未來(lái)的中國(guó)將要建設(shè)成為科技強(qiáng)國(guó)、質(zhì)量強(qiáng)國(guó)、航天強(qiáng)國(guó)、網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國(guó)、交通強(qiáng)國(guó)、數(shù)字中國(guó)，而廣大科技人員也奮力走在實(shí)現(xiàn)這些宏偉目標(biāo)的路上。
今天的節(jié)目我們要關(guān)注一種叫做錸的金屬。這種金屬很稀缺，每年全世界的產(chǎn)量?jī)H僅只有40多噸，它非常昂貴，價(jià)格與白金的價(jià)格相仿。它之所以?xún)r(jià)值連城，還因?yàn)樗诤娇蘸蛧?guó)防制造業(yè)中能發(fā)揮非常重要作用。
不斷打破國(guó)外壟斷 中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零件國(guó)際領(lǐng)先
在河北廊坊科技園，一款為無(wú)人機(jī)和商務(wù)機(jī)而設(shè)計(jì)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)正在進(jìn)行150小時(shí)試車(chē)，考核發(fā)動(dòng)機(jī)在各種狀態(tài)下技術(shù)性能和可靠性及壽命等綜合指標(biāo)。
中國(guó)科學(xué)院工程熱物理所所長(zhǎng)朱俊強(qiáng)：150小時(shí)做完了，首飛保證就沒(méi)問(wèn)題了，可以到不同高度進(jìn)行試飛了，這個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)基本定型。
十三五期間，我國(guó)啟動(dòng)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)重大專(zhuān)項(xiàng)，航空工業(yè)持續(xù)發(fā)力，不斷縮小與國(guó)際一流發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)的差距。
中國(guó)科學(xué)院工程熱物理所輕型動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室實(shí)任徐綱：這一款渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)它的耗油率、壽命指標(biāo)都達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，國(guó)內(nèi)也是個(gè)空白，所有的零件都是自主設(shè)計(jì)、自主生產(chǎn)，尤其是像里面的高溫的單晶渦輪葉片，實(shí)際上就是可以說(shuō)發(fā)動(dòng)機(jī)里面加工的難點(diǎn)中的難點(diǎn)。
單晶葉片處于航空發(fā)動(dòng)機(jī)中溫度最高、應(yīng)力最復(fù)雜、環(huán)境最?lèi)毫拥牟课?，是航空產(chǎn)品第一關(guān)鍵零件，它的鑄造工藝直接決定了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。
在這臺(tái)1000公斤推力的發(fā)動(dòng)機(jī)中心，核心部件就是眼前這60片單晶葉片。發(fā)動(dòng)機(jī)將空氣進(jìn)行壓縮之后壓入燃燒室，在有限的空間內(nèi)和燃料發(fā)生劇烈燃燒，產(chǎn)生猛烈的燃?xì)鈬娚淞?，推?dòng)這些葉片高速旋轉(zhuǎn)，讓看似單薄的零件迸發(fā)出驚人的動(dòng)力，每一片葉片輸出的馬力都相當(dāng)于一臺(tái)2.0排量的SUV汽車(chē)，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(chǎn)單晶葉片，就一定離不開(kāi)一種珍貴的稀有金屬-錸。
在成都航宇超合金技術(shù)有限公司，我們見(jiàn)到了單晶葉片生產(chǎn)中最為關(guān)鍵的金屬—錸。這是人類(lèi)發(fā)現(xiàn)最晚的天然元素，因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)者是德國(guó)化學(xué)家，因此以萊茵河的名稱(chēng)命名為錸。它在地殼中的含量比所有的稀土元素都小，比鉆石更難以獲取。根據(jù)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局的報(bào)告，全球探明的錸儲(chǔ)量?jī)H為2500噸左右。錸的價(jià)格跟白金的價(jià)格相仿，一克大概需要兩三百塊錢(qián)。
能夠提純錸金屬的，是成都航宇超合金技術(shù)有限公司的母公司，這是一家上市的礦業(yè)公司。2010年，這家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。近年來(lái)，隨著航空工業(yè)的發(fā)展，錸消費(fèi)量的年均增長(zhǎng)率為3%，雖然價(jià)格不菲，卻一直處于供不應(yīng)求的狀態(tài)。
