誰還沒聽過渦扇15的名號(hào)？現(xiàn)在提起這款發(fā)動(dòng)機(jī)，連國外軍迷都得豎大拇指，說它是當(dāng)前全球頂尖的航發(fā)之一。

渦扇15能有今天的實(shí)力，背后藏著一個(gè)連美軍都沒想到的秘密，中國居然在太空造出了一種超級(jí)金屬！

航空發(fā)動(dòng)機(jī)這東西，說穿了就是個(gè) “吞火機(jī)器”，發(fā)動(dòng)機(jī)里的葉片得在上千度的高溫里高速旋轉(zhuǎn)，材料要是扛不住，再精巧的設(shè)計(jì)也白搭。

航發(fā)的“材料之困”

航空發(fā)動(dòng)機(jī)被稱為“工業(yè)皇冠上的明珠”，而發(fā)動(dòng)機(jī)葉片則是這顆明珠上最核心的部件。一臺(tái)先進(jìn)的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，葉片需要在1500攝氏度以上的高溫環(huán)境中以每分鐘上萬轉(zhuǎn)的速度高速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)承受巨大的離心力和氣流沖擊。材料的耐高溫性、強(qiáng)度、輕量化程度，直接決定了發(fā)動(dòng)機(jī)的推力、壽命和可靠性。

長期以來，全球航空強(qiáng)國都在材料領(lǐng)域展開激烈競爭。早期航發(fā)葉片多采用鎳基高溫合金，這種材料在高溫下能保持較好的強(qiáng)度，但密度較大，會(huì)增加發(fā)動(dòng)機(jī)整體重量。鈦合金雖然重量更輕，但耐高溫性能不足，在渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)核心高溫區(qū)難以勝任。要實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的突破，必須找到一種兼具耐高溫、高強(qiáng)度、輕量化特性的新型材料。

在眾多候選材料中，鈮合金逐漸進(jìn)入科研人員的視野。這種金屬本身具有極高的熔點(diǎn)，達(dá)到2468攝氏度，遠(yuǎn)超鎳基合金的耐受上限，且在600至1600攝氏度的高溫區(qū)間內(nèi)，比強(qiáng)度（強(qiáng)度與密度的比值）遠(yuǎn)超鎳合金和鈦合金。

更重要的是，鈮合金的加工性能優(yōu)異，可制成薄壁或形狀復(fù)雜的零件，非常適合航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等關(guān)鍵部件的制造。此外，鈮還具有超導(dǎo)特性和低中子俘獲截面，在原子能、超導(dǎo)等領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用前景。

鈮合金的短板同樣突出，高溫氧化問題成為制約其工程化應(yīng)用的“卡脖子”難題。在溫度低于600攝氏度時(shí)，鈮表面會(huì)形成一層氧化膜起到保護(hù)作用，但當(dāng)溫度超過這一閾值，就會(huì)發(fā)生“PEST”氧化現(xiàn)象，氧化速度急劇加快，形成的氧化物層疏松易脫落，無法起到保護(hù)作用，導(dǎo)致材料在達(dá)到實(shí)際工作溫度前就失效。

更棘手的是，在地球環(huán)境下制備高強(qiáng)度鈮合金晶體，需要在1600攝氏度高溫下持續(xù)加熱100小時(shí)以上，不僅能耗極高，成品還存在韌性不足、易脆裂等問題，無法滿足發(fā)動(dòng)機(jī)零件的使用要求。

太空實(shí)驗(yàn)室的突破

為解決鈮合金的制備難題，中國科研團(tuán)隊(duì)將目光投向了太空微重力環(huán)境。在地球重力作用下，材料熔化和凝固過程中會(huì)出現(xiàn)對(duì)流、沉降等現(xiàn)象，導(dǎo)致晶體成分不均勻、內(nèi)部缺陷較多。而在太空微重力環(huán)境中，這些干擾因素被大幅削弱，能夠?qū)崿F(xiàn)材料的均勻熔化和緩慢凝固，為制備高質(zhì)量晶體創(chuàng)造了理想條件。

從2021年9月開始，三批鈮合金試驗(yàn)樣品先后通過天舟三號(hào)、天舟四號(hào)、天舟五號(hào)貨運(yùn)飛船被送往天宮空間站。中國航天員在空間站內(nèi)開展了一系列高精度實(shí)驗(yàn)：在專用真空實(shí)驗(yàn)艙中，利用激光精準(zhǔn)照射懸浮的鈮合金顆粒，使其均勻熔化。

通過精密溫控系統(tǒng)控制冷卻速率，讓合金緩慢過冷、凝固；同時(shí)借助高精度傳感器實(shí)時(shí)記錄材料的溫度變化、晶體生長過程等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。整個(gè)過程需要對(duì)溫度、壓力、激光功率等參數(shù)進(jìn)行毫秒級(jí)調(diào)控，任何微小誤差都可能導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。

經(jīng)過三年多的反復(fù)實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)積累，科研團(tuán)隊(duì)終于掌握了太空微重力環(huán)境下鈮合金的制備規(guī)律。將太空獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)用于地面生產(chǎn)線調(diào)試后，成功制備出首批符合工業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的高強(qiáng)度鈮合金材料。這批材料不僅解決了高溫氧化問題——通過后續(xù)表面涂層技術(shù)處理后，耐受溫度可達(dá)2100攝氏度，更在韌性和強(qiáng)度上實(shí)現(xiàn)突破，完全滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的嚴(yán)苛要求。

