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航空發動機長期受制于歐美 今終有了壯骨粉
2017/10/5 19:33:31

  原標題:被歐美長期掐住命門的中國航空發動機,終于有了自己的“壯骨粉”!

  錸(lái),素有“航空發動機的壯骨粉”之稱。

  缺了它,航空發動機的性能和壽命都要大打折扣。此外,航天和導彈也離不開它。

  由于歐美長期對華實行技術封鎖,“錸”成為長期作為掣肘我國航空發動機研發的瓶頸問題。

  現在,依托對錸的勘探發掘和含錸高溫合金技術的使用,中國企業已經能夠生產出航天發動機中最關鍵的部位——錸鎳合金單晶葉片。

  這無疑是給國產航空發動機打了一劑“強心劑”!

  西方分析人士認為:如果中國把錸運用到航空發動機領域,并取得技術突破,就會打破美歐對該領域技術的壟斷。

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  厲害的錸閃亮登場!

  如果說,航空發動機是現代工業的“皇冠”,那么,渦輪葉片無疑就是“皇冠上的明珠”。

  渦輪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,是航空產品的第一關鍵零件。

  以F-22的發動機F-119為例,其直徑僅1.168米,卻需要提供15.6噸的推力。

  在飛行中,其渦輪和風扇除了承受極大的壓力,還需忍受高溫的熬煎。在飛機高速飛行時,F-119的發動機渦輪前溫度可高達1977K(約1700攝氏度)。

  因此,選擇合適的材料來制造渦輪葉片至關重要。

  在早期的渦輪噴氣發動機時代,渦輪前溫度較低,高溫鎳合金(能夠承受1000℃左右高溫)是可以對付的。

  但是,到了渦扇發動機時代,在燃油利用率和推重比大幅提高的同時,渦輪前溫度也更高了。

  高溫鎳合金根本扛不住,葉片發生了蠕變。

渦扇發動機渦扇發動機

  注:蠕變,指發動機葉片承受不住高溫和壓力發生變形。這會帶來很嚴重的后果,比如渦輪葉片發生斷裂、葉片飛出損傷機匣等,危及飛機安全。

  研發出具備高耐熱性和高抗變形性的渦輪葉片,成為擺在各國研發人員面前的重要問題。

  這時候,錸,登場了!

  錸究竟是一種什么樣的金屬呢?

  1869年,門捷列夫發表了世界上第一份元素周期表。1871年,這老爺子提出,在錳副族中,會有尚未發現但卻一定存在的元素。

  這個元素就是錸。 

德米特里·伊萬諾維奇·門捷列夫德米特里·伊萬諾維奇·門捷列夫

  錸作為最后一個被人類發現的穩定元素,直到1925年才被發現。

  這種“千呼萬喚始出來”的金屬非常厲害:

  *熔點高達3180攝氏度,僅次于目前自然界最難熔化的鎢(3410攝氏度)。

  *沸點高達5596攝氏度,在整個元素周期表里獨占鰲頭。

  *耐腐蝕,強酸和強堿遇到錸只能無可奈何。

  把濃鹽酸和濃硝酸按3:1的體積比混合,就制成了能夠溶解黃金和白金(鉑)的王水。但是,在常溫常壓下,王水對錸毫無作用!

上圖從左至右,依次為:純度為99.9999%、99.995%和99.99%的錸上圖從左至右,依次為:純度為99.9999%、99.995%和99.99%的錸

  擁有強大性能的錸是制造渦輪葉片的首選材料。

  把錸加入到鎳基超級合金中,只需一點點,就能大幅提高渦輪葉片的抗蠕變性,同時還能提高葉片的抗氧化和抗疲勞性能。

  目前,全球約80%的錸都被用于生產航空發動機的單晶葉片。

  此外,小到排氣噴嘴、石油催化劑,大到火箭(在2200℃的高溫下,用錸合金制成的火箭發動機噴管能夠經受住10萬次以上的熱疲勞循環)、衛星和導彈,錸在很多關鍵領域都有重要應用,。

  2

  各大國展開激烈爭奪!

  然而,這種“厲害的金屬”含量極少,價格與白金不相上下。據美國地質調查局報告,全球探明的錸儲量約為2500噸,年產量峰值(不包括回收)僅為4.5噸;并且,分布也很不均衡,大部分錸集中蘊藏在智利(1300噸)、美國(390.1噸)、俄羅斯(310.4噸)等。

  那么,錸夠用嗎?

  根據波音公司預測,到2031年,全球民用飛機新機交付量為3.4萬架,則發動機需求數量約為6.8萬臺,累計需求錸約1700噸,平均每年消耗85噸。

  根據全球四大航空發動機制造商羅羅公司預測,未來20年,全球軍用航空發動機新機銷售量約為3.2萬臺,累計需求錸約為800噸,平均每年消耗約40噸。

  由此可見,不說別的,單單是在航空發動機領域,全球每年錸的需求量就達到了125噸!全球錸儲量根本不夠用!