成都航宇超合金技術(shù)有限公司董事長(zhǎng) 張政：我們?cè)瓉?lái)最初的想法是把錸生產(chǎn)出來(lái)。交給國(guó)內(nèi)的用戶(hù)。我們每年增加我們的收益，對(duì)上市公司就是一個(gè)很好的幫助。
美國(guó)是最大的錸金屬消費(fèi)國(guó)，控制著全球銷(xiāo)售市場(chǎng)，一直處于壟斷地位。由于錸可以廣泛應(yīng)用于噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，全球約80%的錸用于生產(chǎn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)，其在軍事戰(zhàn)略上有重要意義。為了維持在航空工業(yè)的優(yōu)勢(shì)地位，美國(guó)和其它一些西方國(guó)家常年針對(duì)中國(guó)進(jìn)行材料和技術(shù)封鎖。
成都航宇超合金技術(shù)有限公司副總經(jīng)理 宋陽(yáng)：它有一些區(qū)域是限制中國(guó)人進(jìn)入的，他們不希望這樣的一些技術(shù)機(jī)密，或者是技術(shù)信息被中國(guó)所了解和掌握。
越是封鎖，就越說(shuō)明航空發(fā)動(dòng)機(jī)的戰(zhàn)略重要性，就越需要突破。礦業(yè)公司董事長(zhǎng)張政拍板做了一個(gè)重要的決定：自己生產(chǎn)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的單晶渦輪葉片。
2012年7月，國(guó)務(wù)院印發(fā)《“十二五”國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，將航空裝備產(chǎn)業(yè)列為高端裝備制造產(chǎn)業(yè)中的第一個(gè)項(xiàng)目，明確提出要突破航空發(fā)動(dòng)機(jī)核心關(guān)鍵技術(shù)，加快推進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)化。國(guó)家層面大力倡導(dǎo)，然而生產(chǎn)設(shè)備的采購(gòu)卻面臨著巨大的困難——國(guó)外巨頭再次相對(duì)中國(guó)進(jìn)行技術(shù)封鎖，生產(chǎn)設(shè)備中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)——熱處理爐因?yàn)槲鞣絿?guó)家的封鎖卡了殼。
幾大航空發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)公司所使用的，都是航空工業(yè)專(zhuān)用的一級(jí)熱處理爐。但是因?yàn)槲鞣絿?guó)家的嚴(yán)密封鎖，能夠生產(chǎn)這類(lèi)設(shè)備的廠商根本無(wú)法將設(shè)備銷(xiāo)售給中國(guó)的企業(yè)，而國(guó)內(nèi)的企業(yè)也只能生產(chǎn)二級(jí)爐。
宋陽(yáng)：二級(jí)爐，就是溫度差正負(fù)5度，從正負(fù)3到正負(fù)5度，這一點(diǎn)點(diǎn)的差距，設(shè)備的結(jié)構(gòu)熱處理之后的效果差距是非常明顯的。
時(shí)間不等人，專(zhuān)家組另辟蹊徑，嘗試用電子行業(yè)的一級(jí)熱處理爐來(lái)替代傳統(tǒng)的航空工業(yè)一級(jí)熱處理爐。這種跨行業(yè)的混搭在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)領(lǐng)域是一個(gè)前所未有的大膽嘗試，成功與否誰(shuí)都沒(méi)有把握，幸運(yùn)的是這個(gè)爐子比原來(lái)想象的，正負(fù)3度的偏差更低，它正負(fù)只偏差了2.1度，這幾乎是比一級(jí)爐還要精密。
解決好了熱處理爐的問(wèn)題，但他們緊繃的神經(jīng)依然沒(méi)有絲毫放松。因?yàn)檎麠l生產(chǎn)線(xiàn)依然還差一臺(tái)單晶澆鑄環(huán)節(jié)最重要的設(shè)備—單晶爐。幾經(jīng)輾轉(zhuǎn)，他們又找到英國(guó)一家單晶爐的供應(yīng)商，提出了定制化要求。
宋陽(yáng)：剛開(kāi)始的時(shí)候它對(duì)于一個(gè)中國(guó)的廠商能夠生產(chǎn)單晶葉片，他們更多是想賣(mài)一臺(tái)設(shè)備到中國(guó)來(lái)，但是并沒(méi)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(chǎn)品出爐，合格率一鳴驚人。這家專(zhuān)業(yè)的單晶爐制造商不由得對(duì)這位行業(yè)新入者另眼相看。
