大國制造—近年我國突破的這些卡脖子技術

過去，國內很多高精尖端裝備嚴重依賴進口，同時也受制于西方歐美發達國家。但經過十多年的大力發展，雖然在芯片、光刻機、半導體等尖端領域距離歐美、日本等發達國家還有很大差距，但在其他很多重大領域，我國已經能夠制備出國際領先的大型國之裝備。下面筆者將盤點幾項我國科學家近年來突破的幾項關鍵技術。

1.西工大滑撲一體仿蝠鲼柔體潛水器技術及應用

海洋資源的開發對一個國家至關重要，是每個國家的戰略規劃。我國是海洋大國，更好地進行海洋數據采集、海洋資源利用，更好地保障海洋權益，需要進行高端水下航行器尖端科技研究。長期以來，水下滑行器存在難以同時兼顧工作時長與機動性、隱蔽性差、對海洋生態擾動大等短板，這些短板嚴重限制了水下航行器的深入化應用。尤其是已有水下航行器對海洋生物不具友好性，當它們受到干擾之后，將會自動遠離探測區域，對數據采集造成困難。在加快建設海洋強國的大背景下，西北工業大學自主水下航行器團隊瞄準卡脖子難題，先后自主研發了6型仿生水下航行器工程樣機，如圖1所示，最具代表性的則為“魔鬼魚”。從游進西工大的游泳池到游入南海深處，“魔鬼魚”（仿蝠鲼柔體潛水器）迅速長大。2021年，它還曾代表科技部參加了國家“十三五”科技創新成就展，引發社會廣泛關注。 “魔鬼魚”還在海洋館水域內和魚群進行了“親密互動”，并完成了近底面游動、垂直爬升等高機動動作！

根據西工大官網的透露，西工大“魔鬼魚”的研制突破了以下5項重大技術，整體領先國際，榮獲2022年度中國造船工程學會項目榮獲技術發明特等獎，這也是學會歷史上的首個技術發明特等獎！

(1) 國際首創滑撲一體仿蝠鲼柔體潛水器：解決了潛水器遠航程、長航時與高機動兼顧的難題。

(2) 仿生外形優化設計與大變形流固耦合仿真技術：仿蝠鲼外形相似度達到90%以上

（3）飛翼滑翔與仿生撲翼推進一體化技術：實現了弓形滑翔回轉角速度15%（傳統飛翼滑翔機襟翼轉彎角速度的10倍）、撲動原位回轉角速度60°。

（4）滑撲多模態協調運動與環境親和控制技術：仿蝠鲼潛水器滑撲順滑切換時間小于0.5s、運動相似度超過90%。

（5）大深度柔性電池技術：能量密度達到354Wh/L，8萬次彎折后容量保持率超過90%，整體電量相比原來提升10%。

圖1 西工大6型仿生水下航行器工程樣機^[1]

2.金屬所李殿中團隊突破盾構機軸承

在基建過程中，穿山越嶺，過江跨海的主要任務由盾構機承擔。早年間，盾構機還不能國產，我國需要花高價購買。待國產化后，盾構機直接被打到地板價。然而我國已實現盾構機的國產化，但其核心部件—主軸承卻長期依賴進口。主軸承是盾構機刀盤驅動系統的核心關鍵部件，盾構機掘進過程中，主軸承“手持”刀盤旋轉切削掌子面并為刀盤提供旋轉支撐。我國盾構機用超大直徑主軸承制造未能解決的主要原因在于：（1) 制造軸承的材料和大型滾子的加工精度不過關； (2）全流程技術鏈條不貫通。制備主軸承的材料必須具有高純凈、高均質、高強韌、高耐磨的特點。中國科學院金屬研究所李依依院士和李殿中研究員團隊歷經十多年的研究，開發出“低氧稀土鋼”關鍵技術^[2]。有效解決了稀土軸承鋼工業生產時遭遇的澆口嚴重堵塞的問題及加入稀土元素性能不穩定的問題。通過控制氧含量，團隊制備出性能優越、穩定性好的低氧稀土鋼，其拉壓疲勞壽命提高40多倍，滾動接觸疲勞壽命提升40%。同時，聯合國內相關合作企業，攻克了主軸承高精度加工和精度保持性難題。通過將精密加工技術和低氧稀土鋼相結合，成果制備出8.01米主軸承，如圖2所示，各項指標達到同類進口主軸承的先進水平，其中部分指標處于國際領先水平，能夠滿足超大直徑盾構機應用需求。

