这款软件打破国外垄断 给航空发动机单晶叶片制造装上“透视眼”

航空发动机是飞机的心脏，是国之重器。航空发动机体现了国家的工业基础、科技水平和国防实力，被誉为现代制造业的“皇冠”。美国国家关键技术计划说明文件将航空发动机技术描绘成“是一个技术精深得使新手难以进入的领域，它需要国家充分保护并利用该领域的成果，长期数据和经验的积累，以及国家大量的投资”。

单晶高温合金涡轮叶片是我国研制先进航空发动机的瓶颈之一，存在一些亟须解决的制造问题，如叶片合格率较低、复杂结构叶片研制困难等。在我国研制的爬坡过程中，有一款国产软件打破了跨国公司的垄断，将我国单晶叶片的研发周期缩短了三分之一，为先进航空发动机的研制提供了坚实的技术支撑。

单晶叶片的制造被称为制造业“皇冠上的明珠”

航空发动机的基本原理：压缩更多的空气供更多的燃料燃烧。风扇先把空气吹进来，压气机高速旋转，把空气压缩到燃烧室，燃烧产生的强大气流往外喷射产生飞机的动力，同时推动后面的涡轮转动，涡轮转动带动前面的压气机转动，继续压缩更多的空气进来。

为航空发动机提供动力的，正是其中的涡轮机和涡轮叶片。如果说，航空发动机是飞机的心脏，那么，涡轮叶片就是心脏的“心房”。涡轮叶片的工作环境非常恶劣，温度高达1700?C、转速高达13000转/分，对叶片的材料和结构都提出了严格的要求。

高压涡轮的叶片就是全世界最难制备的材料，目前，涡轮叶片采用镍基高温合金制造。为了抵抗高温、高速的恶劣工作条件，其组织已经从等轴晶发展为柱状晶和单晶，叶片结构也原来的实心改变为现在的复杂空心结构（为了进行冷却）。高温合金中通常含有十几种主要元素，而叶片又具有薄壁、空心、三维空间复合弯扭、截面突变等结构特征，最薄的地方不到0.5mm，且液-固转变不可视，导致其制造是难上加难。

单晶叶片的制造被工业界称为制造业“皇冠上的明珠”，代表了当今的制造技术最高水平。“中国制造2025”和“两机专项”将发展先进航空发动机作为国家重要战略任务。单晶高温合金涡轮叶片是我国研制先进航空发动机的瓶颈之一，存在一些亟需解决的制造问题，如叶片合格率较低、复杂结构叶片研制困难等。

模拟软件系统打破了跨国公司的软件垄断

上世纪八九十年代起，清华大学教授柳百成在国内率先尝试将计算机技术与传统铸造业结合，创新地开辟了用计算机建模与仿真技术提升传统铸造行业技术水平研究的新领域，利用软件可模拟浇注及凝固过程，由此改变几千年来的老行规。如今，柳百成已成为中国工程院院士，他领衔推出的数字化铸造相关成果已在多个大型工程中应用。清华大学材料学院教授许庆彦曾作为骨干，参与其中。

大约20年前开始，许庆彦等人就设想，将多尺度建模与仿真系统引入涡轮叶片制造领域，向制造业的最高领域跨越。许庆彦团队在国内率先开展了航空发动机单晶高温合金涡轮叶片建模与仿真的系统深入研究，研发了具有完全自主知识产权的单晶高温合金定向凝固多尺度模拟软件系统。

该获奖项目对单晶高温合金涡轮叶片定向凝固过程开展了宏、微观多尺度耦合建模，既能模拟宏观的温度场、溶质场，以及介观晶粒度，近能模拟枝晶的生长。项目成果已成功应用于涡轮叶片的制造，是国内航空发动机单晶涡轮叶片研制中首次应用的国产软件，填补了国内空白，打破了跨国公司的软件垄断，显著提升了我国单晶涡轮叶片的制备技术水平，为先进航空发动机的研制提供了坚实的技术支撑。

复杂单晶叶片铸件多尺度耦合模拟示意图

许庆彦：干科研不是实验室发几篇论文就算了，要真刀真枪地干

“70后”教授许庆彦来自山东，在改革开放十年后的1988年考入哈尔滨工业大学，本想学当时热门的自动化，却被调剂至铸造专业。去了学校，走进高大上的实验室，他才了解到，这个专业在全国数一数二，实验仪器设备也相当高大上。 读博期间，或许是对当初的自动化还有执念，他选修了一门自动化专业的课程，正是这门无心插柳的课程帮助他实现了后来的跨越。

单晶叶片定向凝固过程中，抽拉速度会影响叶片的结晶状态，以往是匀速抽拉，出现缺陷的概率较高，思考改进方法时，许庆彦来了灵感，“何不让它自动变速抽拉呢？” 经过反复编程、调试、排查漏洞，单晶叶片多级变速与自适应抽拉控制技术随之被发明，软件可以根据模拟计算的结果，针对叶片不同位置，采用不同的抽拉速度。这一创新做法，可将单晶叶片合格率提高10%至30%。

许庆彦教授

定向凝固的关键一道关卡中，已凝固的金属枝晶经由螺旋状的选晶器，经过竞争和淘汰后形成单晶结构。许庆彦团队通过大量模拟，从引晶段高度、起始角、螺旋直径、螺旋线直径等参数方面，提出了选晶器设计准则，填补了国内空白。他们还改进了晶粒竞争生长模型，发明了晶体取向模拟方法。

打开“铸造之星”（定向凝固模块）软件，最左边竖直排列着材料数据库、边界条件、剖分 格、生成外壳、定向凝固炉结构、叶片排布方式等选项，最上排依据计算过程分为前处理、计算、后处理等阶段，在软件中设定好所需要的计算参数，就可以进行模拟计算，相关计算结果还可变成可视化的过程，并可形成动画效果，软件也能预测单晶叶片的缺陷，以便后续工艺改进。

这款国产软件功能强大，与国外老牌同类软件ProCAST相比也毫不逊色，具有计算速度快、计算精度高，微观组织计算规模大、价格低的优势。

为了验证模拟系统的效果，许庆彦下“血本”专门定制一台先进的工业生产规模的高温合金定向凝固炉，以便科研成果能更好地服务于工程应用。这个高七八米、占地50平方米的庞然大物，光建就花了四五年时间。在许庆彦心中，“干科研不是实验室发几篇论文就算了，要贴近工程实际，需要真实设备，真刀真枪地干。”

这些年来，这套模拟系统早已走出实验室，参与了制造行业的实际生产，项目成果已在中国航发北京航空材料研究院、中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司等单位开展工程应用，可将单晶叶片的研发周期缩短三分之一左右，经济效益和 会效益显著。

当前，我国已全面启动实施航空发动机和燃气轮机重大专项，“两机”专项关键技术中，涡轮叶片制造将是重要的研究课题之一。许庆彦透露，今后还将继续完善现有技术，一方面要提高计算的准确性，针对单晶叶片各种铸造缺陷的形成机理提出更完善的模型，以更加准确预测缺陷的形成，为优化工艺提供参考；同时，要发展智能化计算方法，他们的目标是未来只需要按下一个按钮就能实现复杂的运算，并得到模拟结果与分析 告；还计划利用超级计算机实现多个算例并发运行，提高计算效率，节省时间。