成都航宇超合金技術(shù)有限公司董事長(zhǎng)張政：這個(gè)成品率高到這個(gè)爐子的生產(chǎn)商都很高興，他專(zhuān)門(mén)飛過(guò)來(lái)跟我們慶祝了一次，他做了幾十年的這個(gè)專(zhuān)業(yè)設(shè)備，實(shí)驗(yàn)性開(kāi)爐的第一爐產(chǎn)品，做到全球最高的成品率。
成都航宇超合金技術(shù)有限公司副總經(jīng)理宋陽(yáng)：我覺(jué)得中國(guó)這么多年的這個(gè)經(jīng)驗(yàn)，凡是國(guó)外對(duì)中國(guó)進(jìn)行封鎖的，靠著我們自己的自力更生艱苦奮斗，我們都能夠在這個(gè)領(lǐng)域取得突破。
0.5公斤零件撐起400公斤重量 中國(guó)航天器試水3D打印
為了突破西方對(duì)于中國(guó)的核心技術(shù)封鎖，中國(guó)的企業(yè)家、科學(xué)家大膽實(shí)踐、勇于創(chuàng)新，不僅是造出了被西方國(guó)家壟斷的錸金屬核心部件，還創(chuàng)造出了新的金屬制造方式。
2017年9月20日，世界頂尖的金屬3D打印設(shè)備制造商德國(guó)斯棱曼公司與一家中國(guó)公司簽下了合作協(xié)議，與一家中國(guó)公司成立聯(lián)合應(yīng)用研發(fā)中心，將展開(kāi)針對(duì)中國(guó)市場(chǎng)的應(yīng)用研發(fā)。
金屬材料的3D打印技術(shù)門(mén)檻高，難度大，附加值高，金屬3D打印的產(chǎn)值也占到了整個(gè)３D打印行業(yè)的８０％以上。在金屬3D打印方面，西方國(guó)家的技術(shù)也長(zhǎng)期領(lǐng)先于中國(guó)。而如今，金屬3D打印正在越來(lái)越多地出現(xiàn)在中國(guó)制造的高端裝備上，這讓世界領(lǐng)先的企業(yè)，也注意到了中國(guó)企業(yè)在這個(gè)方面取得的創(chuàng)新和成就。
中國(guó)航天科技集團(tuán)五院的展廳，濃縮了中國(guó)空間飛行器研制的主要成果，這些航天器對(duì)于減少重量的要求，可謂是嚴(yán)苛之極，因?yàn)槊吭黾右豢说闹亓?，就?huì)給發(fā)射帶來(lái)很高的成本，并且會(huì)加大航天項(xiàng)目的復(fù)雜性，甚至直接影響到整個(gè)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(jié)構(gòu)上想了任何可能的辦法。
中國(guó)航天科技集團(tuán)五院總體部增材制造技術(shù)項(xiàng)目經(jīng)理張嘯雨：這個(gè)就是我們目前工程上最輕的材料，叫蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)里面全部是蜂窩，然后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(gè)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(jié)構(gòu)，這幾乎已經(jīng)達(dá)到了減重的極限，但是工程技術(shù)人員對(duì)此還是不滿(mǎn)意，他們希望重量再降低一些?？墒?，如何才能實(shí)現(xiàn)新的突破呢？
位于北京市昌平區(qū)的一間廠房，正在生產(chǎn)著鈦合金、鋁合金、不銹鋼等多種金屬的零部件。但是與其它的冶金廠房不同，在這里，記者看不到金屬鍛造的大型設(shè)備，也看不到很多的技術(shù)工人操作，只看見(jiàn)一臺(tái)臺(tái)3D打印的機(jī)器在忙碌地工作著。
這個(gè)金屬打印技術(shù)叫激光選區(qū)熔化，使用激光照射預(yù)先鋪展好的金屬粉末，使其成形固定。
經(jīng)過(guò)兩天時(shí)間，制造過(guò)程終于接近尾聲，技術(shù)人員小心翼翼地將“打印機(jī)”中多余的粉末掃去，一個(gè)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜和精巧的鈦金屬立方體顯現(xiàn)出來(lái)。
鑫精合激光科技發(fā)展有限公司副總經(jīng)理孫峰：鈦合金在我們冶金行業(yè)，是一種非常難成形的一種材料牌號(hào)，它的冶金工藝非常的復(fù)雜，通過(guò)我們這次3D打印工藝，把這么難做的一個(gè)鈦合金，通過(guò)我們3D打印工藝，呈現(xiàn)出這樣一個(gè)輕量化的結(jié)構(gòu)來(lái)。
在制造業(yè)中，傳統(tǒng)制造的方式是 “減材制造”，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打印則恰恰相反，它是根據(jù)一個(gè)數(shù)字三維文件，在一個(gè)完全沒(méi)有任何材料的平面上，一點(diǎn)點(diǎn)逐層打印、添加材料，最終形成一個(gè)三維整體，這就是所謂的3D打印，也被稱(chēng)為“增材制造”。
