開展關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)，在鈦-鋁系金屬間化合物研制上積累了大量經(jīng)驗(yàn)，突破了脆性材料粉末成型的關(guān)鍵技術(shù)。“我們在世界上首次將該技術(shù)應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)。”他說。

為什么選擇粉末冶金？“航天發(fā)動機(jī)要想提高壽命，就需要性能優(yōu)越和穩(wěn)定的材料。”徐磊介紹，粉末冶金聽起來很古老，但如果和計(jì)算模擬技術(shù)相結(jié)合，就可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀零件的一次成型。這是精密鑄造的升級版，采用的原料是松散的粉末顆粒。由于粉末顆粒的冷態(tài)不可壓縮，因此合金在整個粉末冶金制造過程中都必須在真空或惰性氣體保護(hù)之下，同時必須采用熱態(tài)成型工藝。

面對這些苛刻的要求，金屬所青年團(tuán)隊(duì)迎難而上。

“我們沒有任何可以借鑒和參考的經(jīng)驗(yàn)，只能靠自己一點(diǎn)點(diǎn)摸索。”徐磊向記者介紹，粉末冶金首先需要將粉末填充到模具中，這一過程又叫包套，作用是容納變形。緊接著，松散的粉末顆粒在高溫高壓下發(fā)生燒結(jié)，形成一個致密的粉末合金，*后再將包套去除就得到了粉末零件。

這個過程說起來簡單，但實(shí)際操作卻會遇到各種問題，比如粉末致密度、粉末材料純度等。徐磊以粉末致密度為例介紹：“這一步需要對包套進(jìn)行封裝除氣，我們采用熱等靜壓的方式使松散的粉末致密化，*終得到致密的塊體合金。”

另外，粉末等潔凈程度也直接影響其物理吸附性，但是完全去除“臟東西”很困難。2005年，金屬所建成國內(nèi)*臺潔凈霧化的鈦合金制粉設(shè)備，從源頭上把關(guān)材料的純度。

攻關(guān)下一代關(guān)鍵材料

在攻關(guān)航空發(fā)動機(jī)長壽命關(guān)鍵材料及制造工藝前，在金屬所研究員楊銳指導(dǎo)下，徐磊團(tuán)隊(duì)經(jīng)過10多年的研究，已將粉體構(gòu)筑熱穩(wěn)定材料應(yīng)用于航天領(lǐng)域，制作長征五號B型運(yùn)載火箭的氫泵葉輪。

“2008年，我們承接了國家長征五號粉末冶金氫泵葉輪的研制項(xiàng)目。也就是從那時起，我國正式開始粉末冶金氫泵葉輪的研制工作。”徐磊說。

他還記得葉輪研制之路的開啟源自導(dǎo)師楊銳提供的一篇文獻(xiàn)。該文獻(xiàn)介紹了包套怎么做、材質(zhì)是什么、熱等靜壓參數(shù)是多少……

這些年來，徐磊發(fā)現(xiàn)自己的工作重心更偏向于應(yīng)用端，但很多機(jī)理性問題有待解決，這需要夯實(shí)基礎(chǔ)研究工作。他表示，“青年團(tuán)隊(duì)計(jì)劃”不僅提供了經(jīng)費(fèi)支持，金屬所也高度重視為團(tuán)隊(duì)成員提供特殊政策支持，穩(wěn)定了青年人才隊(duì)伍，解決了研究人員的后顧之憂，使他們可以全身心地投入基礎(chǔ)科學(xué)的研究。

“這些年，我們做了很多有顯示度的項(xiàng)目，成果產(chǎn)出不以文章為考量，更多體現(xiàn)在應(yīng)用的出口。”徐磊表示，“未來，我們希望瞄準(zhǔn)下一代航空發(fā)動機(jī)長壽命關(guān)鍵材料，通過粉體構(gòu)筑解決高溫合金成型難題，其中基礎(chǔ)研究很關(guān)鍵。”

這一年來，在“青年團(tuán)隊(duì)計(jì)劃”的支持下，徐磊團(tuán)隊(duì)研發(fā)的相關(guān)部件已經(jīng)成型，一些材料也已經(jīng)得到應(yīng)用，比如團(tuán)隊(duì)研制的鈦鋁合金渦輪葉片已經(jīng)用于國產(chǎn)航空發(fā)動機(jī)，有望為我國自己制造的大飛機(jī)提供動力。

拓寬思路并打破禁錮

馬英杰主要從事鈦合金材料成分的組織和工藝設(shè)計(jì)，例如如何控制鈦合金的微織構(gòu)。“這里的微織構(gòu)就好像人體的癌細(xì)胞，會降低鈦合金的壽命。”馬英杰告訴《中國科學(xué)報(bào)》，“我的工作就是通過成分設(shè)計(jì)來削弱和減少‘癌細(xì)胞’，提高鈦合金的壽命和性能。粉末高溫鈦合金也需要這樣的設(shè)計(jì)。”

此前，為了研制“奮斗者”號的載人艙新材料，馬英杰將海綿狀的鈦和鋁、釩等混合在一起，壓制成鈦合金電極，通過真空熔煉煉成鈦合金的鑄錠。為了“鼓搗”不同成分配比的鈦合金，他在實(shí)驗(yàn)室里做了無數(shù)次實(shí)驗(yàn)。

這一年，通過參與航空發(fā)動機(jī)長壽命關(guān)鍵材料研究及制造技術(shù)攻關(guān)，馬英杰感受到在院所強(qiáng)有力的支持下，不論是基礎(chǔ)研究還是應(yīng)用基礎(chǔ)研究的工作都更加扎實(shí)，尤其是通過查漏補(bǔ)缺補(bǔ)了很多課。

“我們前期存在一些問題，比如基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究劃分不是非常清晰，研究工作主要面向應(yīng)用。圍繞下一代關(guān)鍵材料，我們需要開展從0到1的基礎(chǔ)研究。”馬英杰說，“我們前期的技術(shù)基礎(chǔ)很扎實(shí)，*近又開展了更加系統(tǒng)的研究工作，我們有信心用粉末做出更好的高溫材料和部件，延長航空發(fā)動機(jī)壽命。”

中國科學(xué)院過程工程研究所研究員楊亞鋒與徐磊相識于2019年，并通過“青年團(tuán)隊(duì)計(jì)劃”進(jìn)一步增進(jìn)了合作。他主要聚焦航空發(fā)動機(jī)長壽命關(guān)鍵材料及制造用粉體的功能化可控制備等科學(xué)問題，負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)開發(fā)特種功能粉體，為發(fā)展新型高熱穩(wěn)定性材料提供原料基礎(chǔ)。

“‘青年團(tuán)隊(duì)計(jì)劃’不僅給我們提供了經(jīng)費(fèi)支持，而且牽引我們聚焦國家重大工程需求，深入挖掘背后的基礎(chǔ)問題，讓我們課題組能夠有目的地開展更系統(tǒng)的研究工作，為解決特定的科學(xué)問題和技術(shù)難題提供了重要保障，真正做到‘心系國家事，肩扛國家責(zé)’。”楊亞鋒告訴《中國科學(xué)報(bào)》。