设计—材料—制造三结合，科技攻关的典范 ——我国第一代航空发动机空心涡轮叶片研制中的科学创新精神
来源：中国科学院金属研究所
本文作者是已故的我国著名材料科学家、战略科学家，中科院金属所名誉所长师昌绪院士。本文收录于2002年《中国科学院创新案例》。
师先生是在国内外享有盛誉的金属学和材料科学家，是我国材料科学和技术领域的杰出战略科学家。上世纪六十年代初期，师先生带领的科研团队自主设计并研制成功的九孔高温合金涡轮叶片使我国成为继美国之后第二个开发该关键材料技术的国家，大量应用于多种飞机发动机。他荣获国家级奖励十余项，并获得2010年度国家最高科学技术奖励。
在《中国航空四十年》（航空工业出版社出版，1991年）一书中刊登了一篇由航空研究院主管材料与工艺的总工程师荣科教授撰写的文章“空心叶片攻关记”，文中有这样一段说：“1964年初，自行设计新型飞机的方案进入最终决策阶段。新型飞机的动力问题就成为决策中的重大关键项目。”1964年10月，航空研究院在沈阳601所召开了歼8方案讨论会，会上有人提出采用两台经过改进设计的涡喷7发动机作动力的双发方案。606所负责技术领导的同志在讨论中认为在短短一年时间内完成这样高难度的任务，感到没有把握。会议因此陷入彷徨不定的局面，大家都在继续深思，寻找出路。正当会场一片沉闷之际，我首先大胆提出：为了提高涡喷7发动机的推力，必须提高涡轮的进口温度，而提高温度，则必须解决涡轮叶片耐高温的问题。那么为何不能考虑把该机的实心涡轮叶片改进为空心叶片并进行强制冷却的设计方案呢？”这就是提出研制空心叶片的背景。
荣总还在会上提出实行“设计—材料—制造”一体化的研制体制。当他提出这一创新的方案之后，与会专家都受到了鼓舞，群情激奋，脸上都表露出柳暗花明又一村的喜悦神情。但有关领导仍心存疑虑，并提出“如果你能担保一年内从材料和工艺方面搞出强制冷却100℃的空心涡轮片，我们就敢承担601所要求改进设计的发动机来。”荣总立即接受了挑战，并毅然立下“军令状”，说：“如果不能在一年内研制并提供空心涡轮叶片和新的高温合金，我甘愿把自己的脑袋挂在606所的大门口示众。”
就在表态的那天晚上，荣总驱车从塔湾来到南塔的金属所。大约在8时许，这位“不速之客”来到我家，给我谈了金属所承担制造空心涡轮叶片的要求。我当时就愕住了，“什么铸造空心叶片，我从来没见过，也没听说过！”荣总向我进行了解释，他说：“制造空心涡轮叶片有三个方案：一个是用锻造高温合金，加工出冷却孔，这在英国rolls-royce公司已大量采用；一种是用铸造高温合金做出冷却孔，在美国已开始采用；第三种是发散冷却，冷却效果最好，但目前还没研制成功。”他建议金属所承担第二种方案，因为金属所在50年代末已研制成功涡轮叶片铸造合金（916），1962年又研制成功国际上久经考验的涡轮叶片铸造镍基高温合金m7（相当于in100），并铸成增压器用于飞往西藏的直升机。我当即答应：“既然已有答案，我们也一定能做出来。”
1983年，荣科（左二）、师昌绪（左三）
次日，我将荣总到我家所提的任务向所党委高景之书记和李薰所长叙述了一遍，他们也积极表示支持。第三天，六院科技部长黄锡川和荣总来金属所向各位领导正式交待了任务。但是这种安排公布之后，有人提出反对意见，几经周折，开了几次协调会议之后，才组成了以606所、金属所及410厂为主的三结合小组，在沈阳实现了荣总所提出的“设计—材料—制造”一体化的设想方案。在金属所动员了上百名科技人员，包括冶炼、造型、脱芯、测壁厚、化学分析及相分析、控制合金质量、制定验收标准等重要环节。我为组长，胡壮麒为副组长。因涉及不同研究室，有大量协调工作，党委派曾在111厂及410厂工作过的党委副书记陆炳昌为政委。朱耀宵主持合金质量的控制与检验，赵惠田主持型芯的制备与造型工艺，张顺南及柴寿森主持合金冶炼与铸造，姜晓霞负责相分析及脱芯工艺，万耀光负责铸件壁厚与型芯位置的检测等等。设计所（606所）及410厂都派出了技术人员在金属所共同攻关。这种三结合形式有很大的优越性：设计人员可以根据需要随时修改设计方案以适应制造工艺的简化；厂里的同志在模具设计及制造上做出了创造性的贡献，没有他们的参与，空心叶片是不可能完成的。在整个研制过程中，受到荣总的极大关怀和帮助，他曾多次来所亲自指导，六院黄锡川部长还在金属所全体员工大会上做过动员报告，使空心叶片的研制成为全所关心的任务。
