航空发动机是当今世界上最复杂的、多学科集成的工程机械系统之一。其中,高温合金材料及单晶涡轮叶片是制造航空发动机和燃气轮机的关键材料。

  据央视经济半小时报道,近日,在河北廊坊科技园,一款为无人机和商务机而设计的航空发动机正在进行150小时试车,考核发动机在各种状态下技术性能和可靠性及寿命等综合指标。为了防止熔化,工程技术人员把每一片叶片都制作成空心,中间还设计了一个精密而复杂的冷却系统。冷却系统带走的热量,可以在1/20秒、甚至更短的时间内烧开一壶水。但是在1700度的高温之下,普通金属无法承受。这时,就需要一种关键的金属材料——铼。

  制造航空发动机的超级金属

  铼是人类发现最晚的天然元素,是高熔点金属之一。因为发现者是德国化学家,因此以莱茵河的名称命名为铼。在自然界中,铼分布在辉钼矿、稀土矿和铌钽矿中,含量都很低。迄今只发现辉铼矿(ReS2)和铜铼硫化矿(CuReS4)两种独立的铼矿物。

  生产铼的主要原料是钼冶炼过程的副产品。资料显示,铼多伴生于钼、铜、锌、铅等矿物中,很难单独利用。

  铼在地壳中的含量约为1×10^-7%,比所有的稀土元素都小,比钻石更难以获取。根据美国地质调查局的报告,全球探明的铼储量仅为2500吨左右,铼的价格跟白金的价格相仿,一克大概需要两三百元钱。

  由于资源贫乏,价格昂贵,长期以来,对铼的研究较少。1950年后,铼在现代技术中开始应用,生产日益发展。我国从1960年开始从钼精矿焙烧烟尘中提取铼。

  由于铼可以广泛应用于喷气式发动机和火箭发动机,全球约80%的铼用于生产航空发动机,其在军事战略上有重要意义。有人说,能否实现对铼的高效开发利用是航空工业进入新纪元的突破口。

  长期以来,航空发动机一直都是我国航空工业中的一个短板。直到目前,我国部分军用飞机依然使用国外发动机,而在商业航空领域,C-919大型喷气式客机使用的发动机也产自一家美法合资企业。

  为了尽快补足这块短板,国家一直在加大航空发动机的研发力度。国务院印发的《中国制造2025》明确提出要“建立发动机自主发展工业体系”,在“十三五”期间,我国又启动了航空发动机和燃气轮机重大专项。如今,航空工业持续发力,正不断缩小着与国际一流发动机的差距。

  民营矿企进军中国航空业

  “可以说,在发动机生产加工中,耐高温的单晶涡轮叶片是难点中的难点。这一款涡扇发动机中所有的零件都是自主设计、自主生产,尤其是单晶涡轮叶片。目前,该发动机的耗油率、寿命等指标都达到了国际先进水平,填补了国内空白。”这个让中国科学院工程热物理所轻型动力实验室主任徐纲赞不绝口的重大成果,来自一家民营企业——成都航宇超合金技术有限公司。

  能够提纯铼金属的,是成都航宇超合金技术有限公司的母公司——陕西炼石有色资源股份有限公司,这是一家上市的矿业公司。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斟探到铼,储量达到176吨,约占全球储量的7%,仅次于智利、美国、俄罗斯和哈萨克斯坦。近年来,随着航空工业的发展,铼消费量的年均增长率为3%,虽然价格不菲,却一直处于供不应求的状态。

  为了找到获得更多的铼金属,成都航宇超合金技术有限公司通过与湖南有色研究院的合作,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,张政和股东们却发现这种稀有金属在国内却几乎没有销路。

  无奈之下,他们把眼光转向国际市场,希望用资源换技术的模式,寻求与国外这类合金制造企业的合作。

  “每一家都希望跟我们签长协价,我们只要生产出来他们就要,但是因为这项技术,所有掌握这个单晶技术的国家的企业,都受制于美国的一个法律,是不得参与技术合作的。”成都航宇超合金技术有限公司董事长张政说。

  当前,美国是全球最大的铼金属消费国,控制着全球销售市场,一直处于垄断地位。为了维持在航空工业的优势地位,美国和其它一些西方国家常年针对中国进行材料和技术封锁。英国的航空发动机巨头罗尔斯罗伊斯虽然在中国投资建厂,但是对中国员工层层设防,既便是当时已经在该公司工作了7年的宋阳,也从来没有机会接触其核心技术。

  “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。”当宋阳在上海立下这一志愿的时候,远在千里之外的西安,矿业公司董事长张政也拍板做了一个重要的决定——自己生产用于航空发动机的单晶涡轮叶片。