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2017-10-18 00:34

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  原标题:被欧美长期掐住命门的中国航空发动机,终于有了自己的“壮骨粉”!

  铼(lái),素有“航空发动机的壮骨粉”之称。

  缺了它,航空发动机的性能和寿命都要大打折扣。此外,航天和导弹也离不开它。

  由于欧美长期对华实行技术封锁,“铼”成为长期作为掣肘我国航空发动机研发的瓶颈问题。

  这无疑是给国产航空发动机打了一剂“强心剂”!

  西方分析人士认为:

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  如果说,航空发动机是现代工业的“皇冠”,那么,涡轮叶片无疑就是“皇冠上的明珠”。

  涡轮叶片处于航空发动机中温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位,是航空产品的第一关键零件。

  以F-22的发动机F-119为例,其直径仅1.168米,却需要提供15.6吨的推力。

  在飞行中,其涡轮和风扇除了承受极大的压力,还需忍受高温的熬煎。在飞机高速飞行时,F-119的发动机涡轮前温度可高达1977K(约1700摄氏度)。

  因此,选择合适的材料来制造涡轮叶片至关重要。

  在早期的涡轮喷气发动机时代,涡轮前温度较低,高温镍合金(能够承受1000℃左右高温)是可以对付的。

  但是,到了涡扇发动机时代,在燃油利用率和推重比大幅提高的同时,涡轮前温度也更高了。

  高温镍合金根本扛不住,叶片发生了蠕变。

涡扇发动机

  注:蠕变,指发动机叶片承受不住高温和压力发生变形。这会带来很严重的后果,比如涡轮叶片发生断裂、叶片飞出损伤机匣等,危及飞机安全。

  研发出具备高耐热性和高抗变形性的涡轮叶片,成为摆在各国研发人员面前的重要问题。

  这时候,铼,登场了!

  铼究竟是一种什么样的金属呢?

  1869年,门捷列夫发表了世界上第一份元素周期表。1871年,这老爷子提出,在锰副族中,会有尚未发现但却一定存在的元素。

  这个元素就是铼。 

  铼作为最后一个被人类发现的稳定元素,直到1925年才被发现。

  这种“千呼万唤始出来”的金属非常厉害:

  *熔点高达3180摄氏度,仅次于目前自然界最难熔化的钨(3410摄氏度)。

  *沸点高达5596摄氏度,在整个元素周期表里独占鳌头。

  *耐腐蚀,强酸和强碱遇到铼只能无可奈何。

  把浓盐酸和浓硝酸按3:1的体积比混合,就制成了能够溶解黄金和白金(铂)的王水。但是,在常温常压下,王水对铼毫无作用!

上图从左至右,依次为:纯度为99.9999%、99.995%和99.99%的铼

  拥有强大性能的铼是制造涡轮叶片的首选材料。

  

  目前,全球约80%的铼都被用于生产航空发动机的单晶叶片。

  此外,小到排气喷嘴、石油催化剂,大到火箭(在2200℃的高温下,用铼合金制成的火箭发动机喷管能够经受住10万次以上的热疲劳循环)、卫星和导弹,铼在很多关键领域都有重要应用,。

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  然而,这种“厉害的金属”含量极少,价格与白金不相上下。据美国地质调查局报告,全球探明的铼储量约为2500吨,年产量峰值(不包括回收)仅为4.5吨;并且,分布也很不均衡,大部分铼集中蕴藏在智利(1300吨)、美国(390.1吨)、俄罗斯(310.4吨)等。

  那么,铼够用吗?

