被欧美长期掐住命门的中国航空发动机,终于有了自己的“壮骨粉”!
铼(lái),素有“航空发动机的壮骨粉”之称。
缺了它,航空发动机的性能和寿命都要大打折扣。此外,航天和导弹也离不开它。
由于欧美长期对华实行技术封锁,“铼”成为长期作为掣肘我国航空发动机研发的瓶颈问题。
现在,依托对铼的勘探发掘和含铼高温合金技术的使用,中国企业已经能够生产出航天发动机中最关键的部位——铼镍合金单晶叶片。
这无疑是给国产航空发动机打了一剂“强心剂”!
西方分析人士认为:如果中国把铼运用到航空发动机领域,并取得技术突破,就会打破美欧对该领域技术的垄断。
来源:瞭望智库(zhczyj),作者:李浩然。*文章仅反映作者研究和学术观点,不代表见闻立场,不构成投资建议。
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厉害的铼闪亮登场!
如果说,航空发动机是现代工业的“皇冠”,那么,涡轮叶片无疑就是“皇冠上的明珠”。
涡轮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,是航空产品的第一关键零件。
以F-22的发动机F-119为例,其直径仅1.168米,却需要提供15.6吨的推力。
在飞行中,其涡轮和风扇除了承受极大的压力,还需忍受高温的熬煎。在飞机高速飞行时,F-119的发动机涡轮前温度可高达1977K(约1700摄氏度)。
因此,选择合适的材料来制造涡轮叶片至关重要。
在早期的涡轮喷气发动机时代,涡轮前温度较低,高温镍合金(能够承受1000℃左右高温)是可以对付的。
但是,到了涡扇发动机时代,在燃油利用率和推重比大幅提高的同时,涡轮前温度也更高了。
高温镍合金根本扛不住,叶片发生了蠕变。
涡扇发动机
注:蠕变,指发动机叶片承受不住高温和压力发生变形。这会带来很严重的后果,比如涡轮叶片发生断裂、叶片飞出损伤机匣等,危及飞机安全。
研发出具备高耐热性和高抗变形性的涡轮叶片,成为摆在各国研发人员面前的重要问题。
这时候,铼,登场了!
铼究竟是一种什么样的金属呢?
1869年,门捷列夫发表了世界上第一份元素周期表。1871年,这老爷子提出,在锰副族中,会有尚未发现但却一定存在的元素。
这个元素就是铼。
德米特里·伊万诺维奇·门捷列夫
铼作为最后一个被人类发现的稳定元素,直到1925年才被发现。
这种“千呼万唤始出来”的金属非常厉害:
*熔点高达3180摄氏度,仅次于目前自然界最难熔化的钨(3410摄氏度)。
*沸点高达5596摄氏度,在整个元素周期表里独占鳌头。
*耐腐蚀,强酸和强碱遇到铼只能无可奈何。
把浓盐酸和浓硝酸按3:1的体积比混合,就制成了能够溶解黄金和白金(铂)的王水。但是,在常温常压下,王水对铼毫无作用!
上图从左至右,依次为:纯度为99.9999%、99.995%和99.99%的铼
拥有强大性能的铼是制造涡轮叶片的首选材料。
把铼加入到镍基超级合金中,只需一点点,就能大幅提高涡轮叶片的抗蠕变性,同时还能提高叶片的抗氧化和抗疲劳性能。
目前,全球约80%的铼都被用于生产航空发动机的单晶叶片。
此外,小到排气喷嘴、石油催化剂,大到火箭(在2200℃的高温下,用铼合金制成的火箭发动机喷管能够经受住10万次以上的热疲劳循环)、卫星和导弹,铼在很多关键领域都有重要应用,。
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各大国展开激烈争夺!
然而,这种“厉害的金属”含量极少,价格与白金不相上下。据美国地质调查局报告,全球探明的铼储量约为2500吨,年产量峰值(不包括回收)仅为4.5吨;并且,分布也很不均衡,大部分铼集中蕴藏在智利(1300吨)、美国(390.1吨)、俄罗斯(310.4吨)等。
那么,铼够用吗?
根据波音公司预测,到2031年,全球民用飞机新机交付量为3.4万架,则发动机需求数量约为6.8万台,累计需求铼约1700吨,平均每年消耗85吨。
根据全球四大航空发动机制造商罗罗公司预测,未来20年,全球军用航空发动机新机销售量约为3.2万台,累计需求铼约为800吨,平均每年消耗约40吨。
由此可见,不说别的,单单是在航空发动机领域,全球每年铼的需求量就达到了125吨!全球铼储量根本不够用!
