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(shè)成為科技強國、質(zhì)量強國、航天強國、網(wǎng)絡(luò)強國、交通強國、數(shù)字中國，而廣大科技人員也奮力走在實現(xiàn)這些宏偉目標的路上。

　　今天我們要關(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制造業(yè)中能發(fā)揮非常重要作用。

　　不斷打破國外壟斷 中國航空發(fā)動機關(guān)鍵零件國際領(lǐng)先

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

　　中國科學(xué)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(fā)動機基本定型。

　　十三五期間，我國啟動了航空發(fā)動機和燃氣輪機重大專項，航空工業(yè)持續(xù)發(fā)力，不斷縮小與國際一流發(fā)動機生產(chǎn)企業(yè)的差距。

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

　　單晶葉片處于航空發(fā)動機中溫度最高、應(yīng)力最復(fù)雜、環(huán)境最惡劣的部位，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)動機的性能。

　　在這臺1000公斤推力的發(fā)動機中心，核心部件就是眼前這60片單晶葉片。發(fā)動機將空氣進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)生猛烈的燃氣噴射流，推動這些葉片高速旋轉(zhuǎn)，讓看似單薄的零件迸發(fā)出驚人的動力，每一片葉片輸出的馬力都相當于一臺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(chǎn)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(shù)有限公司，我們見到了單晶葉片生產(chǎn)中最為關(guān)鍵的金屬—錸。這是人類發(fā)現(xiàn)最晚的天然元素，因為發(fā)現(xiàn)者是德國化學(xué)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，比鉆石更難以獲取。根據(jù)美國地質(zhì)調(diào)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(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，儲量達到176噸，約占全球儲量的7%，僅次于智利、美國、俄羅斯和哈薩克斯坦。近年來，隨著航空工業(yè)的發(fā)展，錸消費量的年均增長率為3%，雖然價格不菲，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 張政：我們原來最初的想法是把錸生產(chǎn)出來。交給國內(nèi)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，一直處于壟斷地位。由于錸可以廣泛應(yīng)用于噴氣式發(fā)動機和火箭發(fā)動機，全球約80%的錸用于生產(chǎn)航空發(fā)動機，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(shù)封鎖。

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

　　越是封鎖，就越說明航空發(fā)動機的戰(zhàn)略重要性，就越需要突破。礦業(yè)公司董事長張政拍板做了一個重要的決定：自己生產(chǎn)用于航空發(fā)動機的單晶渦輪葉片。

　　2012年7月，國務(wù)院印發(fā)《“十二五”國家戰(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)中的第一個項目，明確提出要突破航空發(fā)動機核心關(guān)鍵技術(shù)，加快推進航空發(fā)動機產(chǎn)業(yè)化。國家層面大力倡導(dǎo)，然而生產(chǎn)設(shè)備的采購卻面臨著巨大的困難——國外巨頭再次相對中國進行技術(shù)封鎖，生產(chǎn)設(shè)備中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)——熱處理爐因為西方國家的封鎖卡了殼。

　　幾大航空發(fā)動機生產(chǎn)公司所使用的，都是航空工業(yè)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(chǎn)這類設(shè)備的廠商根本無法將設(shè)備銷售給中國的企業(yè)，而國內(nèi)的企業(yè)也只能生產(chǎn)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(shè)備的結(jié)構(gòu)熱處理之后的效果差距是非常明顯的。

　　時間不等人，專家組另辟蹊徑，嘗試用電子行業(yè)的一級熱處理爐來替代傳統(tǒng)的航空工業(yè)一級熱處理爐。這種跨行業(yè)的混搭在航空發(fā)動機的生產(chǎn)領(lǐng)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象的，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(jīng)依然沒有絲毫放松。因為整條生產(chǎn)線依然還差一臺單晶澆鑄環(huán)節(jié)最重要的設(shè)備—單晶爐。幾經(jīng)輾轉(zhuǎn)，他們又找到英國一家單晶爐的供應(yīng)商，提出了定制化要求。

　　宋陽：剛開始的時候它對于一個中國的廠商能夠生產(chǎn)單晶葉片，他們更多是想賣一臺設(shè)備到中國來，但是并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(chǎn)品出爐，合格率一鳴驚人。這家專業(yè)的單晶爐制造商不由得對這位行業(yè)新入者另眼相看。

