单晶涡轮叶片的核心在于“精密”二字。它的制造离不开定向凝固这一高难度工艺，涉及型芯、型壳、温度场等多重变量的精准控制。中国科学院金属研究所（以下简称金属所）张健团队用20余年时间，一步步解开了这道复杂的工程方程。

零下20度的起步

张健2003年回国进入金属所工作时，国内在高温度梯度液态金属冷却（LMC）定向凝固技术领域几乎还是一片空白。

在组建实验室之初，他就高度重视LMC技术的基础科研以及核心装备的自主研发。然而，当时的研发条件十分艰苦，硬件落后。

当年底，他与沈阳507厂合作研制设备。12月的沈阳，天气严寒，室外零下20多度，车间几乎没有取暖设施，四面漏风，只有东北常见的两道棉门帘挡着。

因为循环水冻结会涨坏管路，晚上必须关掉，每天早上8点多到车间，张健和同事要先花1个多小时预热循环水。调试设备的过程涉及加热、冷却、真空等多个环节，需要一项一项地调。就这样，他们顶着沈阳零下20摄氏度的严寒在车间里连续调试了几个星期。

2004年初，项目组成功研制出实验室级别的LMC设备。2006年3月27日，他们用这台设备制备出第一件实心单晶叶片，并用记号笔在叶片上写下了这个日期，至今仍保留在实验室里。

不过，张健对《中国科学报》表示，现在看来，当时的成功制备多少有些“凑巧”——当时对单晶的理解很肤浅，但那一刻确实给了团队信心。

此后，张健带领团队从单晶高温合金研发到大型LMC装备研制，逐步攻克了高强抗热冲击型壳、低熔点冷却介质温度控制等关键难题，让LMC工艺从“纸上谈兵”变成了触手可及的技术成果。他的团队也成为国内立足自主研发、唯一掌握可工程化LMC技术的团队。

“单晶涡轮叶片是精密铸造工艺制造的，核心就在‘精密’两个字上。”这是张健始终如一的努力方向。

临危受命，3个月建成生产线

2019年，受国际形势影响，某型号发动机的自主研制迫在眉睫。该型发动机的单晶叶片全部要求采用LMC工艺制造。张健团队凭借在LMC技术领域的领先优势，成为唯一供应商。

然而，真正的考验才刚刚开始。2022年底，交付任务激增，张健下定决心组建完善单晶叶片生产线。为应对疫情防控，作为党支部书记，张健果断决定驻厂生产。30余名团队成员迅速响应，住进车间。团队成员在几周内几乎全员发烧，但大家克服重重困难，仅用3个月时间就建设完善了一条精密铸造制壳生产线，为保交付奠定了坚实基础。

2023年、2024年，对团队来说是“最折磨人的两年”。

车间成了他们的“战场”。沈阳的夏天，气温超过30摄氏度，而车间内炉子附近七八米高的操作台温度超过40摄氏度。但团队现场工作人员迎难而上，几乎全年坚持每天早5晚10的高强度工作。

更大的挑战来自技术本身。曾经有一个月，单晶叶片的合格率突然降低，几乎为零。

全体科研人员每周开会，七八个人分析原因，再到现场一点点核对，记录繁复的数据，一周一周地比对。每次出现问题到最终解决，往往要花费几个月的时间。更棘手的是，叶片研制初期，同样工艺的下，一批叶片顺利交付，另一批次却大量报废。所有人都认为“什么也没改变”，但张健知道，一定有他们尚未察觉的变化。

张健介绍，单晶涡轮叶片是空心结构，内部是氧化硅基的陶瓷型芯，外部是氧化铝基的陶瓷模壳，两者膨胀系数相差十几倍。从室温加热到高温的过程中，必须给它们留出极其精密的配合空间。这时氧化铝、氧化硅体系以及工艺过程中微小的变化，都会影响型壳体系的尺寸、质量控制。

与此同时，为了满足激增的交付任务量，张健团队算了一笔账：如果按照当时国内外常规的生产效率，即使操作人员一整天都不睡觉、设备24小时不停，也无法完成任务。

他们决定发挥LMC技术温度梯度高、冷却均匀的优势，使单炉效率至少提升3倍。

这一过程并非一帆风顺——叶片断了，模壳浇注时漏了，或者是单晶长不出来……团队花了半年多时间解决大型模壳不同位置温度场差异的问题，又花了一年半时间稳定工艺，经历了反复迭代试验。

2023年至2024年，张健团队几乎全年无休，先后攻克了大型密排模组设计制造、动态隔热、取向控制等关键难题，单晶叶片制造效率大幅提升，强力支撑了交付任务的完成。

从1%成品率向智能制造迈进

在张健看来，“技术没有终点”。面对国内某先进发动机单晶叶片研制的僵局，他再次迎难而上。当时，该叶片的成品率只有1%。

但团队里没有人觉得“这不可能”。张健说：“老外能干成，中国人当然也能干成。”

张健团队攻克了复杂型芯制造、精密尺寸控制等难题。金属所因此荣获“2020年度、2023年度民用发动机金牌供应商”称号，成为叶片领域唯一获此殊荣的单位。

然而，张健却称，自己“一直在焦虑”。国内的研发生产力量，各有优势，竞争激烈。而国际上，俄罗斯效率更高；欧美合格率更高，所以只有加倍努力才能做到真正的“技术上遥遥领先”。

2024年，张健团队搭建了国内第一套单晶叶片全链条数据采集系统。每个现场操作人员均配设二维码，每件产品、每道工艺的参数都被记录在案。数据积累起来后，张健正在联合相关科研人员，尝试用AI分析这些数据与合格率之间的关联。

近期，更大模组的单晶铸件在实验室获得突破，准备进入批产验证。他希望通过一到两年的努力，将合格率和效率继续提升到更高的水平。确保关键时刻单晶叶片“供得上、用得起”。

不久前，张健荣获2025年中国科学院年度先锋人物荣誉称号。从“无人涉足”到“国际先进”，从“卡脖子”困境到“自主可控”，张健以二十余载深耕诠释着科学家精神的内核。他说，做科研和做党员的要求高度一致，最根本的就是“实事求是”。“做工程，不实事求是是出不来的。”