中企打破美國壟斷 造出航空發動機核心部件

這兩天隨著十九大的勝利召開，一些振奮人心的新名詞被大家熱議著。未來的中國將要建設成為科技強國、質量強國、航天強國、網絡強國、交通強國、數字中國，而廣大科技人員也奮力走在實現這些宏偉目標的路上。

今天的節目我們要關注一種叫做錸的金屬。這種金屬很稀缺，每年全世界的產量僅僅只有40多噸，它非常昂貴，價格與白金的價格相仿。它之所以價值連城，還因為它在航空和國防製造業中能發揮非常重要作用。

不斷打破國外壟斷 中國航空發動機關鍵零件國際領先

在河北廊坊科技園，一款為無人機和商務機而設計的航空發動機正在進行150小時試車，考核發動機在各種狀態下技術性能和可靠性及壽命等綜合指標。

中國科學院工程熱物理所所長朱俊強：150小時做完了，首飛保證就沒問題了，可以到不同高度進行試飛了，這個發動機基本定型。

十三五期間，我國啟動了航空發動機和燃氣輪機重大專項，航空工業持續發力，不斷縮小與國際一流發動機生產企業的差距。

中國科學院工程熱物理所輕型動力實驗室實任徐綱：這一款渦扇發動機它的耗油率、壽命指標都達到了國際先進水平，國內也是個空白，所有的零件都是自主設計、自主生產，尤其是像裡面的高溫的單晶渦輪葉片，實際上就是可以說發動機裡面加工的難點中的難點。

單晶葉片處於航空發動機中溫度最高、應力最複雜、環境最惡劣的部位，是航空產品第一關鍵零件，它的鑄造工藝直接決定了航空發動機的性能。

在這臺1000公斤推力的發動機中心，核心部件就是眼前這60片單晶葉片。發動機將空氣進行壓縮之後壓入燃燒室，在有限的空間內和燃料發生劇烈燃燒，產生猛烈的燃氣噴射流，推動這些葉片高速旋轉，讓看似單薄的零件迸發出驚人的動力，每一片葉片輸出的馬力都相當於一臺2.0排量的SUV汽車，溫度大概在1720多度。

在1700度的高溫之下，普通金屬是不夠耐熱的。生產單晶葉片，就一定離不開一種珍貴的稀有金屬-錸。

在成都航宇超合金技術有限公司，我們見到了單晶葉片生產中最為關鍵的金屬—錸。這是人類發現最晚的天然元素，因為發現者是德國化學家，因此以萊茵河的名稱命名為錸。它在地殼中的含量比所有的稀土元素都小，比鑽石更難以獲取。根據美國地質調查局的報告，全球探明的錸儲量僅為2500噸左右。錸的價格跟白金的價格相仿，一克大概需要兩三百塊錢。

能夠提純錸金屬的，是成都航宇超合金技術有限公司的母公司，這是一家上市的礦業公司。2010年，這家公司在其下屬的陝西省洛南縣黃龍鋪鉬礦區礦山中斟探到錸，儲量達到176噸，約佔全球儲量的7%，僅次於智利、美國、俄羅斯和哈薩克斯坦。近年來，隨著航空工業的發展，錸消費量的年均增長率為3%，雖然價格不菲，卻一直處於供不應求的狀態。

成都航宇超合金技術有限公司董事長 張政：我們原來最初的想法是把錸生產出來。交給國內的用戶。我們每年增加我們的收益，對上市公司就是一個很好的幫助。

美國是最大的錸金屬消費國，控制著全球銷售市場，一直處於壟斷地位。由於錸可以廣泛應用於噴氣式發動機和火箭發動機，全球約80%的錸用於生產航空發動機，其在軍事戰略上有重要意義。為了維持在航空工業的優勢地位，美國和其它一些西方國家常年針對中國進行材料和技術封鎖。

成都航宇超合金技術有限公司副總經理 宋陽：它有一些區域是限制中國人進入的，他們不希望這樣的一些技術機密，或者是技術信息被中國所了解和掌握。

越是封鎖，就越說明航空發動機的戰略重要性，就越需要突破。 礦業公司董事長張政拍板做了一個重要的決定：自己生產用於航空發動機的單晶渦輪葉片。

2012年7月，國務院印發《「十二五」國家戰略性新興產業發展規劃》，將航空裝備產業列為高端裝備製造產業中的第一個項目，明確提出要突破航空發動機核心關鍵技術，加快推進航空發動機產業化。國家層面大力倡導，然而生產設備的採購卻面臨著巨大的困難——國外巨頭再次相對中國進行技術封鎖，生產設備中的關鍵環節——熱處理爐因為西方國家的封鎖卡了殼。

