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超燃!中国铌超级合金技术在航空航天领域飞速崛起
发布日期:2018-05-14
分类:最新公告

说起铌资源的蕴藏量,巴西是全世界当之无愧的第一。

 

铌在地壳中的含量为百万分之二十,在所有元素中排名第33位。

 

而铌的分布情况比较有趣,铌矿主要以烧绿石的形态出现:

 

90%以上的铌矿探明储量在巴西,另有7%的铌矿在加拿大,世界上其他国家和地区的总蕴藏量加起来只占3%。

 

而说起铌资源的消费量,世界上还没有哪个国家能够超过中国

 

全世界对铌资源的使用,有80%集中在含铌钢材领域。我国在1993年的钢材产量就达到了8868万吨,之后更是扶摇直上,稳居全球第一产钢大国的交椅。

 

从上世纪90年代中期到2018年,中国的钢铁产能稳步发展,而高端钢材的产能情况更是进步喜人。

 

 

航空

 

中国对铌的研究可以追溯到上世纪50年代。在1956年,中国的有色金属工程师用碳热还原法制成了铌烧结条。

 

4年后,在上世纪60年代,中国掌握了用铝热还原法制取高纯铌铁的技术。

 

 

 

在这个时代,包头钢铁厂和唐山钢铁厂开始尝试制备铌钢。宁夏和株洲的铌冶炼产业的萌芽和崛起为中国的铌工业提供了坚实的物质基础。

 

1962年,中国的第一根铌丝出厂。1963年,中国的第一块轧制铌板问世。紧接着,中国就启动了铌超导合金和铌75号合金研制的攻关。


 

 

 

 

公元1961年3月30日,中苏双方在莫斯科签订《关于给予中国带有К-13导弹的米格-21Ф型飞机的生产许可权、技术资料和关于生产带有К-13导弹的米格-21Ф型飞机方面给予中国技术援助的协定》。

 

协议规定,苏联在不附加任何条件的情况下,向中国颁发米格-21F-13战斗机、R-11F-300涡轮喷气发动机、К-13空对空导弹的生产许可证。

 

 

 

也就是说,自1961年开始,苏联方面提供技术、图纸和零件,准备在中国国内制造米格-21F-13战斗机。

 

不久,1架米格-21F-13的整机,2台图曼斯基设计局的R-11F涡轮喷气发动机来到中国。

 

一并前来的,还有可供组装为15架米格-21F战斗机的散件。

 

 

 

图曼斯基设计局的R-11涡喷发动机是苏联首款轴流式双转子涡喷发动机,拥有令当时全世界工程师惊慕的压气机设计。

 

随着苏-15战斗机的列装和米格-21/歼-7系列战斗机的巨大成功,该型发动机的产量达到了令人咋舌和赞叹的20900台!

 

而对图曼斯基设计局的R-11涡喷发动机的仿制则正式开启了中国在含铌镍基高温合金领域的发展之路。

 

 

按图曼斯基设计局的设计,R-11涡喷发动机为双转子结构,拥有6级压气机和2级涡轮。低压压气机的转子轴从高压转子轴的内侧穿过。

 

 

图曼斯基设计局的R-11涡喷发动机的燃烧室火焰筒采用气膜冷却,内壁和外壁都有一层专门的高温陶瓷。

 

图曼斯基设计局的R-11涡喷发动机的涡轮前温度达到了955℃。这在当时对我国加工工艺学和材料学的挑战是巨大的。

 

我国在仿制的过程中,铌产业刚刚起步,在1965年,有关铌合金的研究都还比较少,更何况大量生产了。因此,早期中国仿制的R-11涡喷发动机的高温合金毛坯材料全部从苏联进口。

 

但是,工程师们很快就发现,苏联毛坯材料的锻造晶粒太大,材料容易出现裂纹。在我国当时的机械加工水平条件下,生产涡喷发动机涡轮叶片的废品率高达52%。

 

 

 

于是,在1965年,我国发动大量科研部门,采用工业部门和高校相互合作的方式,硬是研制出了中国的高温合金GH46,一举解决了涡轮叶片的问题。

 

另外,我国工程师还摸索出了更加适合高温材料的一套加工工艺,摆脱了对繁杂切削工艺的依赖。

 

在仿制图曼斯基设计局R-11涡喷发动机的过程中,中国研制出了26种高温合金和高温涂层材料,创制了46项新的加工工艺。

 

在缺乏苏联后续支持的情况下,中国工程师用7个月研制了发动机试车台。

 

 

在试车过程中,中国工程师发现了图曼斯基设计局R-11发动机压气机叶片的颤振现象。通过大量计算和测试,决定将1级压气机的叶片数量从31片减少为24片。

 

在后来的试车中,工程师又发现了易停车的现象。经分析,是某轴承在高温情况下出现了抱轴的现象。

 

在齐齐哈尔炼钢厂和其他科研院所的合作下,一种专门用于航空发动机轴承的高温合金GH33A诞生。

 

由此,中国的高温合金开始逐渐形成体系。

 

 

 

航天

 

1978年,中国工程师为某型火箭发动机专门攻关研制的火箭发动机喷管喉衬材料取得重大突破。其样品在地面点火试车中表现喜人。

 

如今,中国国产GH738、GH909、GH4169,、GH690、GH145、GH4199等高温合金能够用在飞机发动机和火箭发动机的很多零部件上。

 

锻制的GH4169合金用来制造发动机盘件、环件、轴件、紧固件和板材,甚至整个机匣。

 

中国的GH4169含铌镍基高温合金与美国的Inconel718超级合金和法国的NC19FeNb超级合金性能相当。

 

 

 

有关Inconel718超级合金详见小火箭的公号文章《小火箭 | 铌:火箭导弹与飞机发动机的关键材料》。

 

 

公元2018年春节前后,中国的蓝箭空间科技发力了。

 

中国首台由民营企业研制的液氧甲烷火箭发动机连续进行了3次点火。

 

10吨级缩比推力室的成功点火标志着这款代表中国商业航天企业技术实力的中国火箭发动机向着整机热试车迈出了坚实的一步。

 

上图为该型发动机推力室的第一次点火。

 

 

这是该发动机推力的第2次点火。

 

 

这是蓝箭火箭发动机推力室的第3次点火。

 

通过这3次点火,蓝箭液氧甲烷发动机的针栓喷注器的阻塞比、越程比、动量比等设计参数得到了验证。

 

 

 

在推力室魅惑绚丽的火焰背后,是中国工程师的强大设计能力,同时也有着中国含铌镍基高温合金产业的巨大支持。

 

蓝箭这款发动机大量应用了GH4169含铌镍基高温合金。这种与美国的Inconel718超级合金和法国的NC19FeNb超级合金性能相当的高温合金为整台火箭发动机的优异性能提供了保障。

 

中国商业航天产业的崛起,离不开资本和技术的推动,更离不开从废墟中站起来,励精图治,终于拥有了完备的工业基础和世界领先的研发实力的我们的祖国!

本文转载自小火箭的《

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