圖2 國產直徑8.01米盾構機主軸承^[3]

3. 西工大突破翼身融合關鍵技術

傳統的飛機主要由機身、機翼、尾翼和發動機等部件構成，這些結構之間存在明顯的界限，不能將空氣動力效率有效發揮。經過幾十年的模擬優化，這種傳統布局飛機的空氣動力效率已接近極限，難以再繼續提高。為此，翼身融合布局民機的設計技術，多年來成為國際航空界爭相研究的領域，誰掌握了這一先進技術，誰就在未來的民機領域具有發言權。西工大牽頭的國內“翼身融合民機技術研究團隊” 突破了翼身融合布局關鍵技術，自主設計了NPU- 300飛機，在翼身融合布局民機設計技術方面取得重大原創性研究成果。其部分核心技術指標達到國際領先水平。如圖3所示，將機身和機翼融為一體的NPU-300飛機極具流線感的外形設計，使得該型飛機在空氣中具有傳統飛機所不能企及的飛行性能。與傳統飛機相比較，氣動效率高、結構重量輕、裝載空間大，不但節能環保，還能有效降低噪音和發動機有害氣體排放。2019年10月24日，西工大在官網上發布了NPU- 300翼身融合飛機設計取得重大突破的新聞，引發國內外相關機構的高度關注。2023年1月30日，西工大官宣西工大翼身融合飛機在無人機試驗測試中心試飛成功，完成了翼身融合民機技術研究從概念研究到技術驗證的關鍵一步，是翼身融合民機技術研究的重要里程碑節點。

圖3 NPU- 300翼身融合設計概念圖^[4]

4. 大飛機材料研制取得突出進展

一代飛機，一代材料，2023年6月，C919順利完成首個商業航班飛行、正式進入民航市場，開啟常態化商業運行。這一消息讓國人沸騰，經過艱苦卓絕的努力，我國終于迎來了自己的大飛機。大飛機的機身，機翼，發動機等都需要過關的材料支撐，沒有材料上的突破，制備技術高度復雜的大飛機是不可能完成的，下面筆者盤點我國在大飛機研制過程中突破的關鍵材料。

圖4 C919大飛機

4.1 西南鋁突破7050鋁合金厚板制備技術

國際第三代先進鋁合金—7050鋁合金厚板，廣泛應用于飛機機翼梁、肋、機身框、壁板等關鍵承力部件的制造，是不可或缺的關鍵性材料，被稱為“行業內最難鑄造的鋁合金之一”，如果鑄造參數控制不好，7050鋁合金非常容易裂開，造成嚴重的資源浪費，此前我國還不能自主生產。7050鋁合金厚板的關鍵生產技術，一直被發達國家視為核心技術秘密，嚴加封鎖，要想在C919大飛機上使用這一材料，只能自主研發。為此，中鋁集團西南鋁業（集團）有限責任公司突破大規格鑄錠制備、強變形軋制、強韌化熱處理及殘余應力控制等一系列關鍵技術。成功實現了7050鋁合金厚板的國產化，為C919大飛機提供了 30 個規格、600 余件鋁合金鍛件，試制成功旅客觀察窗窗框和起落架輪轂精密模鍛件^[5]。7050鋁合金的圖片具有戰略性意義，不僅可以使用在民機上，在軍工設備上也可廣泛應用。

圖5 7050鋁合金板的顯微組織^[6]