這樣一個(gè)邊長(zhǎng)20厘米左右的立方體，如果用傳統(tǒng)的金屬鑄造工藝制造，重量至少要在5公斤以上，而這個(gè)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(qiáng)度。孫峰現(xiàn)場(chǎng)給我們做了一個(gè)演示。
將近100公斤的孫峰，整個(gè)人站在這個(gè)立方體上都沒(méi)有問(wèn)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(guó)很多飛機(jī)、船舶甚至航天器的重要零部件上，都可以見(jiàn)到金屬3D打印的身影。無(wú)論是飛機(jī)、船舶的發(fā)動(dòng)機(jī)、零部件，還是運(yùn)載火箭、空間航天飛行器、無(wú)人機(jī)等航空航天設(shè)備，金屬3D打印部件正在悄悄地取代著傳統(tǒng)制造的零件，并給航空航天等高端制造提供了更多的可能。航天器上很多大大小小的零件，都可以用這種結(jié)構(gòu)來(lái)替代原有的較為笨重的金屬。甚至一根頭發(fā)絲，就可以吊起來(lái)一個(gè)體積不小的衛(wèi)星上的小零件。
孫峰：它的輕量化效果非常的好，整個(gè)零件它的減重達(dá)到了30%以上，它給咱們整個(gè)火箭發(fā)射這一塊，成本節(jié)約了幾百萬(wàn)，甚至上千萬(wàn)人民幣的一個(gè)效果。我們傳統(tǒng)制造業(yè)來(lái)說(shuō)，制造一顆衛(wèi)星它可能需要幾個(gè)月甚至幾年的時(shí)間，通過(guò)我們3D打印工藝實(shí)現(xiàn)整個(gè)衛(wèi)星的機(jī)構(gòu)，可能只需要十幾天的時(shí)間，一顆小的衛(wèi)星可以打出來(lái)。
3D打印作為一項(xiàng)前沿性的先進(jìn)制造技術(shù)，已經(jīng)成為全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命的重要推動(dòng)力。然而，多數(shù)的設(shè)備和工藝尚不成熟，還無(wú)法批量打出穩(wěn)定、耐用、高性能的工業(yè)品來(lái)，處在“模型制造”和實(shí)驗(yàn)階段。但是這種情況正在發(fā)生變化，我國(guó)的金屬３D打印正在不斷地向尖端制造靠攏。
在鑫精合的廠房里，一個(gè)大型的鈦合金航天器零件，即將在這臺(tái)由中國(guó)民營(yíng)企業(yè)自主研發(fā)的大型金屬3D打印機(jī)里誕生。
與小型的精密的金屬3D打印機(jī)的技術(shù)不同，大型的打印機(jī)采取了另一種不同的技術(shù)方式——同軸送粉工藝。而中國(guó)在這項(xiàng)技術(shù)上已經(jīng)走在了世界的先列。目前，能用3D打印技術(shù)制造出達(dá)到鍛造水平的金屬部件的國(guó)家，只有德國(guó)、美國(guó)、中國(guó)等少數(shù)幾個(gè)。而鑫精合批量制造大型鈦金屬結(jié)構(gòu)件的能力已經(jīng)在國(guó)際領(lǐng)先。
這種激光“打印”金屬粉末的工藝，使得金屬材料冷卻凝固速度極快，組織細(xì)小，力學(xué)性能優(yōu)異，也具備了像鍛件一樣的高強(qiáng)度。
直徑4米的航天器部件拆分成6個(gè)2米左右的大零件，3D打印并加工后，再進(jìn)行整體焊接。在過(guò)去，這樣巨大的金屬件從開(kāi)模具到鍛造，再到機(jī)械加工，是個(gè)非常浩大的工程，通常需要一年時(shí)間才能完成，而用3D打印的方式，僅需要3-6個(gè)月。
張嘯雨：可能我們最快的在明年，或者是后年都會(huì)有發(fā)射的型號(hào)來(lái)去做這樣的一個(gè)嘗試。我們大概現(xiàn)在有60件到100件的產(chǎn)品已經(jīng)是在完成了制造，而且已經(jīng)開(kāi)始裝星，已經(jīng)開(kāi)始做整星級(jí)的力學(xué)實(shí)驗(yàn)。
半小時(shí)觀察：中國(guó)創(chuàng)新將給我們帶來(lái)更多驚喜
習(xí)近平總書(shū)記在十九大報(bào)告中指出：創(chuàng)新是引領(lǐng)發(fā)展的第一動(dòng)力，是建設(shè)現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)體系的戰(zhàn)略支撐。我們要瞄準(zhǔn)世界科技前沿，強(qiáng)化基礎(chǔ)研究，實(shí)現(xiàn)前瞻性基礎(chǔ)研究、引領(lǐng)性原創(chuàng)成果重大突破。當(dāng)前，我國(guó)在創(chuàng)新能力建設(shè)方面持續(xù)發(fā)力，迎來(lái)了收獲果實(shí)的時(shí)節(jié)。中國(guó)科技整體能力正從以跟蹤為主到跟蹤和并跑、領(lǐng)跑并存的新階段，我們相信，加速前行的中國(guó)創(chuàng)新將會(huì)給我們帶來(lái)越來(lái)越多的驚喜。
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