幾大航空發動機生產公司所使用的，都是航空工業專用的一級熱處理爐。但是因為西方國家的嚴密封鎖，能夠生產這類設備的廠商根本無法將設備銷售給中國的企業，而國內的企業也只能生產二級爐。

宋陽：二級爐，就是溫度差正負5度，從正負3到正負5度，這一點點的差距，設備的結構熱處理之後的效果差距是非常明顯的。

時間不等人，專家組另闢蹊徑，嘗試用電子行業的一級熱處理爐來替代傳統的航空工業一級熱處理爐。這種跨行業的混搭在航空發動機的生產領域是一個前所未有的大膽嘗試，成功與否誰都沒有把握，幸運的是這個爐子比原來想像的，正負3度的偏差更低，它正負只偏差了2.1度，這幾乎是比一級爐還要精密。

解決好了熱處理爐的問題，但他們緊繃的神經依然沒有絲毫放鬆。因為整條生產線依然還差一臺單晶澆鑄環節最重要的設備—單晶爐。幾經輾轉，他們又找到英國一家單晶爐的供應商，提出了定製化要求。

宋陽：剛開始的時候它對於一個中國的廠商能夠生產單晶葉片，他們更多是想賣一臺設備到中國來，但是並沒有想幫助我們把這件事給做成。

2015年7月22日，成都航宇第一批產品出爐，合格率一鳴驚人。這家專業的單晶爐製造商不由得對這位行業新入者另眼相看。

成都航宇超合金技術有限公司董事長張政：這個成品率高到這個爐子的生產商都很高興，他專門飛過來跟我們慶祝了一次，他做了幾十年的這個專業設備，實驗性開爐的第一爐產品，做到全球最高的成品率。

成都航宇超合金技術有限公司副總經理宋陽：我覺得中國這麼多年的這個經驗，凡是國外對中國進行封鎖的，靠著我們自己的自力更生艱苦奮鬥，我們都能夠在這個領域取得突破。

0.5公斤零件撐起400公斤重量 中國太空飛行器試水3D列印

為了突破西方對於中國的核心技術封鎖，中國的企業家、科學家大膽實踐、勇於創新，不僅是造出了被西方國家壟斷的錸金屬核心部件，還創造出了新的金屬製造方式。

2017年9月20日，世界頂尖的金屬3D列印設備製造商德國斯稜曼公司與一家中國公司籤下了合作協議，與一家中國公司成立聯合應用研發中心，將展開針對中國市場的應用研發。

金屬材料的3D列印技術門檻高，難度大，附加值高，金屬3D列印的產值也佔到了整個3D列印行業的80%以上。在金屬3D列印方面，西方國家的技術也長期領先於中國。而如今，金屬3D列印正在越來越多地出現在中國製造的高端裝備上，這讓世界領先的企業，也注意到了中國企業在這個方面取得的創新和成就。

中國航天科技集團五院的展廳，濃縮了中國空間飛行器研製的主要成果，這些太空飛行器對於減少重量的要求，可謂是嚴苛之極，因為每增加一克的重量，就會給發射帶來很高的成本，並且會加大航天項目的複雜性，甚至直接影響到整個方案的可行性。為了減輕每一克的重量，研究人員從材料和結構上想了任何可能的辦法。

中國航天科技集團五院總體部增材製造技術項目經理張嘯雨：這個就是我們目前工程上最輕的材料，叫蜂窩夾層結構，這種結構裡面全部是蜂窩，然後上下的面用的是碳纖維。這種碳纖維非常昂貴，它的一公斤差不多要比那個同等重量的黃金還要貴一些。

減輕重量是不懈的追求。碳纖維材料，加之蜂窩狀的結構，這幾乎已經達到了減重的極限，但是工程技術人員對此還是不滿意，他們希望重量再降低一些。可是，如何才能實現新的突破呢？