4.2 寶鈦集團，西部超導突破鈦合金制備技術

在相同體積的情況下，鈦合金的質量遠低于鋼鐵，且具備優異的力學性能。對以克為單位實現的減重的飛機行業來說，選擇鈦合金的優勢無與倫比。使用鈦合金作為建造材料的飛行器，減重明顯，飛行能力和靈活性以及續航能力得到明顯的提升，而且在節能方面也有著很明顯的優勢。C919整體大約需要10%左右的鈦合金，比美國的波音飛機還要高3%左右。作為國內優秀的鈦合金生產單位，寶鈦集團國際先進水平的技術標準和質量體系，獲得通過了美國波音公司，法國宇航公司，空中客車公司，英國羅羅公司，歐洲宇航工業協會和美國RMI等多家國際知名公司的質量體系和產品認證。C919飛機同樣將寶鈦集團作為主要供應商。先后承擔了國家Ti-3Al-2.5V（TA18）管材、β熱處理的Ti-6Al-4VEIL厚板、β處理 的 Ti-6Al-4V 合金型材、TB5 板材工程化研制四個型號用材料研制任務，為首架 C919 飛機提供了多種規格的鈦合金棒材、厚板和薄板材料^[7]。

西部超導公司主要從事高端鈦合金材料、超導產品和高性能高溫合金材料的研發、生產。已經通過了商飛公司Ti-6Al4V 鈦合金材料的資質認證，未來將逐步實現產品批量交付^[8]。

4.3復合材料

中航高科是國內航空碳纖維龍頭企業，下屬航空工業復材深度參與國產大飛機預浸料研制，2018 年年報披露其生產的 C919 用國產預浸料完成首批交付，實現了此領域國產材料零的突破^[9]。

博云新材與霍尼韋爾合資，為 C919 供應碳/碳復合材料機輪剎車系統。C919 大飛機的機輪剎車系統涉及碳/碳復合材料及高溫合金的生產與制造^[8]。

4.4 3D打印材料

作為一種新興技術，3D打印徹底改變了結構件的制備方式，通過合理的程序設計，再復雜的材料都可通過3D打印技術制備，為零部件的加工提供了新的技術途徑，也為中國的航空制造打開了一扇新窗。西北工業大學教授黃衛東教授團隊經過艱苦探索，利用3D打印技術C919中央翼緣條，尺寸3.07米，重量196千克。該中央翼緣條通過了各種嚴格的力學測試，力學性能好于傳統鑄造零部件。中央翼緣條的成功試制貢獻巨大，傳統工藝6個月才能完成的制造工作，用金屬3D打印技術耗時僅僅5天，并且一次成形，一次成功，金屬原料鈦合金涂層粉末，更是幾乎沒有半點浪費。殲20總師楊偉得到這一消息后，也到現場進行了參觀，注視良久并為其點贊^[10]。根據西工大官網透露，由黃衛東教授牽頭組建的西安鉑力特公司得到了歐洲空中客車公司的青睞，并簽署了相關協議，成為空客亞洲區唯一的金屬增材制造合格供應商。另外，西安鉑力特公司還利用3D打印公司成功生產了航空發動機葉片以及鈦合金鏤空點陣結構等復雜結構件。

圖9具有自主知識產權的“金屬3D打印”技術和設備，打印出的C919中央翼緣條

C919機頭主風擋窗框尺寸大、形狀復雜，國內飛機制造廠的傳統方法無法制作。歐洲有一家公司可以使用傳統方法進行制備，但是生產周期長，價格高昂，制備過程損耗嚴重，僅每件模具費就要50萬美元，如果再加上后續的鍛成形等機加工工藝，一個機頭主風擋窗框所需的成本巨大，而且歐洲那邊公司每兩年才能供貨一次，嚴重扯了C919研制的后腿。2009年，王華明團隊利用3D打印技術，耗時55天做出了C919機頭鈦合金主風擋整體窗框，成本不足歐洲鍛造模具費的十分之一。北京航空航天大學前沿科學技術創新研究院教授王華明帶領團隊利用3D打印技術做出了C919機頭鈦合金主風擋整體窗框^[11]。

