我國(guó)這些年在武器裝備方面發(fā)展速度很快,一些新型武器裝備的技術(shù)水平已經(jīng)可以和歐美媲美。但是在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域,我國(guó)不但長(zhǎng)期落后于歐美,而且也趕不上俄羅斯。而導(dǎo)致航空發(fā)動(dòng)機(jī)落后的原因除了基礎(chǔ)較差、經(jīng)驗(yàn)不足等之外,還有一個(gè)重要原因就是材料不行。我們知道,航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí),一些關(guān)鍵部件,如渦輪葉片、渦輪盤(pán)和燃燒室等要承受很高的溫度。如果高溫結(jié)構(gòu)材料不過(guò)關(guān),那么發(fā)動(dòng)機(jī)的性能也就不會(huì)好到哪里去。高溫結(jié)構(gòu)材料主要是指各種高溫合金,目前高溫合金在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中用量約占總重量的55%左右。
從世界范圍看,高溫合金已從傳統(tǒng)鑄造多晶高溫合金、定向凝固柱晶高溫合金和變形高溫合金,向單晶合金、機(jī)械合金化高溫合金、粉末冶金高溫合金和細(xì)晶鑄造合金等發(fā)展,其中單晶合金是高溫合金的發(fā)展重點(diǎn),因?yàn)椴捎脝尉Ъ夹g(shù)生產(chǎn)的新型單晶合金材料制造的航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片,可顯著提高發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度和發(fā)動(dòng)機(jī)功率,對(duì)航空工業(yè)產(chǎn)品的更新?lián)Q代具有重要的意義。而單晶合金的發(fā)展,又與一種名為錸的金屬元素有著非常密切的關(guān)系。
錸是人類(lèi)發(fā)現(xiàn)最晚的天然元素,熔點(diǎn)3180℃,沸點(diǎn)5627℃,純錸質(zhì)軟,外表與鉑相同,具有良好的機(jī)械性能。在上世紀(jì)80年代,航空工業(yè)大國(guó)認(rèn)識(shí)到,錸有良好的塑性,在高溫和低溫情況下,都沒(méi)有脆性,抗拉強(qiáng)度和抗蠕變強(qiáng)度優(yōu)于我們比較熟知的難熔金屬鎢、鉬、鈮。如果向鎢、鉬、鉻添加錸,可以提高材料的強(qiáng)度、塑性和焊接性能,降低韌-脆轉(zhuǎn)變溫度和再結(jié)晶脆性。
同時(shí)錸對(duì)單晶合金顯微組織、力學(xué)性能、不穩(wěn)定相及單晶缺陷等的影響顯著,可以增強(qiáng)單晶合金的高溫抗蠕變性能(所謂蠕變,是指在一定的溫度和較小的恒定外力作用下,材料的形變隨時(shí)間的增加而逐漸增大的現(xiàn)象。蠕變是高溫單晶合金是死敵,這將大大降低航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和效率,甚至帶來(lái)嚴(yán)重的事故)。錸的這些特點(diǎn),使其很快成為單晶合金的重要添加元素,同時(shí)也讓單晶合金越來(lái)越多地被用來(lái)制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片、渦輪盤(pán)和燃燒室等。到目前為止,單晶合金已經(jīng)發(fā)展了五代,其中從第二代開(kāi)始都有錸的參與,而且含量也從2-3%增加到5-6%。
不過(guò),錸在地殼中的含量?jī)H十億分之一。根據(jù)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局報(bào)告,全球已探明的錸儲(chǔ)量?jī)H為2500噸左右,價(jià)格跟白金的價(jià)格相仿,1克大概需要300元。因此,添加錸之后的單晶合金價(jià)格會(huì)猛漲,例如第二代單晶合金的錸含量為2-3%,但價(jià)格卻上漲了70%。所以,雖然現(xiàn)在單晶合金已經(jīng)發(fā)展到第五代,但實(shí)際用的最多的還是第二代,例如美國(guó)F-22戰(zhàn)斗機(jī)用的F119渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片就是用第二代單晶合金制造的。而由于錸的稀少性以及對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要性(現(xiàn)在全球約80%的錸用于生產(chǎn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)),使得錸成為極其重要的戰(zhàn)略物資。
中國(guó)直到上世紀(jì)末都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)錸礦,也就缺少對(duì)含錸高溫合金和單晶葉片鑄造技術(shù)的相關(guān)研究。加上西方國(guó)家一直對(duì)中國(guó)實(shí)施技術(shù)封鎖,這項(xiàng)技術(shù)成為中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制發(fā)展的一大“瓶頸”。而據(jù)《央視》報(bào)導(dǎo),2010年,成都航宇超合金技術(shù)有限公司在其下屬的陜西省洛南縣黃龍鋪鉬礦區(qū)礦山中斟探到錸,儲(chǔ)量達(dá)到176噸,約占全球儲(chǔ)量的7%,僅次于智利、美國(guó)、俄羅斯和哈薩克斯坦。
之后,該公司又與湖南有色研究院的合作,攻克了技術(shù)難題,實(shí)現(xiàn)了錸的提純,打破了國(guó)外的技術(shù)壟斷。2015年7月22日,該公司生產(chǎn)出了可用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的第一批單晶渦輪葉片。2016年,國(guó)際權(quán)威第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)出具的檢測(cè)報(bào)告表明,該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(cè)試結(jié)果均符合歐美標(biāo)準(zhǔn)。今后,國(guó)產(chǎn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)如果采用這種含錸的單晶葉片,那么性能將會(huì)得到大幅提升。
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