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中國發現超級金屬“錸” 比鉆石還難獲取的天然元素

日期:2017-10-23

        長期以來航空發動機一直都是我國航空工業中的一個短板。現在,我國部分軍用飛機依然使用國外發動機,而在商業航空領域,C-919大型噴氣式客機使用的發動機也產自一家美法
        為了盡快補足這塊短板,國家一直在加大航空發動機的研發力度。如今,航空工業持續發力,正不斷縮小著與國際一流發動機的差距。
        航空發動機是當今世界上最復雜的、多學科集成的工程機械系統之一,核心部件就是單晶葉片。看似單薄的零件迸發出驚人的動力,每一片葉片輸出的馬力都相當于一臺2.0排量的SUV汽車。生產單晶葉片,離不開一種珍貴的稀有金屬-錸。在成都航宇超合金技術有限公司,我們見到了單晶葉片生產中最為關鍵的金屬——錸。
        航空發動機每秒散熱1700多度,唯有“錸”金屬不被熔化
        在河北廊坊科技園,一款為無人機和商務機而設計的航空發動機正在進行150小時試車,考核發動機在各種狀態下技術性能和可靠性及壽命等綜合指標。
        中國科學院工程熱物理所所長朱俊強:150小時做完了,首飛保證就沒問題了,可以到不同高度進行試飛了,這個發動機基本定型。
        中國科學院工程熱物理所輕型動力實驗室實任徐綱:這一款渦扇發動機它的耗油率,它的壽命,這些指標都達到了國際先進水平,國內也是個空白,所有的零件都是自主設計,然后自主生產,尤其是像里面的高溫的單晶渦輪葉片,實際上就是可以說發動機里面,加工的難點中的難點。
        單晶葉片處于航空發動機中溫度最高、應力最復雜、環境最惡劣的部位,是航空產品第一關鍵零件,它的鑄造工藝直接決定了航空發動機的性能。
        在這臺1000公斤推力的發動機中心,核心部件就是眼前這60片單晶葉片。發動機將空氣進行壓縮之后壓入燃燒室,在有限的空間內和燃料發生劇烈燃燒,產生猛烈的燃氣噴射流,推動這些葉片高速旋轉,讓看似單薄的零件迸發出驚人的動力,每一片葉片輸出的馬力都相當于一臺2.0排量的SUV汽車。
為了防止熔化,工程技術人員把每一片葉片都制作成空心,中間還設計了一個精密而復雜的冷卻系統。冷卻系統帶走的熱量,可以在1/20秒、甚至更短的時間內燒開一壺水。但是在1700度的高溫之下,普通金屬還是不夠耐熱。生產單晶葉片,離不開一種珍貴的稀有金屬-錸。
        在成都航宇超合金技術有限公司,我們見到了單晶葉片生產中最為關鍵的金屬——錸。這是人類發現最晚的天然元素,因為發現者是德國化學家,因此以萊茵河的名稱命名為錸。它在地殼中的含量比所有的稀土元素都小,比鉆石更難以獲取。根據美國地質調查局的報告,全球探明的錸儲量僅為2500噸左右,錸的價格跟白金的價格相仿,一克大概需要兩三百塊錢。
        能夠提純錸金屬的,是成都航宇超合金技術有限公司的母公司,這是一家上市的礦業公司。2010年,這家公司在其下屬的陜西省洛南縣黃龍鋪鉬礦區礦山中斟探到錸,儲量達到176噸,約占全球儲量的7%,僅次于智利、美國、俄羅斯和哈薩克斯坦。近年來,隨著航空工業的發展,錸消費量的年均增長率為3%,雖然價格不菲,卻一直處于供不應求的狀態。
        為了找到獲得更多的錸金屬,成都航宇超合金技術有限公司通過與湖南有色研究院的合作,用一年多的時間攻克了技術難題,實現了錸的提純。但是坐擁這樣的稀缺資源,張政和股東們卻發現這種稀有金屬在國內卻幾乎沒有銷路。
無奈之下,他們把眼光轉向國際市場,希望用資源換技術的模式,尋求與國外這類合金制造企業的合作。
        成都航宇超合金技術有限公司董事長張政:每一家都希望跟我們簽長協價,我們只要生產出來他們就要,但是因為這項技術,所有掌握這個單晶技術的國家的企業,都受制于美國的一個法律,是不得參與技術合作的。
美國是最大的錸金屬消費國,控制著全球銷售市場,一直處于壟斷地位。由于錸可以廣泛應用于噴氣式發動機和火箭發動機,全球約80%的錸用于生產航空發動機,其在軍事戰略上有重要意義。為了維持在航空工業的優勢地位,美國和其它一些西方國家常年針對中國進行材料和技術封鎖。英國的航空發動機巨頭羅爾斯羅伊斯雖然在中國投資建廠,但是對中國員工層層設防,既便當時已經在公司工作了七年的宋陽,也從來沒有機會接觸其核心技術。
        成都航宇超合金技術有限公司副總經理宋陽:它有一些區域是限制中國人進入的,他們不希望這樣的一些技術機密,被中國所了解和掌握。我相信這不光是對于我個人,對于很多在外企航空企業工作的中國人,可能都會經歷這樣的一個比較尷尬的一個時刻。
越是封鎖,就越說明航空發動機的戰略重要性,就越需要突破。當宋陽在上海立下這一志愿的時候,遠在千里之外的西安,礦業公司董事長張政也拍板做了一個重要的決定:自己生產用于航空發動機的單晶渦輪葉片。
        成都航宇超合金技術有限公司董事長張政:自己想辦法去解決這個技術,因為我不想只作為一個元素的供應商,而且這樣稀有的一個元素,我們把它供應給海外的這些企業,而對中國毫無幫助。
民營企業進軍中國航空業單晶葉片國內首次量產
        2015年7月22日,成都航宇第一批產品出爐,合格率一鳴驚人。
        2016年,國際權威第三方檢測機構出具的檢測報告表明,成都航宇超合金技術有限公司送檢的單晶葉片在高溫拉伸性能、高溫持久性能等方面的測試結果均符合歐美標準。成都航宇也成為國內首家單晶葉片成品率達到量產水準的企業。
宋陽:中國這么多年的經驗,凡是國外對中國進行封鎖的,靠我們自己的自力更生艱苦奮斗,我們都能夠在這個領域取得突破。
        單晶葉片投產的時間不過短短一年,一些生產細節還在不斷改進。每一片不合格的葉片都是一份保貴的樣本,能為工藝細節的改進提供有價值的參考。根據電子顯微鏡分析的結果,宋陽打算在重新生產這批葉片時,更換澆鑄環節所使用的坩堝。
工藝改進后,再通過層層工序,制造出一批這樣的單晶葉片需要一個半月的時間。因為航空工業的特殊性,比生產周期更為漫長的,則是打開市場所需要的時間。
 

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