5. 北科大開發高強韌抗氫脆鋼

氫脆是一種由材料、環境和應力相互作用而引發的脆化現象，每年造成了大量鋼材的報廢。工程上采用的除氫手段分為兩種：（1）原材料把控、鋼液真空脫氣；(2) 堆垛緩冷等工藝。這些方法僅能在一定程度上解決內部氫脆問題。然而，高強鋼在服役過程中受到氫的侵入引起的外部氫脆問題，最終仍會帶來嚴重危害。

來自北科大數理學院的龐曉露老師團隊從基礎研究開始，理論上得到了抑制氫脆的關鍵途徑，并將其應用在工業生產上，實現了理論與工程的完美結合。首先他們揭示了納米相作為深氫陷阱的物理本質是半共格界面的失配位錯，從機理上解決了高強韌鋼氫致開裂的科學難題，為提升高強韌鋼的抗氫脆性能提供了理論依據和工程實踐方法。然后，他們通過控制合金成分及含量，掌握了構筑納米相和鐵基體半共格界面作為深氫陷阱的關鍵技術，從而提升了高強韌鋼的抗氫脆性能。該項技術已經實現了工程化應用，項目組開發出重載火車車輪鋼、彈簧鋼與海洋裝備用鋼等系列高強韌抗氫鋼，氫脆敏感性降低50%以上，已在馬鋼、方大特鋼、舞陽鋼鐵、西王特鋼等單位批量生產應用^[12]。

圖4 ?該項目主要研究方案^[12]

6. 重慶大學試制出鎂合金超大汽車壓鑄結構件

眾所周知，我國是鎂資源大國，占世界鎂資源的70%以上，也是鎂材料與制品研發和生產大國。作為一種比鋁合金還要輕的金屬，將其高強高韌化，并制備出合格的大型結構件將推動節能減排，從而更好地保護環境。

近日，重慶大學發布消息，重慶大學國家鎂中心和高端裝備鑄造技術全國重點實驗室與相關企業聯合開發，攻克了多個技術瓶頸，突破了高流動性高性能壓鑄鎂合金設計、大體積鎂合金熔體純凈化、鎂合金結構件結構設計與壓鑄工藝優化、壓鑄缺陷預測與控制等多項關鍵技術，保證了高品質超大型鎂合金結構件的試制，為超大型鎂合金結構件的規模化生產和推廣應用奠定了基礎。此次試制的樣品主要是一體化車身鑄件和電池箱蓋，它們是兩類超大型新能源汽車結構件，投影面積均大于2.2平方米，是目前世界上最大的鎂合金汽車壓鑄結構件。兩個鑄件相比原來鋁合金鑄件減重32%，展現出巨大的輕量化應用前景。本次超大型鎂合金結構件的成功試制，將有力推動鎂合金在大型復雜結構領域的進一步大規模應用，有助于汽車輕量化，推動節能減排、解決能源安全、緩解我國金屬礦產資源緊缺等重大問題^[13]。

參考文獻：

[1] https://news.nwpu.edu.cn/info/1002/92029.htm

[2] Dianzhong Li?, Pei Wang, Xing-Qiu Chen et al. Low-oxygen rare earth steels, Nature Materials, 2022.

[3]http://www.imr.cas.cn/xwzx/zhxw/202306/t20230612_6776799.html

[4] https://mp.weixin.qq.com/s/8yiIOhcDKJBcKfil4dkGoA

[5] , 西南鋁業公司獲中國商飛公司7050鋁合金厚板工程批準證書，《輕合金加工技術》??2020年第5期40-40，共1頁?

[6] 趙鳳，魯法云，郭富安；兩種7050鋁合金厚板的組織與性能；航空學報，2015.

[7]https://baijiahao.baidu.com/s?id=1762388342880581142&wfr=spider&for=pc

[8]https://baijiahao.baidu.com/s?id=1730340922397065806&wfr=spider&for=pc

[9] https://guba.eastmoney.com/news,cfhpl,1062502705.html

[10] https://stock.stockstar.com/IG2022080300001746.shtml

[11] http://www.sczcxh.com/NewsView.asp?ID=1353

[12] https://news.ustb.edu.cn/info/1096/53260.htm

[13] http://ccmg.cqu.edu.cn/info/1056/2554.htm

本文由虛谷納物供稿