  根据波音公司预测,到2031年,全球民用飞机新机交付量为3.4万架,则发动机需求数量约为6.8万台,累计需求铼约1700吨,平均每年消耗85吨。

  根据全球四大航空发动机制造商罗罗公司预测,未来20年,全球军用航空发动机新机销售量约为3.2万台,累计需求铼约为800吨,平均每年消耗约40吨。

  

  各大国已经意识到这一点,纷纷加快对铼的利用和抢夺。

  美国很早就在发动机高温合金中添加铼。

  最初,美国研发人员在F-15战斗机装备的“普惠F100发动机”中试验性地添加了3%的铼,尝到甜头后,不断增加用量。F-22战斗机装备的“普惠F119系列发动机”的含铼量已经达到了6%。

F-22“猛禽”战斗机(图片来源:环球网)

  美国是世界第二大铼储量国(仅次于智利),并且,还跟智利、墨西哥和哈萨克斯坦都签署了长期的铼开采合同,几乎控制着全球铼储备和销售市场。

  同样,欧洲也是铼金属消费巨头。英国的罗罗公司使用了全球28%的铼。

  作为世界第三大铼储量国,俄罗斯的铼主要集中于与日本存在领土争议的择捉岛。

  23年的观测和统计显示,岛上火山每年至少喷出20公斤铼(以二硫化铼形式),最高达到60公斤/年。这样宝贵的资源,俄罗斯人怎么可能不抓在自己手里呢!

择捉岛

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  直到上世纪末,中国并没有发现铼,一度被认为是“贫铼国”,对含铼高温合金和单晶叶片铸造技术的相关研究也很少。

  进入21世纪,中国才发现铼资源,但储量并不丰富,产量在每年2吨左右,无法满足需求。

  为了维持在航空工业的优势地位,欧美国家常年针对中国进行材料和技术封锁,对铼的相关技术盯得很紧。

  英国的罗罗公司虽然在中国投资建厂,但是,对于中国员工却层层设防,即便在公司工作近10年、表现出色的老员工,也不能接触到一点核心技术。

  因此,航空发动机成了我国航空工业中的一个短板。

  现在,我国部分军用飞机依然使用国外发动机,C919大型喷气式客机使用的发动机产自一家美法合资企业。

国产大飞机C919

  这引起了欧美的极大恐慌。美国《航空和空间技术周刊》认为:“除军事效用以外,此举还将威胁到西方三大航空燃气涡轮发动机厂商(通用电气公司、罗尔斯罗伊斯国际有限公司和普惠公司),因为这些企业有许多重要产品需要用到铼。”

  同时,也有外国业内人士表示质疑:即便有了铼,中国能造出合格的单晶叶片吗? 

  4

  

  

  2010年,这家公司在其下属的陕西省洛南县黄龙铺钼矿区矿山中勘探到铼,储量达到176吨,约占全球储量的7%,引起了国内外的极大关注。

  为了找到获得更多的铼,“炼石有色”旗下的成都航宇超合金技术有限公司与湖南有色研究院展开合作,用一年多的时间攻克了技术难题,实现了铼的提纯。

  无奈之下,他们把眼光转向国际市场,希望用以资源换技术的模式,寻求与国外这类合金制造企业进行合作。

  难道,要把这些比金子还珍稀的资源卖到国外吗?

  越是封锁,就越说明航空发动机的战略重要性,就越需要突破。于是,这家公司决定:自己生产用于航空发动机的单晶涡轮叶片。

  这个行业投资大、周期长、回报慢,而单晶涡轮叶片是目前航空发动机所有零件中制造工序最多、周期最长、合格率最低、国外封锁和垄断最为严重的零件。

  面对严峻的现实,如何突破重重难关?

  有了人才和技术,还差设备。几经辗转,他们终于在一家英国单晶炉供应商那里解决了问题。

  于是,2013年底,在成都市双流郊区这片原本荒芜的土地上,中国国产发动机单晶叶片的希望开始萌芽。

  2015年7月22日,成都航宇第一批产品出炉,合格率一鸣惊人。

  2016年,国际权威第三方检测机构出具的检测报告表明,成都航宇超合金技术有限公司送检的单晶叶片在高温拉伸性能、高温持久性能等方面的测试结果均符合欧美标准。

  成都航宇由此成为国内首家单晶叶片成品率达到量产水准的企业。

  至今,单晶叶片投产的时间不过短短一年。 

  虽然航空发动机的研制不单单是一个单晶叶片成功量产就能解决的,可单晶叶片作为发动机最为核心的组件,其成功量产对中国航空业的重要性毋庸置疑。

  

责任编辑:张建利

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