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帖子主题:被欧美掐命门的中国航空发动机 有了壮骨粉(图)

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被欧美掐命门的中国航空发动机 有了壮骨粉(图)

来源:瞭望智库 时间:2017-10-07

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。

文| 李浩然

1

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。

被欧美掐命门的中国航空发动机 有了壮骨粉(图)

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。

被欧美掐命门的中国航空发动机 有了壮骨粉(图)

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!

被欧美掐命门的中国航空发动机 有了壮骨粉(图)

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,。

2

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%。

被欧美掐命门的中国航空发动机 有了壮骨粉(图)

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。

被欧美掐命门的中国航空发动机 有了壮骨粉(图)

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!

被欧美掐命门的中国航空发动机 有了壮骨粉(图)

择捉岛

3

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。

被欧美掐命门的中国航空发动机 有了壮骨粉(图)

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。

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      2017/10/7 21:22:08

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      4楼 袁平4
      我国的铼储量其实不算很低,由于分离手段的提高和上游工业体系的建立,现在自产已经不是问题。所以说吧造航空发动机需要的那些也没多大难度了

      铼金属(粉末)价格大概20多块钱一克,也就是2w左右一公斤。

      17楼 扯旗前进
      铼合金只是航空发动机叶片材料中的一个课题;现在中国在航空发动机开发中是全面开花,万马奔腾;突破之处越来越多,全面超越世界先进水平的日子,将要到来。
      现在看来,说中国的航空发动机被欧美掐命门?好像并不存在啊!目前差距在不断缩小。

      2017/10/19 15:43:54
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      4楼 袁平4
      我国的铼储量其实不算很低,由于分离手段的提高和上游工业体系的建立,现在自产已经不是问题。所以说吧造航空发动机需要的那些也没多大难度了

      铼金属(粉末)价格大概20多块钱一克,也就是2w左右一公斤。

      铼合金只是航空发动机叶片材料中的一个课题;现在中国在航空发动机开发中是全面开花,万马奔腾;突破之处越来越多,全面超越世界先进水平的日子,将要到来。

      2017/10/18 16:37:35
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      ......
      3楼 袁平4
      铼这东西是个非常高温的金属。而且麻烦的是还缺乏像钨一类的富集矿,都是共生在其它矿石中的,往往作为矿渣的杂质出现,要富集就很困难。
      7楼 扯旗前进
      除了提高叶片寿命,还要结构上发展变循环发动机,就是可以在传统涡轮增压发动机工作状态与冲压发动机工作状态之间实现自如切换。
      8楼 重剑3
      中国航空发动机工业还在发展之中,一些长期存在问题让西方对其发展是不屑一顾,这些问题包括发动机谱系仍旧不完整,特别是“一大一小”问题突出,也就是缺少大推力发动机,小推力发动机基础也比较薄弱,难以为型号发展提供全面保障和支持,民用航空发动机技术水平与国外先进水平差距较大等等
      9楼 zhoqi
      近来我们有了一个突破,不等于已全面超越了,这需要一个过程;不要急,还有时间。
      11楼 重剑3
      对比世界上其他先进的航空发动机研制国家,我们就会看到这一思路的危害。在国外,往往是先研究发动机,再研制飞机;我们从仿制国外飞机出发,来研制该机的发动机。
      中国正在同时研发至少12架发动机,仅从研发角度时,已井喷式发展,可是人们为何依然发愁?究其原因,别看航发对进口的依赖越来越少了,尤其是太行发动机的成熟,如果考虑各种在研型号的情况,那么前景真是一片光明!可是现在在研型号多,投产的型号太少,所以不能过于乐观,

