中企打破美垄断 造出航空发动机核心部件

没得比

　这两天随着十九大的胜利召开，一些振奋人心的新名词被大家热议着。未来的中国将要建设成为科技强国、质量强国、航天强国、网络强国、交通强国、数字中国，而广大科技人员也奋力走在实现这些宏伟目标的路上。

　　现在要关注一种叫做铼的金属。这种金属很稀缺，每年全世界的产量仅仅只有40多吨，它非常昂贵，价格与白金的价格相仿。它之所以价值连城，还因为它在航空和国防制造业中能发挥非常重要作用。

　　在河北廊坊科技园，一款为无人机和商务机而设计的航空发动机正在进行150小时试车，考核发动机在各种状态下技术性能和可靠性及寿命等综合指标。

　　十三五期间，我国启动了航空发动机和燃气轮机重大专项，航空工业持续发力，不断缩小与国际一流发动机生产企业的差距。

　　中国科学院工程热物理所轻型动力实验室实任徐纲：这一款涡扇发动机它的耗油率、寿命指标都达到了国际先进水平，国内也是个空白，所有的零件都是自主设计、自主生产，尤其是像里面的高温的单晶涡轮叶片，实际上就是可以说发动机里面加工的难点中的难点。

　　单晶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，是航空产品第一关键零件，它的铸造工艺直接决定了航空发动机的性能。

　　在这台1000公斤推力的发动机中心，核心部件就是眼前这60片单晶叶片。发动机将空气进行压缩之后压入燃烧室，在有限的空间内和燃料发生剧烈燃烧，产生猛烈的燃气喷射流，推动这些叶片高速旋转，让看似单薄的零件迸发出惊人的动力，每一片叶片输出的马力都相当于一台2.0排量的SUV汽车，温度大概在1720多度。

　　在1700度的高温之下，普通金属是不够耐热的。生产单晶叶片，就一定离不开一种珍贵的稀有金属-铼。

　　在成都航宇超合金技术有限公司，见到了单晶叶片生产中最为关键的金属—铼。这是人类发现最晚的天然元素，因为发现者是德国化学家，因此以莱茵河的名称命名为铼。它在地壳中的含量比所有的稀土元素都小，比钻石更难以获取。根据美国地质调查局的报告，全球探明的铼储量仅为2500吨左右。铼的价格跟白金的价格相仿，一克大概需要两三百块钱。

　　能够提纯铼金属的，是成都航宇超合金技术有限公司的母公司，这是一家上市的矿业公司。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斟探到铼，储量达到176吨，约占全球储量的7%，仅次于智利、美国、俄罗斯和哈萨克斯坦。近年来，随着航空工业的发展，铼消费量的年均增长率为3%，虽然价格不菲，却一直处于供不应求的状态。

　　美国是最大的铼金属消费国，控制着全球销售市场，一直处于垄断地位。由于铼可以广泛应用于喷气式发动机和火箭发动机，全球约80%的铼用于生产航空发动机，其在军事战略上有重要意义。为了维持在航空工业的优势地位，美国和其它一些西方国家常年针对中国进行材料和技术封锁。

　　2012年7月，国务院印发《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》，将航空装备产业列为高端装备制造产业中的第一个项目，明确提出要突破航空发动机核心关键技术，加快推进航空发动机产业化。国家层面大力倡导，然而生产设备的采购却面临着巨大的困难——国外巨头再次相对中国进行技术封锁，生产设备中的关键环节——热处理炉因为西方国家的封锁卡了壳。

　　几大航空发动机生产公司所使用的，都是航空工业专用的一级热处理炉。但是因为西方国家的严密封锁，能够生产这类设备的厂商根本无法将设备销售给中国的企业，而国内的企业也只能生产二级炉。

　　时间不等人，专家组另辟蹊径，尝试用电子行业的一级热处理炉来替代传统的航空工业一级热处理炉。这种跨行业的混搭在航空发动机的生产领域是一个前所未有的大胆尝试，成功与否谁都没有把握，幸运的是这个炉子比原来想象的，正负3度的偏差更低，它正负只偏差了2.1度，这几乎是比一级炉还要精密。

　　解决好了热处理炉的问题，但他们紧绷的神经依然没有丝毫放松。因为整条生产线依然还差一台单晶浇铸环节最重要的设备—单晶炉。几经辗转，他们又找到英国一家单晶炉的供应商，提出了定制化要求。