各大国已经意识到这一点,纷纷加快对铼的利用和抢夺。
美国很早就在发动机高温合金中添加铼。
最初,美国研发人员在F-15战斗机装备的“普惠F100发动机”中试验性地添加了3%的铼,尝到甜头后,不断增加用量。F-22战斗机装备的“普惠F119系列发动机”的含铼量已经达到了6%。
F-22“猛禽”战斗机(图片来源:环球网)
美国还是全球最大的铼消费国——通用电气使用了全球28%的铼,普惠公司使用了12%。
美国是世界第二大铼储量国(仅次于智利),并且,还跟智利、墨西哥和哈萨克斯坦都签署了长期的铼开采合同,几乎控制着全球铼储备和销售市场。
同样,欧洲也是铼金属消费巨头。英国的罗罗公司使用了全球28%的铼。
罗尔斯·罗伊斯(又称“劳斯莱斯”),英国著名航空发动机公司
作为世界第三大铼储量国,俄罗斯的铼主要集中于与日本存在领土争议的择捉岛。
23年的观测和统计显示,岛上火山每年至少喷出20公斤铼(以二硫化铼形式),最高达到60公斤/年。这样宝贵的资源,俄罗斯人怎么可能不抓在自己手里呢!
择捉岛
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欧美费尽心机封锁中国
直到上世纪末,中国并没有发现铼,一度被认为是“贫铼国”,对含铼高温合金和单晶叶片铸造技术的相关研究也很少。
进入21世纪,中国才发现铼资源,但储量并不丰富,产量在每年2吨左右,无法满足需求。
为了维持在航空工业的优势地位,欧美国家常年针对中国进行材料和技术封锁,对铼的相关技术盯得很紧。
英国的罗罗公司虽然在中国投资建厂,但是,对于中国员工却层层设防,即便在公司工作近10年、表现出色的老员工,也不能接触到一点核心技术。
因此,航空发动机成了我国航空工业中的一个短板。
现在,我国部分军用飞机依然使用国外发动机,C919大型喷气式客机使用的发动机产自一家美法合资企业。
国产大飞机C919
2016年,中国冲破种种限制,大量进口铼,进口量达到了4.5—5吨/年,约等于全球产量的10%(假如洛克希德-马丁公司的F-35战机项目全力投产,与之配套的普惠公司F135发动机项目的铼消费能力大概如此)。
这引起了欧美的极大恐慌。美国《航空和空间技术周刊》认为:“除军事效用以外,此举还将威胁到西方三大航空燃气涡轮发动机厂商(通用电气公司、罗尔斯罗伊斯国际有限公司和普惠公司),因为这些企业有许多重要产品需要用到铼。”
同时,也有外国业内人士表示质疑:即便有了铼,中国能造出合格的单晶叶片吗?
4
中国民企杀出一条“血路”!
打破僵局的是一家名叫“炼石有色”的民营企业。
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勘探到铼,储量达到176吨,约占全球储量的7%,引起了国内外的极大关注。
为了找到获得更多的铼,“炼石有色”旗下的成都航宇超合金技术有限公司与湖南有色研究院展开合作,用一年多的时间攻克了技术难题,实现了铼的提纯。
但是,坐拥这样的稀缺资源,大家却发现:这种稀有金属在国内却几乎没有销路——国内对铼的开发和利用几乎一片空白!
无奈之下,他们把眼光转向国际市场,希望用以资源换技术的模式,寻求与国外这类合金制造企业进行合作。
难道,要把这些比金子还珍稀的资源卖到国外吗?
越是封锁,就越说明航空发动机的战略重要性,就越需要突破。于是,这家公司决定:自己生产用于航空发动机的单晶涡轮叶片。
这个行业投资大、周期长、回报慢,而单晶涡轮叶片是目前航空发动机所有零件中制造工序最多、周期最长、合格率最低、国外封锁和垄断最为严重的零件。
面对严峻的现实,如何突破重重难关?