      2017/10/17 22:53:17
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      ......
      3楼 袁平4
      铼这东西是个非常高温的金属。而且麻烦的是还缺乏像钨一类的富集矿,都是共生在其它矿石中的,往往作为矿渣的杂质出现,要富集就很困难。
      7楼 扯旗前进
      除了提高叶片寿命,还要结构上发展变循环发动机,就是可以在传统涡轮增压发动机工作状态与冲压发动机工作状态之间实现自如切换。
      8楼 重剑3
      中国航空发动机工业还在发展之中,一些长期存在问题让西方对其发展是不屑一顾,这些问题包括发动机谱系仍旧不完整,特别是“一大一小”问题突出,也就是缺少大推力发动机,小推力发动机基础也比较薄弱,难以为型号发展提供全面保障和支持,民用航空发动机技术水平与国外先进水平差距较大等等
      9楼 zhoqi
      近来我们有了一个突破,不等于已全面超越了,这需要一个过程;不要急,还有时间。
      11楼 重剑3
      对比世界上其他先进的航空发动机研制国家,我们就会看到这一思路的危害。在国外,往往是先研究发动机,再研制飞机;我们从仿制国外飞机出发,来研制该机的发动机。
      在“要导弹不要飞机”的思潮带动下,国家集中力量研制导弹,对于航空发动机的投入就显得尤为可怜。没有资金,对于需要大量资金进行基础研究和试验材料的航空发动机产业来说,就等于是放弃。

      2017/10/15 15:15:58
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      13楼 温柔老农
      真实重大喜讯啊,这样就能相信在2025年,WS15项目可以按节点完成了
      回复:被欧美掐命门的中国航空发动机 有了壮骨粉(图)

      既然已经加了外涵道,那就不如直接把燃烧室搬到外涵道上去了。内涵道改成冲压!你认为如何?

      2017/10/15 10:07:18
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      真实重大喜讯啊,这样就能相信在2025年,WS15项目可以按节点完成了

      2017/10/15 1:11:47
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      中国是贫铼国家,走含铼高温合金这条路那就是走上了邪路。

      2017/10/14 21:15:59
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      2楼 zhoqi
      一家民企从0开始,先勘探到铼矿藏;找湖南有色研究院展开合作 实现了铼的提纯;决心自己生产用于航空发动机的单晶涡轮叶片。请到了十几位国外顶级专家……坚持努力, 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。

      这是中国的福气!

      3楼 袁平4
      铼这东西是个非常高温的金属。而且麻烦的是还缺乏像钨一类的富集矿,都是共生在其它矿石中的,往往作为矿渣的杂质出现,要富集就很困难。
      7楼 扯旗前进
      除了提高叶片寿命,还要结构上发展变循环发动机,就是可以在传统涡轮增压发动机工作状态与冲压发动机工作状态之间实现自如切换。
      8楼 重剑3
      中国航空发动机工业还在发展之中,一些长期存在问题让西方对其发展是不屑一顾,这些问题包括发动机谱系仍旧不完整,特别是“一大一小”问题突出,也就是缺少大推力发动机,小推力发动机基础也比较薄弱,难以为型号发展提供全面保障和支持,民用航空发动机技术水平与国外先进水平差距较大等等
      9楼 zhoqi
      近来我们有了一个突破,不等于已全面超越了,这需要一个过程;不要急,还有时间。
      对比世界上其他先进的航空发动机研制国家,我们就会看到这一思路的危害。在国外,往往是先研究发动机,再研制飞机;我们从仿制国外飞机出发,来研制该机的发动机。

      2017/10/14 15:26:20
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      2楼 zhoqi
      一家民企从0开始,先勘探到铼矿藏;找湖南有色研究院展开合作 实现了铼的提纯;决心自己生产用于航空发动机的单晶涡轮叶片。请到了十几位国外顶级专家……坚持努力, 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。

      这是中国的福气!

      3楼 袁平4
      铼这东西是个非常高温的金属。而且麻烦的是还缺乏像钨一类的富集矿,都是共生在其它矿石中的,往往作为矿渣的杂质出现,要富集就很困难。
      成都航宇超合金技术有限公司于2013年7月9日在成都市双流工商局登记成立。法定代表人张政,公司经营范围包括超高温合金的研发、生产、销售,航空发动机等。

      2017/10/13 13:16:20
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      2楼 zhoqi
      一家民企从0开始,先勘探到铼矿藏;找湖南有色研究院展开合作 实现了铼的提纯;决心自己生产用于航空发动机的单晶涡轮叶片。请到了十几位国外顶级专家……坚持努力, 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。

      这是中国的福气!