中國空間站的獨(dú)特優(yōu)勢為此次突破提供了關(guān)鍵支撐。盡管天宮空間站的整體規(guī)模小于國際空間站，但在科研設(shè)備部署上更注重實(shí)用性和專業(yè)性，配備了包括材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜在內(nèi)的多款國際領(lǐng)先設(shè)備，可支持空間材料科學(xué)、微重力基礎(chǔ)物理等多領(lǐng)域研究。

同時(shí)，空間站具備航天員在軌操作和貨物上下行運(yùn)輸?shù)耐暾芰?，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)驗(yàn)方案的快速調(diào)整和樣品的及時(shí)回收，這一優(yōu)勢是無人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)無法比擬的。截至目前，科研團(tuán)隊(duì)已利用空間站完成6種合金材料的上百次試驗(yàn)，為新型材料研發(fā)積累了大量寶貴數(shù)據(jù)。

渦扇15的逆襲

太空制備的鈮合金材料，首先應(yīng)用于渦扇15發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件制造。結(jié)合新型富勒烯薄膜涂層技術(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的性能實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。富勒烯薄膜具有優(yōu)異的耐高溫、抗磨損和防腐特性，厚度僅為微米級(jí)，能在葉片表面形成致密的保護(hù)屏障，進(jìn)一步提升材料的高溫耐受能力。

兩項(xiàng)技術(shù)的結(jié)合，讓渦扇15發(fā)動(dòng)機(jī)的核心指標(biāo)遠(yuǎn)超同類產(chǎn)品。其高壓渦輪導(dǎo)向葉片前的渦前溫度達(dá)到2100攝氏度，而美軍F-22戰(zhàn)斗機(jī)搭載的F119發(fā)動(dòng)機(jī)渦前溫度僅為1700攝氏度左右。

更高的溫度意味著燃料燃燒更充分，發(fā)動(dòng)機(jī)推力更大——渦扇15的最大推力超過18噸，推重比達(dá)到10.8，均超過F119發(fā)動(dòng)機(jī)的性能參數(shù)。同時(shí)，鈮合金的輕量化特性使發(fā)動(dòng)機(jī)整體重量降低約15%，配合富勒烯涂層的抗磨損作用，發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命超過2000小時(shí)，達(dá)到國際先進(jìn)水平。

渦扇15的性能突破已通過實(shí)際應(yīng)用得到驗(yàn)證。搭載該發(fā)動(dòng)機(jī)的殲-20改進(jìn)型戰(zhàn)斗機(jī)，在試飛中展現(xiàn)出更優(yōu)異的超音速巡航能力和超機(jī)動(dòng)性能，能夠在不開啟加力的情況下實(shí)現(xiàn)長時(shí)間超音速飛行，作戰(zhàn)半徑和空中格斗能力大幅提升。這一突破不僅解決了中國先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)“心臟”動(dòng)力不足的問題，更使中國成為繼美國之后，第二個(gè)能自主研發(fā)推重比10級(jí)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的國家。

賦能六代機(jī)

太空鈮合金技術(shù)的成熟，已為中國第六代戰(zhàn)斗機(jī)的研發(fā)鋪平了道路。目前，成飛、沈飛等科研機(jī)構(gòu)正在推進(jìn)的第六代戰(zhàn)斗機(jī)項(xiàng)目，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能提出了更高要求——不僅需要更大的推力和更長的壽命，還需具備自適應(yīng)變循環(huán)能力，能夠根據(jù)不同飛行狀態(tài)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)工作模式，實(shí)現(xiàn)燃油效率與推力的動(dòng)態(tài)平衡。

鈮合金材料的特性完美契合六代機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的需求?？蒲袌F(tuán)隊(duì)在太空鈮合金基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研發(fā)出鈮鎢鉭復(fù)合合金，將耐高溫極限提升至2300攝氏度，同時(shí)通過添加稀土元素優(yōu)化材料韌性。配合正在研發(fā)的變循環(huán)技術(shù)，六代機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比有望突破15，最大推力超過25噸，可支持戰(zhàn)斗機(jī)實(shí)現(xiàn)5馬赫以上的超高速飛行，以及更長時(shí)間的超音速巡航。

除了發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，太空鈮合金技術(shù)還在其他軍工和民用領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊應(yīng)用前景。在航天領(lǐng)域，鈮合金已用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管和航天器熱防護(hù)部件的制造，提升了航天器的可靠性和運(yùn)載能力；在核能領(lǐng)域，鈮合金的低中子俘獲截面特性使其成為核反應(yīng)堆核心部件的理想材料；在民用航空領(lǐng)域，鈮合金構(gòu)件的應(yīng)用可降低客機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)油耗，提升飛行安全性。

中國在太空材料領(lǐng)域的突破，引發(fā)了全球航空航天界的關(guān)注。美軍相關(guān)研究機(jī)構(gòu)在分析報(bào)告中指出，中國通過空間站開展材料科學(xué)研究的模式，為新型材料研發(fā)提供了全新路徑，其鈮合金技術(shù)的應(yīng)用已使其在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)“彎道超車”。國際航空材料協(xié)會(huì)的專家評(píng)價(jià)稱，太空微重力環(huán)境下的材料制備技術(shù)，可能引發(fā)全球材料工業(yè)的革命，而中國在這一領(lǐng)域已占據(jù)先發(fā)優(yōu)勢。