互动科普

每天4〜6个小时的睡眠，一年间参会40余次，写文章，做报告。北到哈尔滨、南到广州，跑了十几趟⋯⋯很难想象，这紧凑的日程安排同一位91岁高龄的老人有着怎样的关联，而这恰恰就是师昌绪的2010。

20世纪20年代，师昌绪出生在河北徐水县的一个大家庭里，少年时代经历的动荡时局和连年战争，使师昌绪从小便萌发了“强国梦”。这时的他“每当听说县里的哪一位留学归来，或哪一位为国家做出了显著贡献，就很羡慕，立志向他们学习”。

这样的细节，就像励志电影里出现过的桥段，带着某种预示性——时隔20多年，师昌绪登上美国“麦格将军号”运输舰，开始了在密苏里矿冶学院的留学生涯。和那个时代许多留美的中国学生一样，年轻的师昌绪很快便显示出了他的科研才华。

在攻读硕士学位期间，他利用真空中蒸汽压的原理，从炼铅过程中所得的锌熔渣来分离银，其纯度达90%以上。这个独特的方法改进了在100年前发明的用锌提取液态铅中银的方法。1952年在美国欧特丹大学，他完成的博士论文是有关铟-锑-砷三元合金相图，为今天化合物半导体的发展做出了贡献。

在美国麻省理工学院进行博士后研究工作期间，他师从著名的M·柯恩教授，从事“硅在超高强度钢中作用”的研究，巧妙地变化钢中硅和碳的含量，取得了很好的成效。在此项研究结果基础上发展的300M高强度钢，成为20世纪60〜80年代世界上最常用的飞机起落架用钢，解决了飞机起落架经常因断裂韧性或冲击值不够而发生严重事故的问题。

问心无愧地做了一些贡献

1955年4月，作为日内瓦会议的成果，师昌绪进入了76位中国留学生归国名单中，6月经旧金山回国，9月被分配到中国科学院金属研究所，从事高温合金材料方面的研究。在后来出版的文集里，他把这段工作总结为“问心无愧的为社会进步做了一些贡献”。

20世纪40年代，世界上出现了喷气技术，这种技术实现的前提是高温合金结构材料的出现。所谓高温合金，是指能够在600℃以上高温环境下，承受较大复杂应力（单位面积上的内力），并且表面稳定性较好的高温合金化的铁基或镍基、钴基奥氏体金属材料。其基体是高合金化的奥氏体，通常含有10〜20种合金元素。这些元素被分为3类：固溶强化元素（铁、镍、钴等）、沉淀强化元素（铝、钛等）和晶界强韧化元素（硼、碳、锆和稀土元素等）。在高温合金中，他们分别扮演着不同的角色。这些元素以不同比例共同参与，再通过各种强韧工艺，可以保证高温合金具有从室温到高温的良好强度、表面稳定性和较好的可塑性。

其中，固溶强化元素、沉淀强化元素都是为了构成内应力场，给导致原子局部不规则排列的位错运动制造障碍。比如镍具有面心立方体结构，从室温到高温没有同素异构转变，比铁具有更好的高温强度。同时，由于镍原子的第三原子壳层被填满，它可以溶解比较多的合金元素进行合金化，且仍然可以保持稳定性。当代先进的航空发动机中用材总质量的50%以上都是镍基合金。而晶界强韧化元素则是高温合金中的微量元素，有的可以延长合金寿命，有的可以提高合金的纯洁度，还有的可以改善高温合金的抗氧化性。

1939年，英国独立研制了Whittle涡轮喷气发动机，成为世界上首个研究和开发高温合金的国家。由于这种涡轮发动机推力和推重比大，就要求其涡轮入口温度很高，同时要求相应零件有非常好的力学性能，能够在很高的温度下依然正常工作。为了满足这种发动机热端部件的要求，1939年英国Mond镍公司首先在80Ni-20Cr电热合金中加入了0.3%的钛和0.1%的碳，研制成功了Nimonic75合金，在800℃、47兆帕压力的作用下，经300小时缓慢变形不超过0.1%，这种较低的蠕变性能，更适合制作板材，生产火焰筒等板式零件。1941年，科学家们在Nimonic75合金的基础上提高了钛含量，又加入了1%的铝，发展成了Nimonic80合金，成为了最早的Ni3（Al，Ti）强化的涡轮叶片合金。

