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■本报记者 沈春蕾
“我们不仅要把活干好，还要让干的活能用得上！”
近一年来，中国科学院金属研究所（以下简称金属所）研究员马英杰深刻感受到基础研究和应用基础研究对工程化应用的意义。他告诉《中国科学报》：“我们围绕下一代航空发动机的关键材料，进一步揭示其损坏机理，补齐原来没有弄清楚的基础研究短板。”
马英杰是2021年度中国科学院青年科学家奖获得者之一。该奖项每年评选一次，每次表彰10人。“很感谢‘中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划’（以下简称“青年团队计划”），让我可以一心一意、心无旁骛地开展基础研究。”他说。
马英杰所在的青年团队共10人，均来自金属所钛合金研究部，是一支土生土长的青年科研团队。该青年团队项目负责人、金属所研究员徐磊自称是团队中的老大哥，带着一群“80后”“90后”深耕基础研究，攻克关键核心技术，以解决航空发动机长寿命关键材料及制造工艺难题。
为什么选择粉末冶金
“制约我国航空发动机发展的因素较多，如设计水平、制造装备精度、材料稳定性等。”徐磊告诉《中国科学报》，“我们团队一直专注高温材料，而航空发动机材料要求满足高疲劳性能、耐高温等苛刻的条件。”
早在10多年前，徐磊就带领青年团队开展关键核心技术攻关，在钛-铝系金属间化合物研制上积累了大量经验，突破了脆性材料粉末成型的关键技术。“我们在世界上首次将该技术应用于航空发动机。”他说。
为什么选择粉末冶金？“航天发动机要想提高寿命，就需要性能优越和稳定的材料。”徐磊介绍，粉末冶金听起来很古老，但如果和计算模拟技术相结合，就可以实现复杂形状零件的一次成型。这是精密铸造的升级版，采用的原料是松散的粉末颗粒。由于粉末颗粒的冷态不可压缩，因此合金在整个粉末冶金制造过程中都必须在真空或惰性气体保护之下，同时必须采用热态成型工艺。
面对这些苛刻的要求，金属所青年团队迎难而上。
“我们没有任何可以借鉴和参考的经验，只能靠自己一点点摸索。”徐磊向记者介绍，粉末冶金首先需要将粉末填充到模具中，这一过程又叫包套，作用是容纳变形。紧接着，松散的粉末颗粒在高温高压下发生烧结，形成一个致密的粉末合金，最后再将包套去除就得到了粉末零件。
这个过程说起来简单，但实际操作却会遇到各种问题，比如粉末致密度、粉末材料纯度等。徐磊以粉末致密度为例介绍：“这一步需要对包套进行封装除气，我们采用热等静压的方式使松散的粉末致密化，最终得到致密的块体合金。”
另外，粉末等洁净程度也直接影响其物理吸附性，但是完全去除“脏东西”很困难。2005年，金属所建成国内第一台洁净雾化的钛合金制粉设备，从源头上把关材料的纯度。
攻关下一代关键材料
在攻关航空发动机长寿命关键材料及制造工艺前，在金属所研究员杨锐指导下，徐磊团队经过10多年的研究，已将粉体构筑热稳定材料应用于航天领域，制作长征五号B型运载火箭的氢泵叶轮。
“2008年，我们承接了国家长征五号粉末冶金氢泵叶轮的研制项目。也就是从那时起，我国正式开始粉末冶金氢泵叶轮的研制工作。”徐磊说。
他还记得叶轮研制之路的开启源自导师杨锐提供的一篇文献。该文献介绍了包套怎么做、材质是什么、热等静压参数是多少……
这些年来，徐磊发现自己的工作重心更偏向于应用端，但很多机理性问题有待解决，这需要夯实基础研究工作。他表示，“青年团队计划”不仅提供了经费支持，金属所也高度重视为团队成员提供特殊政策支持，稳定了青年人才队伍，解决了研究人员的后顾之忧，使他们可以全身心地投入基础科学的研究。
“这些年，我们做了很多有显示度的项目，成果产出不以文章为考量，更多体现在应用的出口。”徐磊表示，“未来，我们希望瞄准下一代航空发动机长寿命关键材料，通过粉体构筑解决高温合金成型难题，其中基础研究很关键。”
这一年来，在“青年团队计划”的支持下，徐磊团队研发的相关部件已经成型，一些材料也已经得到应用，比如团队研制的钛铝合金涡轮叶片已经用于国产航空发动机，有望为我国自己制造的大飞机提供动力。
拓宽思路并打破禁锢
马英杰主要从事钛合金材料成分的组织和工艺设计，例如如何控制钛合金的微织构。“这里的微织构就好像人体的癌细胞，会降低钛合金的寿命。”马英杰告诉《中国科学报》，“我的工作就是通过成分设计来削弱和减少‘癌细胞’，提高钛合金的寿命和性能。粉末高温钛合金也需要这样的设计。”
此前，为了研制“奋斗者”号的载人舱新材料，马英杰将海绵状的钛和铝、钒等混合在一起，压制成钛合金电极，通过真空熔炼炼成钛合金的铸锭。为了“鼓捣”不同成分配比的钛合金，他在实验室里做了无数次实验。
这一年，通过参与航空发动机长寿命关键材料研究及制造技术攻关，马英杰感受到在院所强有力的支持下，不论是基础研究还是应用基础研究的工作都更加扎实，尤其是通过查漏补缺补了很多课。
“我们前期存在一些问题，比如基础研究和应用基础研究划分不是非常清晰，研究工作主要面向应用。围绕下一代关键材料，我们需要开展从0到1的基础研究。”马英杰说，“我们前期的技术基础很扎实，最近又开展了更加系统的研究工作，我们有信心用粉末做出更好的高温材料和部件，延长航空发动机寿命。”
中国科学院过程工程研究所研究员杨亚锋与徐磊相识于2019年，并通过“青年团队计划”进一步增进了合作。他主要聚焦航空发动机长寿命关键材料及制造用粉体的功能化可控制备等科学问题，负责设计开发特种功能粉体，为发展新型高热稳定性材料提供原料基础。
“‘青年团队计划’不仅给我们提供了经费支持，而且牵引我们聚焦国家重大工程需求，深入挖掘背后的基础问题，让我们课题组能够有目的地开展更系统的研究工作，为解决特定的科学问题和技术难题提供了重要保障，真正做到‘心系国家事，肩扛国家责’。”杨亚锋告诉《中国科学报》。