　　2015年7月22日，成都航宇第一批产品出炉，合格率一鸣惊人。这家专业的单晶炉制造商不由得对这位行业新入者另眼相看。

　　为了突破西方对于中国的核心技术封锁，中国的企业家、科学家大胆实践、勇于创新，不仅是造出了被西方国家垄断的铼金属核心部件，还创造出了新的金属制造方式。

　　2017年9月20日，世界顶尖的金属3D打印设备制造商德国斯棱曼公司与一家中国公司签下了合作协议，与一家中国公司成立联合应用研发中心，将展开针对中国市场的应用研发。

　　金属材料的3D打印技术门槛高，难度大，附加值高，金属3D打印的产值也占到了整个3D打印行业的80%以上。在金属3D打印方面，西方国家的技术也长期领先于中国。而如今，金属3D打印正在越来越多地出现在中国制造的高端装备上，这让世界领先的企业，也注意到了中国企业在这个方面取得的创新和成就。

　　中国航天科技集团五院的展厅，浓缩了中国空间飞行器研制的主要成果，这些航天器对于减少重量的要求，可谓是严苛之极，因为每增加一克的重量，就会给发射带来很高的成本，并且会加大航天项目的复杂性，甚至直接影响到整个方案的可行性。为了减轻每一克的重量，研究人员从材料和结构上想了任何可能的办法。

　　减轻重量是不懈的追求。碳纤维材料，加之蜂窝状的结构，这几乎已经达到了减重的极限，但是工程技术人员对此还是不满意，他们希望重量再降低一些。可是，如何才能实现新的突破呢?

　　位于北京市昌平区的一间厂房，正在生产着钛合金、铝合金、不锈钢等多种金属的零部件。但是与其它的冶金厂房不同，在这里看不到金属锻造的大型设备，也看不到很多的技术工人操作，只看见一台台3D打印的机器在忙碌地工作着。

　　这个金属打印技术叫激光选区熔化，使用激光照射预先铺展好的金属粉末，使其成形固定。

　　经过两天时间，制造过程终于接近尾声，技术人员小心翼翼地将“打印机”中多余的粉末扫去，一个结构非常复杂和精巧的钛金属立方体显现出来。

　　在制造业中，传统制造的方式是  “减材制造”，它是利用已有的几何模型工件，用工具将材料逐步切削、打磨、减少，最终成为所需要的零件。而3D打印则恰恰相反，它是根据一个数字三维文件，在一个完全没有任何材料的平面上，一点点逐层打印、添加材料，最终形成一个三维整体，这就是所谓的3D打印，也被称为“增材制造”。

　　这样一个边长20厘米左右的立方体，如果用传统的金属铸造工艺制造，重量至少要在5公斤以上，而这个零件的重量却只有0.5公斤，只有以前的十分之一，大大减轻了重量，却具备高强度。

　　目前，在我国很多飞机、船舶甚至航天器的重要零部件上，都可以见到金属3D打印的身影。无论是飞机、船舶的发动机、零部件，还是运载火箭、空间航天飞行器、无人机等航空航天设备，金属3D打印部件正在悄悄地取代着传统制造的零件，并给航空航天等高端制造提供了更多的可能。航天器上很多大大小小的零件，都可以用这种结构来替代原有的较为笨重的金属。甚至一根头发丝，就可以吊起来一个体积不小的卫星上的小零件。

　　3D打印作为一项前沿性的先进制造技术，已经成为全球新一轮科技革命和产业革命的重要推动力。然而，多数的设备和工艺尚不成熟，还无法批量打出稳定、耐用、高性能的工业品来，处在“模型制造”和实验阶段。但是这种情况正在发生变化，我国的金属3D打印正在不断地向尖端制造靠拢。

　　在鑫精合的厂房里，一个大型的钛合金航天器零件，即将在这台由中国民营企业自主研发的大型金属3D打印机里诞生。

　　与小型的精密的金属3D打印机的技术不同，大型的打印机采取了另一种不同的技术方式——同轴送粉工艺。而中国在这项技术上已经走在了世界的先列。目前，能用3D打印技术制造出达到锻造水平的金属部件的国家，只有德国、美国、中国等少数几个。而鑫精合批量制造大型钛金属结构件的能力已经在国际领先。

　　这种激光“打印”金属粉末的工艺，使得金属材料冷却凝固速度极快，组织细小，力学性能优异，也具备了像锻件一样的高强度。

　　直径4米的航天器部件拆分成6个2米左右的大零件，3D打印并加工后，再进行整体焊接。在过去，这样巨大的金属件从开模具到锻造，再到机械加工，是个非常浩大的工程，通常需要一年时间才能完成，而用3D打印的方式，仅需要3-6个月。