新中国成立初期，由于工业落后，根本没有自己的高温合金工业，涡轮喷气发动机都是从苏联引进的。1956年，我国开始仿制苏联的高温合金。当时，在国际上出现的大多数高温合金中，镍和铬二者总量的比例均占50%以上。而我国的资源现状是既缺镍，又无铬。由于当时受到资本主义国家封锁，师昌绪提出大力发展铁基高温合金的战略方针。为了克服一般铁基高温合金的耐热性能差的弱点，师昌绪等人在设计成分时，一反铁基高温合金中“钛高铝低”的常规作法，相应提高铝的含量，从而研制出我国第一个铁基高温合金808（GH2135）。

作为航空发动机的涡轮盘材料，GH2135被用于涡轮喷气5（WP-5）发动机和涡轮喷气6甲（WP-6甲）发动机的共有1157台，在正式使用中最长寿命达619小时。有关GH2135合金的研制成果，1978年获得了全国科学大会重大科研成果奖。

1964年初，我国自行设计的新歼击机—歼8的方案进入最终决策阶段，新歼击机的动力问题成了决策中的难点：为了提高涡轮喷气7（WP-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的耐高温问题。

就在大家都一筹莫展的时候，时任航空研究所主管材料的荣科总工程师在一次会议上提出“把该机实心涡轮叶片改进为空心涡轮叶片，并进行强制冷却”的设计方案，这一想法使与会的专家豁然开朗。当天晚上，荣科教授便驱车赶往位于中科院金属所的师昌绪家，和他谈了制造空心涡轮叶片的想法。“空心的涡轮叶片”师老从来没见过，甚至听都没听说过。但当荣总提出了几种方案后，他当即答应：“既然已有答案，我们也一定能做出来。”

这种“空心叶片”其实是从涡轮叶片的设计和制造工艺着手，换一种思路来提高涡轮喷气发动机的动力。即通过发动机内部的压气机引出高压空气，这些“冷”空气从涡轮叶片上的小孔洞溢出，可以将外界的高温燃气和叶片金属隔开，从而实现有效的降温。

师昌绪研究的“九孔铸造空心涡轮叶片”是在WP-7甲发动机涡轮叶片的基础上制造的，这种叶片的特点是叶身长，且从叶根旁边进气，这样的结构给空心叶片的制造带来很大困难，第一个难题就是选用什么材料做型芯（铸造时用于形成铸件内部结构的模具）。叶片小孔直径从0.8〜1.2毫米，长数十毫米，侧面进气口有一个拐角，难度在于如何定位，在脱腊以后又如何保证不变位，这样在操作及浇铸过程中型芯才能不弯不断。为此，师昌绪查阅了很多文献，均不得要领，因为这是高度保密的技术，于是也试了好几个方案，如钼丝、磷酸盐⋯⋯但总是不尽人意。最后，师昌绪从一本美国杂志上看到了一则广告，得到了灵感，认定石英管是制作空心叶片型芯的材料，于是下定决心，集中精力在石英管上狠下功夫。经过反复试验，不到一个月就攻下了型芯这一难关。在克服型芯材料、定位和脱芯等多重困难后，终于用中科院金属所研制的M17合金在简陋的铸造实验室里制成了我国第一片九孔铸造空心涡轮叶片。经吹风试验，叶片表面完全达到降低100℃的要求，并最终正式定型生产。

这样，使得中国涡轮叶片技术一下上了两个台阶：一是由实心叶片变为空心叶片，二是锻造改为真空铸造合金。凭借此项成就，师昌绪获得了1985年国家科技进步一等奖。师老回忆道：“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。”

飞机发动机示意图

（本文发表于《科学世界》2011年第3期）