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中國航空終迎王者歸“錸”

日期:2017-10-23

中國航空終迎王者歸“錸”
——一家民營礦企的礦業報國夢

來源:中國礦業報社 作者:本報綜合報道


        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。其中,高溫合金材料及單晶渦輪葉片是制造航空發動機和燃氣輪機的關鍵材料。

       

航空發動機150小時試車現場

      

  錸塊

        據央視經濟半小時報道,近日,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。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,普通金屬無法承受。這時,就需要一種關鍵的金屬材料——錸。

        制造航空發動機的超級金屬

        錸是人類發現最晚的天然元素,是高熔點金屬之一。因為發現者是德國化學家,因此以萊茵河的名稱命名為錸。在自然界中,錸分布在輝鉬礦、稀土礦和鈮鉭礦中,含量都很低。迄今只發現輝錸礦(ReS2)和銅錸硫化礦(CuReS4)兩種獨立的錸礦物。

        生產錸的主要原料是鉬冶煉過程的副產品。資料顯示,錸多伴生于鉬、銅、鋅、鉛等礦物中,很難單獨利用。

        錸在地殼中的含量約為 1×10^-7%,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元錢。

        由于資源貧乏,價格昂貴,長期以來,對錸的研究較少。1950年后,錸在現代技術中開始應用,生產日益發展。我國從1960年開始從鉬精礦焙燒煙塵中提取錸。

        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。有人說,能否實現對錸的高效開發利用是航空工業進入新紀元的突破口。

        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。直到目前,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合資企業。

        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。國務院印發的《中國制造2025》明確提出要“建立發動機自主發展工業體系”,在“十三五”期間,我國又啟動了航空發動機和燃氣輪機重大專項。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。

        民營礦企進軍中國航空業

        “可以說,在發動機生產加工中,耐高溫的單晶渦輪葉片是難點中的難點。這一款渦扇發動機中所有的零件都是自主設計、自主生產,尤其是單晶渦輪葉片。目前,該發動機的耗油率、壽命等指標都達到了國際先進水平,填補了國內空白。”這個讓中國科學院工程熱物理所輕型動力實驗室主任徐綱贊不絕口的重大成果,來自一家民營企業——成都航宇超合金技術有限公司。

        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——陜西煉石有色資源股份有限公司,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。

        “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。”成都航宇超合金技術有限公司董事長張政說。

        當前,美國是全球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。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,既便是當時已經在該公司工作了7年的宋陽,也從來沒有機會接觸其核心技術。

        “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。

        “我們要自己想辦法去解決這個技術封鎖,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。”張政說。

        單晶葉片國內首次量產

        在國家有關部門和四川省政府支持下,成都宇航超合金技術有限公司核心技術團隊歷時3年,研發生產出兩款具有自主知識產權的高溫合金,并以這兩款高溫合金為母材,鑄造出3種晶體結構渦輪葉片。

        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。

        今年4月12日,成都航宇召開新聞發布會,展示了由該公司研發的高溫合金產品、多款航空發動機葉片和燃氣輪機葉片,標志著我國航空工業冶煉鑄造技術取得重要突破。

        宋陽說:“多年的經驗表明,凡是國外對中國進行封鎖,靠我們自己的自力更生艱苦奮斗,最終我們都能夠在這個領域取得突破。”

        他說,目前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。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。

        另據了解,未來,成都航宇還將與母公司另外兩家控股子公司“成都中科航空發動機有限公司”、“朗星無人機系統有限公司”一道,共同在西南航空港經濟開發區內打造一個集航空發動機高溫核心部件、中小推力渦扇發動機、大噸位無人運輸機為一體的航空制造產業鏈、構建一個集團化航空產業群。

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