航空發動機是飛機的心臟，是國之重器。航空發動機體現了國家的工業基礎、科技水平和國防實力，被譽為現代製造業的“皇冠”。美國國家關鍵技術計劃說明文件將航空發動機技術描繪成“是一個技術精深得使新手難以進入的領域，它需要國家充分保護並利用該領域的成果，長期數據和經驗的積累，以及國家大量的投資”。
單晶高溫合金渦輪葉片是我國研製先進航空發動機的瓶頸之一，存在一些亟須解決的製造問題，如葉片合格率較低、複雜結構葉片研製困難等。在我國研製的爬坡過程中，有一款國產軟件打破了跨國公司的壟斷，將我國單晶葉片的研發週期縮短了三分之一，為先進航空發動機的研製提供了堅實的技術支撐。
2019年3月1日上午，北京市科學技術獎勵大會表彰了為首都經濟社會發展做出突出貢獻的科技創新成果和科技工作者。清華大學材料學院許慶彥研究員帶領團隊研究完成的《航空發動機高溫合金葉片定向凝固多尺度建模與仿真技術及工程應用》項目榮獲北京市科學技術獎一等獎。
單晶葉片的製造被稱為製造業“皇冠上的明珠”
航空發動機的基本原理：壓縮更多的空氣供更多的燃料燃燒。風扇先把空氣吹進來，壓氣機高速旋轉，把空氣壓縮到燃燒室，燃燒產生的強大氣流往外噴射產生飛機的動力，同時推動後面的渦輪轉動，渦輪轉動帶動前面的壓氣機轉動，繼續壓縮更多的空氣進來。
為航空發動機提供動力的，正是其中的渦輪機和渦輪葉片。如果說，航空發動機是飛機的心臟，那麼，渦輪葉片就是心臟的“心房”。渦輪葉片的工作環境非常惡劣，溫度高達1700C、轉速高達13000轉/分，對葉片的材料和結構都提出了嚴格的要求。
高壓渦輪的葉片就是全世界最難製備的材料，目前，渦輪葉片採用鎳基高溫合金製造。為了抵抗高溫、高速的惡劣工作條件，其組織已經從等軸晶發展為柱狀晶和單晶，葉片結構也原來的實心改變為現在的複雜空心結構（為了進行冷卻）。高溫合金中通常含有十幾種主要元素，而葉片又具有薄壁、空心、三維空間複合彎扭、截面突變等結構特徵，最薄的地方不到0.5mm，且液-固轉變不可視，導致其製造是難上加難。
單晶葉片的製造被工業界稱為製造業“皇冠上的明珠”，代表了當今的製造技術最高水平。“中國製造2025”和“兩機專項”將發展先進航空發動機作為國家重要戰略任務。單晶高溫合金渦輪葉片是我國研製先進航空發動機的瓶頸之一，存在一些亟需解決的製造問題，如葉片合格率較低、複雜結構葉片研製困難等。
模擬軟件系統打破了跨國公司的軟件壟斷
上世紀八九十年代起，清華大學教授柳百成在國內率先嚐試將計算機技術與傳統鑄造業結合，創新地開闢了用計算機建模與仿真技術提升傳統鑄造行業技術水平研究的新領域，利用軟件可模擬澆注及凝固過程，由此改變幾千年來的老行規。如今，柳百成已成為中國工程院院士，他領銜推出的數字化鑄造相關成果已在多個大型工程中應用。清華大學材料學院教授許慶彥曾作為骨幹，參與其中。
大約20年前開始，許慶彥等人就設想，將多尺度建模與仿真系統引入渦輪葉片製造領域，向製造業的最高領域跨越。許慶彥團隊在國內率先開展了航空發動機單晶高溫合金渦輪葉片建模與仿真的系統深入研究，研發了具有完全自主知識產權的單晶高溫合金定向凝固多尺度模擬軟件系統。
