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    2020年度北京市先進工作者宮聲凱教授事跡:不忘初心、腳踏實地,助力航空發動機發展
    發布時間:2021-04-18

    宮聲凱,男,1956年生,中共黨員,北京航空航天大學教授、博士生導師,享受國務院政府津貼,國家技術發明獎一等獎第一完成人;曾獲首屆全國創新爭先獎、北京市師德先進個人、北航共產黨員十杰等稱號;2019年當選中國工程院院士。



    一、不忘初心,兢兢業業工作在教學一線

    宮聲凱教授自199411月回國入職北航材料學院以來,以教書育人為天職,不忘初心,兢兢業業堅守在本科生和研究生的基礎教學一線,他常說:一名教不好書的老師不可能搞好科研。先后講授了《晶體學》、《熱處理爐原理》、《航空航天結構材料》等多門專業課程,其中,講授的本科生課程《材料現代研究方法》和研究生課程《材料近代測試方法》為校級精品課?!恫牧犀F代研究方法》和《材料近代測試方法》分別為本科生和研究生的專業平臺課,其授課目標是使學生掌握近代材料分析及測試方法的基本原理,學會正確使用各種分析方法,為材料檢測、分析及研究服務。授課時既需要講解基本原理,又需要講解具體案例使學生掌握數據分析方法,其案例需要兼顧材料科學與工程學科中的金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料、復合材料的共性與個性,并且需要隨著材料領域的發展時時更新案例,以使同學能夠及時了解相關領域的發展,因此,備課工作量非常大。盡管宮聲凱教授長期承擔大量的科研工作,并曾擔任材料科學與工程學院副院長、院長近10年,但他從未因為科研與社會工作影響教學,并不斷進行教學方法改進,更新教學案例,將科研工作的成功案例納入課堂教學中;課前認真準備、課上認真實施、課后認真總結是他的一貫作風,盡管他講授材料測試方法課程已有近20年,但每次上課之前,仍然要備課至深夜。北航徐惠彬校長在學生大會上講“宮聲凱教授辦公室的燈光幾乎總是最后熄滅的那幾盞之一”。

    宮聲凱教授不僅重視課堂教學,而且還非常注重教學實踐改革和實驗教學團隊建設,積極參與和策劃了材料科學與工程學院的實驗教學改革,獲北京市教學成果獎一等獎和獲國家教學成果獎二等獎;負責建設了北京航空航天大學材料科學與工程北京市實驗教學示范中心;作為團隊負責人,材料科學與工程綜合實驗教學團隊2009年獲北京市優秀教學團隊。



    二、腳踏實地,把論文寫在祖國大地上

    宮聲凱教授與團隊十分重視培養研究生進行基礎科學研究,回國以來,共培養碩士和博士研究生100余名,累計發表SCI論文近300篇,發表與熱障涂層相關論文數在國際上排名第一。但他更注重結合國家重大需求、針對航空企業實際需求,培養碩士和博士研究生。帶領學生長期深入航空企業,在進行所承擔的國家重大重點項目科研攻關的同時,培養研究生分析問題、解決科研生產實際問題的能力,把論文寫在祖國的大地上。由于三線建設的原因,我國航空發動機葉片專業廠位于貴州的山區里(現已遷出),宮聲凱和團隊在工廠進行國家重大項目科研攻關的同時,指導研究生發明的籽晶法單晶葉片生長技術、單晶葉片凝固過程數值模擬方法、電子束物理氣相沉積熱障涂層制備技術等,已在我國高性能航空發動機單晶葉片和熱障涂層的研制或批產中得到了成功的應用,為我國新型航空發動機的研制以及在役發動機的性能提升做出了貢獻,也使得研究生得到了工程實踐的鍛煉。與此同時,他還結合專業所長,積極為企業培養技術骨干,經常在工廠舉辦講座,指導生產單位,在貴州的航空發動機葉片鑄造專業工廠形成了一支能夠從事航空發動機單晶葉片研制與批產的團隊,在我國葉片涂層專業生產單位形成了電子束物理氣相沉積葉片熱障涂層的專業團隊。