空心叶片是在涡喷7发动机基础上设计的。这种叶片的特点是叶身长，而且从叶根旁边进气，这样给空心叶片的制造带来很大困难。首先是选用什么材料做型芯，芯子的直径从0.8-1.2毫米，长数十厘米，下边还有一个拐角。其难度在于如何定位，以确保在脱腊以后型芯不变位，以及在操作及浇铸过程中型芯不弯不断。为此，我们查阅了很多文献，均不得要领，因为在国外这是高度保密的技术。于是试了好几个方案：如钼丝、磷酸盐、石英管，还试用过上海冶金所研制的硫化铈型芯，但不是因型芯弯曲而露芯，就是因太脆而折断，还有就是无法脱芯。最后还是从美国一本杂志上看到一个出售不同规格的细石英管的商品广告得到启发。我们认定这是制作空心叶片型芯的石英管，于是下定决心，集中精力在石英管上下功夫。此时，正好金属所为开展定氢定氧装置的制造培养出一名技艺高超的玻璃工任师傅，这位任师傅能做出所需要的任何规格和形状的石英管。经过反复试验，并有设计及模具的配合，不到一个月就攻下了型芯这一难关。下一步就是用氟氢酸脱芯和超声波测壁厚及型芯定位的探索。用了不到一年的时间，终于在金属所简陋的铸造实验室里诞生了我国第一片9孔铸造空芯涡轮叶片。叶片经过606所的吹风试验，叶片表面完全达到降低100℃的要求，并于1966年11月在410厂生产出一台份铸造空心叶片，12月装机试车成功。在金属所发展的制造细石英管技术也转让给大连玻璃厂，为空心叶片的批量生产创造了条件。与此同时，三大孔锻造叶片在621及625所等单位的共同努力下，也于1966年4月通过了台架试车。两种叶片都达到了设计要求，但是经过设计所与制造厂的认真讨论，认为铸造9孔叶片较之锻造3大孔叶片在材料性能、制造工艺及价格等方面有更大的优点，于是决定采用铸造9孔空心叶片作为改型设计的涡喷7甲发动机的定型叶片。这样，使中国的涡轮叶片一步上了两个台阶：一个是锻造合金改为真空铸造合金，二是由实心叶片变为空心叶片。这是继美国之后第二个采用铸造空心叶片的国家，比美国（1961年）只晚了5年。记得1963年吴峰桥、周惠久、孙国英与我到英国rols-royce发动机公司参观时，公司负责人鼓吹他们的锻造合金如何可靠，铸造合金如何不可靠，而今在这方面我们走在他们的前面。难怪80年代初，rols-royce公司总设计师胡克教授在410厂看到我国自行创新研制的铸造空心涡轮叶片时，不无感慨地说:“单凭看到这一实际成就，就没有白来中国一趟。”（见《中国航空四十年》156页荣科所写的“空心涡轮叶片攻关记”一文）因为他们用了8年时间才研制成功，而我们只用了一年。这不能不归功于科研、设计与生产三结合的科研体制。另一方面也显示各级人员的爱国主义精神和工作能力。
1968年在410厂检查发动机涡轮盘，左起：朱耀霄、师昌绪、410厂副总工程师、吴平森
完成实验室试制和试生产之后，在正式投产过程中还有不少问题需要解决，如收得率的提高、验收标准的不断调整等等。在生产过程中每出现一个比较大的问题时，就有人发生动摇，想回到锻造合金上去。为此，我们题目组的科技人员经常下厂，一方面努力设法解决生产中出现的问题，另一方面还要做说服工作，使我们已前进了的一步不要再往后退。到了70年代中，航空工业部要把空心叶片的生产转到贵州平坝170厂。照惯例，这是部内厂际间的转产，沈阳410厂既然已达到批量生产的程度，而且已生产了几年，理应由他们到贵州协助生产，可是航空部却要求金属所派一个小分队，并指定由我带队，会同410厂的胡四新高工一起到贵州。当时贵州是生活最艰苦的省份之一，住的是简易招待所，吃的是发了霉的大米加白薯干，就这样我们与厂里的科技人员和工人几个月的朝夕相处，共同攻关。从原料准备、合金冶炼、模壳制造、浇铸制度、一直到检测方法与验收标准的制订，这个小分队都负责到底，最后使空心叶片的成品率远远超过了他们正在生产的实心叶片的水平，我们才离开了贵州。这时正值四人帮垮台之际，自此在科研方面得到了丰硕成果，在政治上也得到了解放。
空心叶片从研制成功到工业生产完全放手整整经历了10年，中间曾在长期试车过程中发生过一次折断事故，后来在大批投产后，又发生过质量问题，但是都一一得到了解决。
1985年，我国第一代航空发动机涡轮空心叶片的研制获得国家科技进步一等奖。在评审会上，我前往答辩，在我讲完以后，没提任何问题就一致通过了。
1985年“铸造空心涡轮叶片的研制和推广”获国家科技进步一等奖
1989年师昌绪参加全国劳动模范与先进工作者会议
师昌绪获得2010年度国家最高科学技术奖
2002年夏，我乘在贵阳开会之机到黎阳公司170厂参观，曾经与我们合作过的老同志没有几位了。厂负责人告诉我“过去我们靠生产你们研制的叶片发家，而今上级已把我厂作为叶片专业厂了”。是的，过去那种破旧厂房都改为明朗的大车间，产品品种也增多了，生产秩序井然，充分显示了有中国特色社会主义的优越性。