  各大國已經意識到這一點,紛紛加快對錸的利用和搶奪。

  美國很早就在發動機高溫合金中添加錸。

  最初,美國研發人員在F-15戰斗機裝備的“普惠F100發動機”中試驗性地添加了3%的錸,嘗到甜頭后,不斷增加用量。F-22戰斗機裝備的“普惠F119系列發動機”的含錸量已經達到了6%。

F-22“猛禽”戰斗機(圖片來源:環球網)F-22“猛禽”戰斗機(圖片來源:環球網)

  美國還是全球最大的錸消費國——通用電氣使用了全球28%的錸,普惠公司使用了12%。

  美國是世界第二大錸儲量國(僅次于智利),并且,還跟智利、墨西哥和哈薩克斯坦都簽署了長期的錸開采合同,幾乎控制著全球錸儲備和銷售市場。

  同樣,歐洲也是錸金屬消費巨頭。英國的羅羅公司使用了全球28%的錸。

羅爾斯·羅伊斯(又稱“勞斯萊斯”),英國著名航空發動機公司羅爾斯·羅伊斯(又稱“勞斯萊斯”),英國著名航空發動機公司

  作為世界第三大錸儲量國,俄羅斯的錸主要集中于與日本存在領土爭議的擇捉島。

  23年的觀測和統計顯示,島上火山每年至少噴出20公斤錸(以二硫化錸形式),最高達到60公斤/年。這樣寶貴的資源,俄羅斯人怎么可能不抓在自己手里呢!

擇捉島擇捉島

  3

  歐美費盡心機封鎖中國

  直到上世紀末,中國并沒有發現錸,一度被認為是“貧錸國”,對含錸高溫合金和單晶葉片鑄造技術的相關研究也很少。

  進入21世紀,中國才發現錸資源,但儲量并不豐富,產量在每年2噸左右,無法滿足需求。

  為了維持在航空工業的優勢地位,歐美國家常年針對中國進行材料和技術封鎖,對錸的相關技術盯得很緊。

  英國的羅羅公司雖然在中國投資建廠,但是,對于中國員工卻層層設防,即便在公司工作近10年、表現出色的老員工,也不能接觸到一點核心技術。

  因此,航空發動機成了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,C919大型噴氣式客機使用的發動機產自一家美法合資企業。

國產大飛機C919國產大飛機C919

  2016年,中國沖破種種限制,大量進口錸,進口量達到了4.5—5噸/年,約等于全球產量的10%(假如洛克希德-馬丁公司的F-35戰機項目全力投產,與之配套的普惠公司F135發動機項目的錸消費能力大概如此)。

  這引起了歐美的極大恐慌。美國《航空和空間技術周刊》認為:“除軍事效用以外,此舉還將威脅到西方三大航空燃氣渦輪發動機廠商(通用電氣公司、羅爾斯羅伊斯國際有限公司和普惠公司),因為這些企業有許多重要產品需要用到錸。”

  同時,也有外國業內人士表示質疑:即便有了錸,中國能造出合格的單晶葉片嗎? 

  4

  中國民企殺出一條“血路”!

  打破僵局的是一家名叫“煉石有色”的民營企業。

  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勘探到錸,儲量達到176噸,約占全球儲量的7%,引起了國內外的極大關注。

  為了找到獲得更多的錸,“煉石有色”旗下的成都航宇超合金技術有限公司與湖南有色研究院展開合作,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,大家卻發現:這種稀有金屬在國內卻幾乎沒有銷路——國內對錸的開發和利用幾乎一片空白! 

  無奈之下,他們把眼光轉向國際市場,希望用以資源換技術的模式,尋求與國外這類合金制造企業進行合作。

  難道,要把這些比金子還珍稀的資源賣到國外嗎?

  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。于是,這家公司決定:自己生產用于航空發動機的單晶渦輪葉片。

  這個行業投資大、周期長、回報慢,而單晶渦輪葉片是目前航空發動機所有零件中制造工序最多、周期最長、合格率最低、國外封鎖和壟斷最為嚴重的零件。

  面對嚴峻的現實,如何突破重重難關?

  在國家“千人計劃”的幫助下,該公司請到了十幾位國外頂級專家——他們先后就職于幾大著名的航空發動機公司,有多年航空發動機零部件研發、制造、安裝測試、維修、質量控制的相關經驗。

  有了人才和技術,還差設備。幾經輾轉,他們終于在一家英國單晶爐供應商那里解決了問題。

  于是,2013年底,在成都市雙流郊區這片原本荒蕪的土地上,中國國產發動機單晶葉片的希望開始萌芽。

  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。

  成都航宇由此成為國內首家單晶葉片成品率達到量產水準的企業。

  至今,單晶葉片投產的時間不過短短一年。 

  雖然航空發動機的研制不單單是一個單晶葉片成功量產就能解決的,可單晶葉片作為發動機最為核心的組件,其成功量產對中國航空業的重要性毋庸置疑。

  或許,在不久后,中國飛機就可以放心地使用“中國心”了。

來源:B2B泵閥網綜合報道

責任編輯:熊鋒中

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