    三、科研創新,助力航空發動機發展

    宮聲凱教授是我國航空發動機新型高溫金屬結構材料熱障涂層的學術帶頭人之一,長期從事提升航空發動機核心熱端部件高壓渦輪葉片承溫能力的新型單晶合金與熱障涂層研究工作。

    渦輪葉片是航空發動機的核心熱端部件,其承溫能力和服役壽命是制約發動機性能的瓶頸,人們經常將航空發動機譽為現代工業中的皇冠,渦輪葉片是皇冠上的明珠。目前,研制渦輪葉片的主要難點在于:航空發動機推重比與服役壽命不斷增加,將傳統高溫合金承溫能力逼近極限,需要研發新型合金及冷卻、隔熱技術。

    宮聲凱帶領團隊,通過近20年的不懈努力,在航空發動機高壓渦輪葉片和防護涂層材料技術方面取得了重要的突破。

    鎳基高溫合金是目前航空發動機葉片的主要材料,主要由γ鎳基固溶體基體相與γ′-Ni3Al強化相構成。國際上多年來沿用的技術路線是采用稀有貴重金屬錸等進行強化,雖然使合金性能得以提高,但導致密度與成本偏高。宮聲凱帶領團隊針對我國目前最高推重比新型航空發動機研制的迫切需求和國內外高溫合金發展現狀,提出了與傳統鎳基單晶高溫合金不同的合金設計方法,通過合金強韌化設計和組織均勻性控制關鍵技術的突破,發明了新型低錸Ni3Al基單晶合金(牌號IC21),其性能與國外用于最高性能現役發動機的第三代鎳基單晶合金相當,成本約為第三代單晶高溫合金的1/3,密度第三代單晶高溫合金降低約10%,可顯著降低因葉片高速旋轉對渦輪盤產生的載荷。該合金已用于我國目前最高推重比新一代航空發動機高壓渦輪葉片的研制。

    由于制造難度大,航空發動機高壓渦輪單晶葉片被譽為“皇冠上的明珠”。我國在研的新一代航空發動機高壓渦輪單晶葉片設計采用目前國際上制造難度最大的超氣冷結構。宮聲凱帶領團隊,經歷了多次的失敗-再挑戰,通過實施復雜多件組合陶瓷型芯定位和確定合金熔體充型路徑,突破了鑄件薄壁效應接近極限、陶瓷型芯承溫低于合金熔體充型所需溫度、精密尺寸與結構應力控制等多個技術難題,與生產單位合作,采用發明的新型高承溫低錸Ni3Al基單晶合金IC21,在國內率先研制出超氣冷單晶導向葉片,并研制出超氣冷單晶轉子葉片,已用于新一代航空發動機的研制。

    采用低導熱陶瓷材料在葉片表面制備的熱障涂層被國際上高性能發動機普遍采用。現役熱障涂層的承溫不能超過1250,難以滿足新一代發動機要求,國際上承溫大于1300℃的超高溫熱障涂層處于研發之中。宮聲凱帶領團隊提出了通過摻雜引發晶格畸變來降低熱振動頻率和振幅、獲得高承溫低熱導陶瓷隔熱材料的研究思路,通過第一性原理計算與試驗,確定摻雜元素種類和摻雜量,發明了雙稀土氧化物摻雜氧化鋯新型超高溫熱障涂層,與現役熱障涂層相比較,承溫提高100以上、熱導率降低約40%,已成功應用于新一代航空發動機的研制。

    針對我國現役發動機葉片熱障涂層服役壽命制約批產的問題,宮聲凱帶領團隊建立了熱障涂層材料-結構-工藝-裝備一體化研發體系,通過自主研制葉片服役模擬試驗裝置、對急熱急冷交變和復雜載荷環境下涂層組織結構演變的基礎研究,揭示了服役環境下涂層組織結構演變規律,發明并突破了活性元素改性新型金屬粘結層和抗燒結羽毛狀柱晶陶瓷層制備關鍵技術,研發出長壽命熱障涂層,指導生產單位首次實現了我國航空發動機轉子葉片熱障涂層的批生產,實現了航空發動機葉片熱障涂層的批量應用。

    大功率電子束物理氣相沉積設備是制備熱障涂層的關鍵設備,我國長期依賴進口。宮聲凱帶領團隊,基于對涂層工藝需求的理解,突破了高能束與涂層材料交互作用下的熱障涂層組成與結構控制和涂層制備工藝穩定性等關鍵技術,設計并批產了具有自主知識產權的新型大功率電子束物理氣相沉積設備。生產單位采用該設備,實現我國航空發動機轉子葉片熱障涂層的批量生產。


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