　　成都航宇超合金技術(shù)有限公司董事長張政：這個成品率高到這個爐子的生產(chǎn)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(yè)設(shè)備，實驗性開爐的第一爐產(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：我覺得中國這么多年的這個經(jīng)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斗，我們都能夠在這個領(lǐng)域取得突破。

　　0.5公斤零件撐起400公斤重量 中國航天器試水3D打印

　　為了突破西方對于中國的核心技術(shù)封鎖，中國的企業(yè)家、科學(xué)家大膽實踐、勇于創(chuàng)新，不僅是造出了被西方國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)備制造商德國斯棱曼公司與一家中國公司簽下了合作協(xié)議，與一家中國公司成立聯(lián)合應(yīng)用研發(fā)中心，將展開針對中國市場的應(yīng)用研發(fā)。

　　金屬材料的3D打印技術(shù)門檻高，難度大，附加值高，金屬3D打印的產(chǎn)值也占到了整個3D打印行業(yè)的80％以上。在金屬3D打印方面，西方國家的技術(shù)也長期領(lǐng)先于中國。而如今，金屬3D打印正在越來越多地出現(xiàn)在中國制造的高端裝備上，這讓世界領(lǐng)先的企業(yè)，也注意到了中國企業(yè)在這個方面取得的創(chuàng)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制的主要成果，這些航天器對于減少重量的要求，可謂是嚴苛之極，因為每增加一克的重量，就會給發(fā)射帶來很高的成本，并且會加大航天項目的復(fù)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(jié)構(gòu)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制造技術(shù)項目經(jīng)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(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)達到了減重的極限，但是工程技術(shù)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(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，只看見一臺臺3D打印的機器在忙碌地工作著。

　　這個金屬打印技術(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)過兩天時間，制造過程終于接近尾聲，技術(shù)人員小心翼翼地將“打印機”中多余的粉末掃去，一個結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜和精巧的鈦金屬立方體顯現(xiàn)出來。

　　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，它的冶金工藝非常的復(fù)雜，通過我們這次3D打印工藝，把這么難做的一個鈦合金，通過我們3D打印工藝，呈現(xiàn)出這樣一個輕量化的結(jié)構(gòu)來。

　　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)一個數(shù)字三維文件，在一個完全沒有任何材料的平面上，一點點逐層打印、添加材料，最終形成一個三維整體，這就是所謂的3D打印，也被稱為“增材制造”。

　　這樣一個邊長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(xiàn)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、船舶甚至航天器的重要零部件上，都可以見到金屬3D打印的身影。無論是飛機、船舶的發(fā)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(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，就可以吊起來一個體積不小的衛(wèi)星上的小零件。

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

　　3D打印作為一項前沿性的先進制造技術(shù)，已經(jīng)成為全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命的重要推動力。然而，多數(shù)的設(shè)備和工藝尚不成熟，還無法批量打出穩(wěn)定、耐用、高性能的工業(yè)品來，處在“模型制造”和實驗階段。但是這種情況正在發(fā)生變化，我國的金屬3D打印正在不斷地向尖端制造靠攏。

　　在鑫精合的廠房里，一個大型的鈦合金航天器零件，即將在這臺由中國民營企業(yè)自主研發(fā)的大型金屬3D打印機里誕生。

　　與小型的精密的金屬3D打印機的技術(shù)不同，大型的打印機采取了另一種不同的技術(shù)方式——同軸送粉工藝。而中國在這項技術(shù)上已經(jīng)走在了世界的先列。目前，能用3D打印技術(shù)制造出達到鍛造水平的金屬部件的國家，只有德國、美國、中國等少數(shù)幾個。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，組織細小，力學(xué)性能優(yōu)異，也具備了像鍛件一樣的高強度。

　　直徑4米的航天器部件拆分成6個2米左右的大零件，3D打印并加工后，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打印的方式，僅需要3-6個月。

　　張嘯雨：可能我們最快的在明年，或者是后年都會有發(fā)射的型號來去做這樣的一個嘗試。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)開始裝星，已經(jīng)開始做整星級的力學(xué)實驗。

　　當前，我國在創(chuàng)新能力建設(shè)方面持續(xù)發(fā)力，迎來了收獲果實的時節(jié)。中國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，加速前行的中國創(chuàng)新將會給我們帶來越來越多的驚喜。