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中国航空发动机新材料有多牛 承受117吨重量不变形
更新日期:2017-09-05

  2017年9月2日,随着《经济半小时》一档栏目的播出,一家名叫航宇超合金技术有限公司得到广泛的关注。,这家公司虽然默默无闻,却干出了大事,他们一举突破了航空发动机金属铼单晶叶片制造难题,达到了国际先进水平。这将直接推动我国航空发动机突破瓶颈期,完成以涡扇-15为代表的第三代发动机研发成功。

  航空发动机难,难就难在单晶叶片。航空发动机叶片一般使用合金材料铸造而成,当材料被铸造时,分子和原子结合在一起会形成晶粒,这些晶粒铸造初期会以晶核为核心向外排列。但因为没有外力作用,会排列的乱七八糟没有规律,晶粒和晶粒之间有破碎断裂带,导致其整个晶体上各部位熔点不一致、受力能力也不一致。做成发动机叶片时,由于其工作在1700°左右的高温环境,会瞬间断裂解体,为此,工程师们都要求发动机叶片必须是单晶叶片,这些叶片里晶粒的排列非常有序,在温度和力学特性上非常好。

  但问题却没有这么简单解决,由于大多数合金材料的的熔点较低,根本无法承受1700°的高温,单晶叶片内部还必须做成具备多种沟壑的空心状。由于这种形状非均匀分布,带来两个问题,第一是整个发动机叶片各个部位仍然受力不均匀,第二是某些部位会自然而然的比其他部位承热很多。

  唯有同时加强合金材料的熔点和强度,才能做出真正合格的发动机单晶叶片,这种关键性的材料就是金属铼。这种金属的熔点高达3180℃,扛拉伸强度超过1172MPa,相当于一平方厘米上承受117吨重量不变形。此外,该金属最神奇的地方在于高温和急冷急热状态下转换时基本不会出现热胀冷缩,由该材料制造的发动机喷管可以承受10万次热疲劳循环,是当前世界各国先进发动机制造的首选材料。

  正是这一材料的制备一直以来是我国的拦路虎。铼矿在世界上本就非常稀有,在地壳中的每1万吨矿石内才平均含有1千克铼矿,且这些铼矿大多存在于钼、铜、铅等矿石当中,难以开采。以前我国铼矿基本都靠进口无法自产,因此铼合金单晶叶片的制造也就一直受制于人,而就是成都航宇超合金技术有限公司这家公司的母公司陕西炼石矿业公司2010年在陕西商洛县黄龙铺钼矿区矿山中斟探到铼,储量达到176吨。在这之前,我国铼矿探明储量只有几十吨,此矿一出,我国铼矿储量一跃成为世界第三,仅次于美国和俄罗斯。

  光探明该矿还不行,成都航宇超合金技术有限公司又用一年的时间突破了铼矿的提纯方法,真正意义上实现了我国自主开采自主提纯,然而提纯后卖到哪里该公司开始犯难了。国内市场上没需求,国际市场被美国控制,考虑到全世界80%的铼矿用于生产航空发动机单晶叶片,该公司做出了一个历史性的决定,生产发动机单晶叶片。

  这是一个雄心勃勃的计划,但一家民企想做到全国其他单位都无法做成的事情确实很有难度,他们首先通过国家政策支持引进了一大批科技人才组建了研发队伍,然后开始在国际市场上寻求制造单晶叶片的关键设备——铼合金加工单晶炉。这种设备可以将铼金属合金粉末材料融化,在惰性气体环境下,并采取拉伸法直接造成铼合金单晶体,最后通过英国商人搞到了该产品。

  成都航宇超合金技术有限公司于2013年完成了8亿元的投资,计划于2015年完成生产线搭建,并于当年生产出了第一炉铼合金单晶叶片,而使用该叶片的我国新型发动机在今年已经完成了150小时的试车,达到了首飞标准要求。据中国科学院工程热物理所轻型动力实验室实任徐纲称这款发动机已在耗油率、寿命上达到了国际先进标准,而航宇超合金技术有限公司的单晶叶片成品率也达到了国内最高。

  航宇超合金技术有限公司的母公司陕西炼石矿业的信息显示,该公司投产的铼合金生产线,一年可产80吨铼高温合金,而铼合金单晶叶片生产线则能年产55000片,这意味着什么呢?一台航空发动机的叶片只有60片,而该公司一年提供的发动机叶片就能生产916台发动机,这样高的产量我国自己铼矿都不够,2014年美国媒体报道,中国正在从美国大量进口铼金属,年进口量达5吨,这几乎等于为F-35生产发动机的普惠公司整个全年的铼金属消耗量。

  可以想见,在该发动机叶片为核心的我国新型发动机正式投产后,我国飞机必将迎来一个换发的高潮,让中国飞机真正走出心脏病!(作者署名:云上的空母)