清华大学许庆彦团队研究成果获北京市科学技术奖一等奖

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许庆彦研究员在北京市科学技术奖励大会现场 （金海鹏 摄）

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”。其热端部件（如涡轮盘和涡轮叶片）的制造技术直接影响和制约了航空发动机的水平。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。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。

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。

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图 单晶叶片定向凝固过程多尺度耦合模拟

该获奖项目是由清华大学牵头，中国航发北京航空材料研究院和中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司共同参与完成。材料学院许庆彦研究员为该项目的第一完成人。许庆彦研究团队长期致力于材料加工过程计算机建模与仿真方面的基础研究与工程应用工作，取得了一些重要研究进展。目前项目成果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了工程应用，取得了巨大的经济和社会效益。该方面的研究受到国家重大研究计划、各部委及企事业单位等的支持。