位於北京市昌平區的一間廠房，正在生產著鈦合金、鋁合金、不鏽鋼等多種金屬的零部件。但是與其它的冶金廠房不同，在這裡，記者看不到金屬鍛造的大型設備，也看不到很多的技術工人操作，只看見一臺臺3D列印的機器在忙碌地工作著。

這個金屬列印技術叫雷射選區熔化，使用雷射照射預先鋪展好的金屬粉末，使其成形固定。

經過兩天時間，製造過程終於接近尾聲，技術人員小心翼翼地將「印表機」中多餘的粉末掃去，一個結構非常複雜和精巧的鈦金屬立方體顯現出來。

鑫精合雷射科技發展有限公司副總經理孫峰：鈦合金在我們冶金行業，是一種非常難成形的一種材料牌號，它的冶金工藝非常的複雜，通過我們這次3D列印工藝，把這麼難做的一個鈦合金，通過我們3D列印工藝，呈現出這樣一個輕量化的結構來。

在製造業中，傳統製造的方式是 「減材製造」，它是利用已有的幾何模型工件，用工具將材料逐步切削、打磨、減少，最終成為所需要的零件。而3D列印則恰恰相反，它是根據一個數字三維文件，在一個完全沒有任何材料的平面上，一點點逐層列印、添加材料，最終形成一個三維整體，這就是所謂的3D列印，也被稱為「增材製造」。

這樣一個邊長20釐米左右的立方體，如果用傳統的金屬鑄造工藝製造，重量至少要在5公斤以上，而這個零件的重量卻只有0.5公斤，只有以前的十分之一，大大減輕了重量，卻具備高強度。孫峰現場給我們做了一個演示。

將近100公斤的孫峰，整個人站在這個立方體上都沒有問題，孫峰告訴我們，它最大的承受力在300到400公斤，那可能是800倍到1000倍的載荷。

目前，在我國很多飛機、船舶甚至太空飛行器的重要零部件上，都可以見到金屬3D列印的身影。無論是飛機、船舶的發動機、零部件，還是運載火箭、空間航天飛行器、無人機等航空航天設備，金屬3D列印部件正在悄悄地取代著傳統製造的零件，並給航空航天等高端製造提供了更多的可能。太空飛行器上很多大大小小的零件，都可以用這種結構來替代原有的較為笨重的金屬。甚至一根頭髮絲，就可以吊起來一個體積不小的衛星上的小零件。

孫峰：它的輕量化效果非常的好，整個零件它的減重達到了30%以上，它給咱們整個火箭發射這一塊，成本節約了幾百萬，甚至上千萬人民幣的一個效果。我們傳統製造業來說，製造一顆衛星它可能需要幾個月甚至幾年的時間，通過我們3D列印工藝實現整個衛星的機構，可能只需要十幾天的時間，一顆小的衛星可以打出來。

3D列印作為一項前沿性的先進位造技術，已經成為全球新一輪科技革命和產業革命的重要推動力。 然而，多數的設備和工藝尚不成熟，還無法批量打出穩定、耐用、高性能的工業品來，處在「模型製造」和實驗階段。但是這種情況正在發生變化，我國的金屬3D列印正在不斷地向尖端製造靠攏。

在鑫精合的廠房裡，一個大型的鈦合金太空飛行器零件，即將在這臺由中國民營企業自主研發的大型金屬3D印表機裡誕生。

與小型的精密的金屬3D印表機的技術不同，大型的印表機採取了另一種不同的技術方式——同軸送粉工藝。而中國在這項技術上已經走在了世界的先列。目前，能用3D列印技術製造出達到鍛造水平的金屬部件的國家，只有德國、美國、中國等少數幾個。而鑫精合批量製造大型鈦金屬結構件的能力已經在國際領先。

這種雷射「列印」金屬粉末的工藝，使得金屬材料冷卻凝固速度極快，組織細小，力學性能優異，也具備了像鍛件一樣的高強度。

直徑4米的太空飛行器部件拆分成6個2米左右的大零件，3D列印並加工後，再進行整體焊接。在過去，這樣巨大的金屬件從開模具到鍛造，再到機械加工，是個非常浩大的工程，通常需要一年時間才能完成，而用3D列印的方式，僅需要3-6個月。

張嘯雨：可能我們最快的在明年，或者是後年都會有發射的型號來去做這樣的一個嘗試。我們大概現在有60件到100件的產品已經是在完成了製造，而且已經開始裝星，已經開始做整星級的力學實驗。