在国家“千人计划”的帮助下,该公司请到了十几位国外顶级专家——他们先后就职于几大著名的航空发动机公司,有多年航空发动机零部件研发、制造、安装测试、维修、质量控制的相关经验。
有了人才和技术,还差设备。几经辗转,他们终于在一家英国单晶炉供应商那里解决了问题。
于是,2013年底,在成都市双流郊区这片原本荒芜的土地上,中国国产发动机单晶叶片的希望开始萌芽。
2015年7月22日,成都航宇第一批产品出炉,合格率一鸣惊人。
2016年,国际权威第三方检测机构出具的检测报告表明,成都航宇超合金技术有限公司送检的单晶叶片在高温拉伸性能、高温持久性能等方面的测试结果均符合欧美标准。
成都航宇由此成为国内首家单晶叶片成品率达到量产水准的企业。
至今,单晶叶片投产的时间不过短短一年。
虽然航空发动机的研制不单单是一个单晶叶片成功量产就能解决的,可单晶叶片作为发动机最为核心的组件,其成功量产对中国航空业的重要性毋庸置疑。
或许,在不久后,中国飞机就可以放心地使用“中国心”了。
延伸阅读:
中国有了超级金属铼就能造出先进航发?想法太简单
9月初,一则《中国发现超级金属“铼”》的消息引起热议,称这一稀有金属能突破航空发动机研制的瓶颈。
“铼”是个什么金属,与航空发动机的关系是什么?有了“铼”,我国航空发动机就能有质的飞跃吗?9月11日,北京天骄航空产业投资有限公司创新研究院副院长、国家“千人计划”专家王光秋在接受科技日报记者采访时称,航空发动机研制是一个系统工程,不会单靠“铼”就有大的突破,其仅是增加发动机材料性能的因素之一。
稀有、高熔点、结实难开裂
先看看“铼”的前世今生。
铼,一种金属元素,是高熔点金属之一。根据业内权威的《兰氏化学手册》,铼是仅次于钨(3308摄氏度)的第二难熔金属,熔点为3180摄氏度。
百度百科查询,铼还是一个真正的稀有元素,在地壳中的含量仅仅大于镤和镭。再加上它不形成固定矿物,通常与其他金属伴生,使它成为自然界最后被发现的稀有元素。
1872年,门捷列夫根据元素周期律预言,在自然界中存在一个尚未发现的,原子量为190的“类锰”元素。直到1925年,德国化学家诺达克用光谱法在铌锰铁矿中发现了这个元素,取莱茵河称谓将其命名为“铼”。
据《兰氏化学手册》,除高熔点外,铼有极高的强度且塑形很好(俗称“既结实又难以开裂”),在高温、急速冷却和猛烈加热并带有强烈机械冲击和振动的条件下,“铼”也具备极佳的长时间工作抵御变形和开裂能力。
增加涡轮叶片合金材料性能的元素之一
涡轮叶片为现代航空发动机中一个关键部件,在发动机工作时不仅需同时承受约1600摄氏度高温、数十个大气压和以每分钟数万的转速,还要承受强大离心力的持续作用。
“如此严苛的工作条件,发动机所用材料仍需做到不能熔化,不能变形,不能断裂。而铼的一系列特性,使之成为极佳选材之一。”王光秋说,比起上一代航空发动机采用的定向结晶的普通叶片,新一代则普遍采用单晶叶片,这可增加200摄氏度左右的涡轮燃烧温度,有铼加入单晶叶片,可以增强材料各方面的性能。
铼加入单晶叶片的历史或有20年左右。但由于铼量少且提纯成本高,使其价格十分昂贵,不可能大范围用于航空发动机研制。据《南方财富网》援引美国地质调查局报告称,全球探明的铼储量仅为2500吨左右,其价格跟白金价格相仿,一克大概需要两三百块钱。另据资料显示,2010年,中国陕西某矿山勘探到176吨。
“航空发动机有上万个零部件,涡轮叶片是其中一个关键部件,即使有铼加入,需要在合金中怎么加,加多少,这些都是要认真研究的课题。”王光秋说。
新一代发动机总效率是热效率和推进效率之积
“航空发动机是一个综合的系统工程,其总效率是热效率和推进效率之积。”王光秋说,增加航空发动机的效率来自两个部分,分别是热效率和推进效率。目前最新一代发动机的热效率大约是50%,推进效率约为80%。
王光秋告诉记者,以目前最先进的波音787和空客350为例,其使用的发动机总效率即略高于40%。
“通过使用含有铼元素的单晶涡轮叶片,提高燃气温度增加热效率,是实现提高发动机总效率的路径之一。另一方面,当今航空发动机也通过增加推进效率达到提高总效率的目标。”王光秋说。
两种效率各占多少,也是研制航空发动机的难点。“通过提高燃气温度,相应也增加了氮氧化物的排放;温度高又增加空气流速,噪声也加大了。”王光秋说。
航空发动机工作原理显示,一台航空发动机包括低压压气机、高压压气机、高压涡轮和低压涡轮,中间还有一个环形燃烧室。“这些结构,工作的温度、压力环境都不一样,其使用的材料也不同。而金属铼,则主要是针对主压涡轮叶片。”王光秋认为,由于物理条件的限制,通过增加温度提高热效率比较困难,现代航空发动机,主要是通过增大涵道比提高推进效率,从而达到提高发动机总效率,并实现节能减排的目标。
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