該獲獎項目對單晶高溫合金渦輪葉片定向凝固過程開展了宏、微觀多尺度耦合建模，既能模擬宏觀的溫度場、溶質場，以及介觀晶粒度，近能模擬枝晶的生長。項目成果已成功應用於渦輪葉片的製造，是國內航空發動機單晶渦輪葉片研製中首次應用的國產軟件，填補了國內空白，打破了跨國公司的軟件壟斷，顯著提升了我國單晶渦輪葉片的製備技術水平，為先進航空發動機的研製提供了堅實的技術支撐。
複雜單晶葉片鑄件多尺度耦合模擬示意圖
許慶彥：幹科研不是實驗室發幾篇論文就算了，要真刀真槍地幹
“70後”教授許慶彥來自山東，在改革開放十年後的1988年考入哈爾濱工業大學，本想學當時熱門的自動化，卻被調劑至鑄造專業。去了學校，走進高大上的實驗室，他才瞭解到，這個專業在全國數一數二，實驗儀器設備也相當高大上。 讀博期間，或許是對當初的自動化還有執念，他選修了一門自動化專業的課程，正是這門無心插柳的課程幫助他實現了後來的跨越。
單晶葉片定向凝固過程中，抽拉速度會影響葉片的結晶狀態，以往是勻速抽拉，出現缺陷的概率較高，思考改進方法時，許慶彥來了靈感，“何不讓它自動變速抽拉呢？” 經過反覆編程、調試、排查漏洞，單晶葉片多級變速與自適應抽拉控制技術隨之被髮明，軟件可以根據模擬計算的結果，針對葉片不同位置，採用不同的抽拉速度。這一創新做法，可將單晶葉片合格率提高10%至30%。
許慶彥教授
定向凝固的關鍵一道關卡中，已凝固的金屬枝晶經由螺旋狀的選晶器，經過競爭和淘汰後形成單晶結構。許慶彥團隊通過大量模擬，從引晶段高度、起始角、螺旋直徑、螺旋線直徑等參數方面，提出了選晶器設計準則，填補了國內空白。他們還改進了晶粒競爭生長模型，發明了晶體取向模擬方法。
打開“鑄造之星”（定向凝固模塊）軟件，最左邊豎直排列著材料數據庫、邊界條件、剖分網格、生成外殼、定向凝固爐結構、葉片排布方式等選項，最上排依據計算過程分為前處理、計算、後處理等階段，在軟件中設定好所需要的計算參數，就可以進行模擬計算，相關計算結果還可變成可視化的過程，並可形成動畫效果，軟件也能預測單晶葉片的缺陷，以便後續工藝改進。
這款國產軟件功能強大，與國外老牌同類軟件ProCAST相比也毫不遜色，具有計算速度快、計算精度高，微觀組織計算規模大、價格低的優勢。
為了驗證模擬系統的效果，許慶彥下“血本”專門定製一臺先進的工業生產規模的高溫合金定向凝固爐，以便科研成果能更好地服務於工程應用。這個高七八米、佔地50平方米的龐然大物，光建就花了四五年時間。在許慶彥心中，“幹科研不是實驗室發幾篇論文就算了，要貼近工程實際，需要真實設備，真刀真槍地幹。”
這些年來，這套模擬系統早已走出實驗室，參與了製造行業的實際生產，項目成果已在中國航發北京航空材料研究院、中國航發瀋陽黎明航空發動機有限責任公司等單位開展工程應用，可將單晶葉片的研發週期縮短三分之一左右，經濟效益和社會效益顯著。
當前，我國已全面啟動實施航空發動機和燃氣輪機重大專項，“兩機”專項關鍵技術中，渦輪葉片製造將是重要的研究課題之一。許慶彥透露，今後還將繼續完善現有技術，一方面要提高計算的準確性，針對單晶葉片各種鑄造缺陷的形成機理提出更完善的模型，以更加準確預測缺陷的形成，為優化工藝提供參考；同時，要發展智能化計算方法，他們的目標是未來只需要按下一個按鈕就能實現複雜的運算，並得到模擬結果與分析報告；還計劃利用超級計算機實現多個算例併發運行，提高計算效率，節省時間。
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