历经17年攻关，武汉科学家破译“超级坩埚”密码

航空发动机是飞机的“心脏”，被誉为现代工业“皇冠上的明珠”，而生产这颗明珠离不开坩埚。看起来像个陶罐的坩埚，是制作航空发动机叶片必不可少的工具。现代航空发动机对叶片要求极高，需要几乎无杂质、内部设气道冷却、表面覆漆膜的单晶金属材料。而要制造这种发动机的叶片，必须用到能经受真空熔炼的坩埚，坩埚必须耐受急冷急热、抗腐蚀、超高稳定等特性。

早期这类坩埚材料几乎全由国外进口，受制于人。先进耐火材料全国重点实验室（武汉）副主任、武汉科技大学李远兵教授团队从2009年开始研究能制造叶片的坩埚，至今已17年。他们从反复实验中找到“超级坩埚”的制造密码，不断迭代升级，为国内多家航发企业和舰船燃气轮机企业提供中国自己的“超级坩埚”产品，打破了国外的技术封锁。

李远兵教授的办公桌上摆满了各式坩埚。

【研发者说】

先进耐火材料全国重点实验室（武汉）副主任、武汉科技大学教授李远兵：

从微小气孔中找到制造“超级坩埚”的密码

叶片作为高端金属工艺的代表，其内部设计为空腔结构，用于通气冷却的流道。在超声速飞行器的发动机中，叶片需承受极高转速带来的极端温度。当金属达到临界温度时，其强度会显著下降，而这种独特的叶片设计可实现快速冷却，确保发动机稳定运行。

航空发动机模型上的叶片。

叶片对强度要求极为严苛，首要前提便是材料的纯净度，需接近99.9999%。在叶片的超薄壁结构中，任何非金属夹杂物都可能诱发孔洞缺陷；即使在较厚的部件中，杂质也可能成为裂纹源，在高速运转中不断扩展，最终导致材料破裂。

除了材料纯度，金属性能同样关键。作为合金熔炼的核心容器，坩埚必须满足多重性能要求：耐受急冷急热的温度变化，抵御高温软化，防止化学侵蚀。这些性能的实现并非易事，尤其对于陶瓷材料而言，其固有的脆性特性使其在温度骤变时易产生裂纹。

李远兵教授检测坩埚质量。

在材料研发中，我们发现适度的微小气孔设计反而有助于提升材料性能。这些气孔尺寸极小，既不会影响材料强度，又能有效缓冲应力集中。通过上百次的实验摸索，我们最终找到了影响气孔特性的关键参数，包括气孔的分布密度、形态特征及其空间位置等。这些参数的优化配置，构成了材料性能调控的密码。

我们采用氧化铝和氧化锆作为基材，其中人工合成的高纯氧化铝占主导。与天然陶土相比，人工合成材料具有更高的纯度和更好的高温性能。通过精确调控氧化铝、氧化硅、氧化锆等组分的比例，我们开发出了性能优越的坩埚材料体系。

在坩埚成型工艺上，我们采用了高压注浆成型技术。这一工艺类似于卫浴产品的制造流程：首先制作模具，将浆料注入模具形成生坯，随后经过干燥和高温烧结。烧结过程中的温度控制至关重要，需根据不同产品的厚度进行调整。厚的要三天烧制，薄的两天左右，从早到晚都要待在窑前，跟窑工的生活相差无几，身上沾满白色粉末。有人总是不解地问，“你家里是不是在装修？”

生坯进窑后是封闭加热的，看不到内部情况，烧完出来可能会有废品，因为高温下性能可能发生变化。生坯没烧制前强度并不高，需要用黏结剂增加强度，否则无法搬运、装炉。黏结剂要求烧后无残留，或者残留成分与产品一致，否则会影响性能。

在烧制过程中，任何微小的工艺偏差都可能导致产品报废。刚开始，我们烧制的坩埚合格成品只有百分之二三十，后来慢慢提到百分之五六十，现在合格率已经到了百分之九十以上。

李远兵教授观测电炉温度。

这些经验告诉我们，在材料研发中，细节决定成败。正如西方谚语所言：“魔鬼藏在细节里”。我们在细节中找到“超级坩埚”的制造密码，最终获得耐高温抗侵蚀，能承受1600℃高温、1000℃左右温差的中国“超级坩埚”。

【专家点评】

武汉科努斯新材料有限公司总经理刘芳：

国产坩埚实现高端替代

两年前，我们采用武汉科技大学李远兵教授团队研发的坩埚制造技术，量产了具有自主知识产权的“超级坩埚”系列产品，在这一细分领域确立了显著的技术优势。过去，用于生产叶片的坩埚完全依赖进口，现在我们生产的坩埚系列产品作为国产坩埚的标杆，实现了对高端进口产品的替代。

在极端工况下，该产品能够完美应对骤冷骤热的严苛考验，确保在高温合金棒料快速升温熔化过程中稳定应对温差冲击。同时，面对合金中各类杂质的侵蚀，它展现出卓越的抗腐蚀性能和尺寸稳定性，保证在高温熔炼过程中无任何形变或开裂。这些严苛的技术指标，我们的产品均能完美达标。

作为国内领先的坩埚制造商，我们不仅为航发企业持续供货，也为船舶燃气轮机叶片制造企业提供坩埚产品，不仅在国内市场占据重要份额，还成功实现对海外市场的出口突破，一举打破国外企业的长期技术封锁。

编辑：王冲