      3楼 袁平4
      铼这东西是个非常高温的金属。而且麻烦的是还缺乏像钨一类的富集矿,都是共生在其它矿石中的,往往作为矿渣的杂质出现,要富集就很困难。
      7楼 扯旗前进
      除了提高叶片寿命,还要结构上发展变循环发动机,就是可以在传统涡轮增压发动机工作状态与冲压发动机工作状态之间实现自如切换。
      8楼 重剑3
      中国航空发动机工业还在发展之中,一些长期存在问题让西方对其发展是不屑一顾,这些问题包括发动机谱系仍旧不完整,特别是“一大一小”问题突出,也就是缺少大推力发动机,小推力发动机基础也比较薄弱,难以为型号发展提供全面保障和支持,民用航空发动机技术水平与国外先进水平差距较大等等
      近来我们有了一个突破,不等于已全面超越了,这需要一个过程;不要急,还有时间。

      2017/10/12 13:56:46
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      一家民企从0开始,先勘探到铼矿藏;找湖南有色研究院展开合作 实现了铼的提纯;决心自己生产用于航空发动机的单晶涡轮叶片。请到了十几位国外顶级专家……坚持努力, 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。

      这是中国的福气!

      3楼 袁平4
      铼这东西是个非常高温的金属。而且麻烦的是还缺乏像钨一类的富集矿,都是共生在其它矿石中的,往往作为矿渣的杂质出现,要富集就很困难。
      7楼 扯旗前进
      除了提高叶片寿命,还要结构上发展变循环发动机,就是可以在传统涡轮增压发动机工作状态与冲压发动机工作状态之间实现自如切换。
      中国航空发动机工业还在发展之中,一些长期存在问题让西方对其发展是不屑一顾,这些问题包括发动机谱系仍旧不完整,特别是“一大一小”问题突出,也就是缺少大推力发动机,小推力发动机基础也比较薄弱,难以为型号发展提供全面保障和支持,民用航空发动机技术水平与国外先进水平差距较大等等

      2017/10/11 12:43:05
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      一家民企从0开始,先勘探到铼矿藏;找湖南有色研究院展开合作 实现了铼的提纯;决心自己生产用于航空发动机的单晶涡轮叶片。请到了十几位国外顶级专家……坚持努力, 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。

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      3楼 袁平4
      铼这东西是个非常高温的金属。而且麻烦的是还缺乏像钨一类的富集矿,都是共生在其它矿石中的,往往作为矿渣的杂质出现,要富集就很困难。
      除了提高叶片寿命,还要结构上发展变循环发动机,就是可以在传统涡轮增压发动机工作状态与冲压发动机工作状态之间实现自如切换。

      2017/10/10 14:52:52
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      2017/10/10 13:10:10
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      中国芯,听起来这么动人!说到稀有资源我就想起女人追求的“稀有资源”钻石

      2017/10/9 15:52:54
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      我国的铼储量其实不算很低,由于分离手段的提高和上游工业体系的建立,现在自产已经不是问题。所以说吧造航空发动机需要的那些也没多大难度了

      铼金属(粉末)价格大概20多块钱一克,也就是2w左右一公斤。

      2017/10/9 13:39:39
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      一家民企从0开始,先勘探到铼矿藏;找湖南有色研究院展开合作 实现了铼的提纯;决心自己生产用于航空发动机的单晶涡轮叶片。请到了十几位国外顶级专家……坚持努力, 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。

      这是中国的福气!

      铼这东西是个非常高温的金属。而且麻烦的是还缺乏像钨一类的富集矿,都是共生在其它矿石中的,往往作为矿渣的杂质出现,要富集就很困难。

      2017/10/9 13:38:56
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      这是中国的福气!

      2017/10/8 15:58:25

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