中国后发而先至,在太空中炼出金属之王,改变全球航空航天格局

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1801年大英博物馆决定淘汰一部分藏品为“日不落帝国”从世界搜刮而来的藏品腾出空间,首当其冲的是平淡无奇的矿石样品,它们是英国军队从世界各地带回来的,如今“由来只闻新人笑,有谁听到旧人哭”。

这些样品被送到牛津、剑桥大学进行研究,英国化学家查理斯·哈契特在其中一种矿石样本中发现了金属铌,这是人类第一次发现这种物质。



铌的密度比铁大,和铜差不多,表面呈银灰色,质地非常柔软,不仅耐酸耐碱,而且还超级耐高温,熔点达到2468摄氏度。这种温度等级使研究起来非常麻烦,所以很长一段时间里它和钛、锆、铪、钽、钨、钼、钒、铼、锝这些难熔稀有金属一起被长期束之高阁。

二战时期,随着制空权重要性的日益凸显,研制出飞得更高、更快的战斗机成为各国竞相争夺的科技赛道。发动机的耐高温性能决定了飞机的速度,英、德、美、苏等国开始向钢材中加入其他金属,开发高温合金。经过半个世纪的努力,人类发展出了以铁基、镍基和钴基为代表的三大类高温材料,耐高温能力从最初的750℃提高到90年代末的1100℃。

随着人类对超音速飞行的需求,这种温度很快又不满足要求了,这种情况下美国另辟蹊径研制出史无前例的单晶高温合金技术,硬生生将耐高温能力提升到1400度左右。技惊四座的那一刻,同时也宣告传统铁基、镍基和钴基高温合金的潜力全部被榨干。

全球冶金科学家的目光不约而同地盯上了曾经被束之高阁的难熔金属钛、锆、铪、钽、钨、铌、钼、钒、铼、锝。

这里面熔点最高的是钨,能达到3410℃,但钨的密度大、硬度大,韧性不好。飞机发动机叶片不仅要考虑重量,还要看高温高压下的性能表现,是不是能持续保持硬度和韧性,所以钨很快就被淘汰出局。

接着美国将钛、锆、铪、钽、铌、钼、钒、铼、锝全部一通测试,由于这些金属熔点高根本就没有办法和铁“水乳交融”,绝大多数加进去后,呈现泾渭分明的情况。经过不懈努力,美国发现在镍合金叶片中加入1%的铼,能将耐高温能力提升到1700度左右。

铼的储量非常低,全球仅有2650吨。美国突破后秘而不宣开始全球布局,到处买矿收购他国企业,万事俱备后方才对外宣布铼合金的突破,这个时候美国已经实际控制了全球90%的铼矿,一骑绝尘,无人能与之竞争。

中国航空业发展晚,直到90年代才开始恶补发动机技术,2000年开始聚焦高温合金的发展。跟随战术永远比对手慢一拍,而中国的目的是超越美国,加上美国掌控了全球的铼矿,所以不管美国把铼合金吹得天花乱坠,中国从一开始就没有打算从铼身上入手。



这就好比传统的燃油汽车,西方国家在发动机技术、底盘技术、变速箱技术上深耕百年,技术炉火纯青,将汽车三大件调试得天衣无缝,不管我们怎么追赶如何努力,总是缺那么一点意思,所以在燃油汽车上中国汽车工业一直被西方汽车工业压制得死死的。

这种情况下钱学森在1992年上书中央:“传统汽车中国永远也超越不了西方,建议跳过汽油和柴油机,直接发展新能源汽车。”所以今天我们实现了用电机、电池、电控系统轻松破解西方汽车工业的技术护城河和产业霸权,弯道超车实现反向输出。

在航空发动机上中国科学家“以终为始”,首先根据推重比构建起三维的数学模型反向推算,当前的涡扇发动机最恶劣的工况是每分钟转速10000转以上,温度1800摄氏度,接着未雨绸缪考虑第六代战斗机需要使用的下一代发动机,发现理论推重比需要超过15,这样的结果是高压涡轮的进气温度要求达到2100摄氏度以上。

不仅如此,这种超高温合金材料还要满足三大基本指标,一是高温强度,二是室温韧性,三是高温抗氧化性。

高温强度是指超高温合金不允许受热变软,即便2000度高温下依然要够硬;

室温韧性是指可加工性,在常温中进行机械制造,加工出我们需要的形状。很多非金属陶瓷材料耐高温性能非常好,但在常温下却非常容易破碎,撞一下就成渣,没办法加工;

高温抗氧化性是指在任何情况下都不会和氧气发生反应。大家看打铁或锻造的时候,每次冲击后金属表面总是有一层残渣掉下来,那是因为温度太高了,铁的表面跟空气中的氧气反应,变成氧化铁脱落。超高温合金材料一直在高温高压下工作,如果抗氧化性能不好,很快就会“铁棒磨成针”。

这种情况下,不打破常规中国连追平的机会都没有,更不要谈超越。因此中国科学家把高温合金的目标直接锁定在这些难熔金属上,让难熔金属占主体,反其道而行之,而不是像美国那般用难熔金属作为添头去提高钢铁性能。

美国当前使用的是传统方式,有先天的不足和限制,铼的熔点高达3186度,最后他们只实现了1700度的耐高温能力。

所以从一开始,中美就走了两条不同的道路,美国用镍铁当基材,把金属铼当“工业维生素”作为辅料,提升镍基合金的性能,铼的含量只有1%;中国走的是把铌金属作为基材承担主体作用,含量高达30%,而把镍铁等当作添头使用提升铌金属的性能。

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