“我們不僅要把活干好，還要讓干的活能用得上！”

近一年來，中國科學院金屬研究所（以下簡稱金屬所）研究員馬英杰深刻感受到基礎研究和應用基礎研究對工程化應用的意義。他告訴《中國科學報》：“我們圍繞下一代航空發動機的關鍵材料，進一步揭示其損壞機理，補齊原來沒有弄清楚的基礎研究短板。”

馬英杰是2021年度中國科學院青年科學家獎獲得者之一。該獎項每年評選一次，每次表彰10人。“很感謝‘中國科學院穩定支持基礎研究領域青年團隊計劃’（以下簡稱“青年團隊計劃”），讓我可以一心一意、心無旁騖地開展基礎研究。”他說。

馬英杰所在的青年團隊共10人，均來自金屬所鈦合金研究部，是一支土生土長的青年科研團隊。該青年團隊項目負責人、金屬所研究員徐磊自稱是團隊中的老大哥，帶著一群“80后”“90后”深耕基礎研究，攻克關鍵核心技術，以解決航空發動機長壽命關鍵材料及制造工藝難題。

為什么選擇粉末冶金

“制約我國航空發動機發展的因素較多，如設計水平、制造裝備精度、材料穩定性等。”徐磊告訴《中國科學報》，“我們團隊一直專注高溫材料，而航空發動機材料要求滿足高疲勞性能、耐高溫等苛刻的條件。”

早在10多年前，徐磊就帶領青年團隊開展關鍵核心技術攻關，在鈦-鋁系金屬間化合物研制上積累了大量經驗，突破了脆性材料粉末成型的關鍵技術。“我們在世界上首次將該技術應用于航空發動機。”他說。

為什么選擇粉末冶金？“航天發動機要想提高壽命，就需要性能優越和穩定的材料。”徐磊介紹，粉末冶金聽起來很古老，但如果和計算模擬技術相結合，就可以實現復雜形狀零件的一次成型。這是精密鑄造的升級版，采用的原料是松散的粉末顆粒。由于粉末顆粒的冷態不可壓縮，因此合金在整個粉末冶金制造過程中都必須在真空或惰性氣體保護之下，同時必須采用熱態成型工藝。

面對這些苛刻的要求，金屬所青年團隊迎難而上。

“我們沒有任何可以借鑒和參考的經驗，只能靠自己一點點摸索。”徐磊向記者介紹，粉末冶金首先需要將粉末填充到模具中，這一過程又叫包套，作用是容納變形。緊接著，松散的粉末顆粒在高溫高壓下發生燒結，形成一個致密的粉末合金，*后再將包套去除就得到了粉末零件。

這個過程說起來簡單，但實際操作卻會遇到各種問題，比如粉末致密度、粉末材料純度等。徐磊以粉末致密度為例介紹：“這一步需要對包套進行封裝除氣，我們采用熱等靜壓的方式使松散的粉末致密化，*終得到致密的塊體合金。”

另外，粉末等潔凈程度也直接影響其物理吸附性，但是完全去除“臟東西”很困難。2005年，金屬所建成國內*臺潔凈霧化的鈦合金制粉設備，從源頭上把關材料的純度。

攻關下一代關鍵材料

在攻關航空發動機長壽命關鍵材料及制造工藝前，在金屬所研究員楊銳指導下，徐磊團隊經過10多年的研究，已將粉體構筑熱穩定材料應用于航天領域，制作長征五號B型運載火箭的氫泵葉輪。

“2008年，我們承接了國家長征五號粉末冶金氫泵葉輪的研制項目。也就是從那時起，我國正式開始粉末冶金氫泵葉輪的研制工作。”徐磊說。

他還記得葉輪研制之路的開啟源自導師楊銳提供的一篇文獻。該文獻介紹了包套怎么做、材質是什么、熱等靜壓參數是多少……

這些年來，徐磊發現自己的工作重心更偏向于應用端，但很多機理性問題有待解決，這需要夯實基礎研究工作。他表示，“青年團隊計劃”不僅提供了經費支持，金屬所也高度重視為團隊成員提供特殊政策支持，穩定了青年人才隊伍，解決了研究人員的后顧之憂，使他們可以全身心地投入基礎科學的研究。

“這些年，我們做了很多有顯示度的項目，成果產出不以文章為考量，更多體現在應用的出口。”徐磊表示，“未來，我們希望瞄準下一代航空發動機長壽命關鍵材料，通過粉體構筑解決高溫合金成型難題，其中基礎研究很關鍵。”

這一年來，在“青年團隊計劃”的支持下，徐磊團隊研發的相關部件已經成型，一些材料也已經得到應用，比如團隊研制的鈦鋁合金渦輪葉片已經用于國產航空發動機，有望為我國自己制造的大飛機提供動力。

拓寬思路并打破禁錮

馬英杰主要從事鈦合金材料成分的組織和工藝設計，例如如何控制鈦合金的微織構。“這里的微織構就好像人體的癌細胞，會降低鈦合金的壽命。”馬英杰告訴《中國科學報》，“我的工作就是通過成分設計來削弱和減少‘癌細胞’，提高鈦合金的壽命和性能。粉末高溫鈦合金也需要這樣的設計。”

此前，為了研制“奮斗者”號的載人艙新材料，馬英杰將海綿狀的鈦和鋁、釩等混合在一起，壓制成鈦合金電極，通過真空熔煉煉成鈦合金的鑄錠。為了“鼓搗”不同成分配比的鈦合金，他在實驗室里做了無數次實驗。

這一年，通過參與航空發動機長壽命關鍵材料研究及制造技術攻關，馬英杰感受到在院所強有力的支持下，不論是基礎研究還是應用基礎研究的工作都更加扎實，尤其是通過查漏補缺補了很多課。

“我們前期存在一些問題，比如基礎研究和應用基礎研究劃分不是非常清晰，研究工作主要面向應用。圍繞下一代關鍵材料，我們需要開展從0到1的基礎研究。”馬英杰說，“我們前期的技術基礎很扎實，*近又開展了更加系統的研究工作，我們有信心用粉末做出更好的高溫材料和部件，延長航空發動機壽命。”

中國科學院過程工程研究所研究員楊亞鋒與徐磊相識于2019年，并通過“青年團隊計劃”進一步增進了合作。他主要聚焦航空發動機長壽命關鍵材料及制造用粉體的功能化可控制備等科學問題，負責設計開發特種功能粉體，為發展新型高熱穩定性材料提供原料基礎。

“‘青年團隊計劃’不僅給我們提供了經費支持，而且牽引我們聚焦國家重大工程需求，深入挖掘背后的基礎問題，讓我們課題組能夠有目的地開展更系統的研究工作，為解決特定的科學問題和技術難題提供了重要保障，真正做到‘心系國家事，肩扛國家責’。”楊亞鋒告訴《中國科學報》。