大国制造—近年我国突破的这些卡脖子技术

过去，国内很多高精尖端装备严重依赖进口，同时也受制于西方欧美发达国家。但经过十多年的大力发展，虽然在芯片、光刻机、半导体等尖端领域距离欧美、日本等发达国家还有很大差距，但在其他很多重大领域，我国已经能够制备出国际领先的大型国之装备。下面笔者将盘点几项我国科学家近年来突破的几项关键技术。

1.西工大滑扑一体仿蝠鲼柔体潜水器技术及应用

海洋资源的开发对一个国家至关重要，是每个国家的战略规划。我国是海洋大国，更好地进行海洋数据采集、海洋资源利用，更好地保障海洋权益，需要进行高端水下航行器尖端科技研究。长期以来，水下滑行器存在难以同时兼顾工作时长与机动性、隐蔽性差、对海洋生态扰动大等短板，这些短板严重限制了水下航行器的深入化应用。尤其是已有水下航行器对海洋生物不具友好性，当它们受到干扰之后，将会自动远离探测区域，对数据采集造成困难。在加快建设海洋强国的大背景下，西北工业大学自主水下航行器团队瞄准卡脖子难题，先后自主研发了6型仿生水下航行器工程样机，如图1所示，最具代表性的则为“魔鬼鱼”。从游进西工大的游泳池到游入南海深处，“魔鬼鱼”（仿蝠鲼柔体潜水器）迅速长大。2021年，它还曾代表科技部参加了国家“十三五”科技创新成就展，引发社会广泛关注。 “魔鬼鱼”还在海洋馆水域内和鱼群进行了“亲密互动”，并完成了近底面游动、垂直爬升等高机动动作！

根据西工大官网的透露，西工大“魔鬼鱼”的研制突破了以下5项重大技术，整体领先国际，荣获2022年度中国造船工程学会项目荣获技术发明特等奖，这也是学会历史上的首个技术发明特等奖！

(1) 国际首创滑扑一体仿蝠鲼柔体潜水器：解决了潜水器远航程、长航时与高机动兼顾的难题。

(2) 仿生外形优化设计与大变形流固耦合仿真技术：仿蝠鲼外形相似度达到90%以上

（3）飞翼滑翔与仿生扑翼推进一体化技术：实现了弓形滑翔回转角速度15%（传统飞翼滑翔机襟翼转弯角速度的10倍）、扑动原位回转角速度60°。

（4）滑扑多模态协调运动与环境亲和控制技术：仿蝠鲼潜水器滑扑顺滑切换时间小于0.5s、运动相似度超过90%。

（5）大深度柔性电池技术：能量密度达到354Wh/L，8万次弯折后容量保持率超过90%，整体电量相比原来提升10%。

图1 西工大6型仿生水下航行器工程样机^[1]

2.金属所李殿中团队突破盾构机轴承

在基建过程中，穿山越岭，过江跨海的主要任务由盾构机承担。早年间，盾构机还不能国产，我国需要花高价购买。待国产化后，盾构机直接被打到地板价。然而我国已实现盾构机的国产化，但其核心部件—主轴承却长期依赖进口。主轴承是盾构机刀盘驱动系统的核心关键部件，盾构机掘进过程中，主轴承“手持”刀盘旋转切削掌子面并为刀盘提供旋转支撑。我国盾构机用超大直径主轴承制造未能解决的主要原因在于：（1) 制造轴承的材料和大型滚子的加工精度不过关； (2）全流程技术链条不贯通。制备主轴承的材料必须具有高纯净、高均质、高强韧、高耐磨的特点。中国科学院金属研究所李依依院士和李殿中研究员团队历经十多年的研究，开发出“低氧稀土钢”关键技术^[2]。有效解决了稀土轴承钢工业生产时遭遇的浇口严重堵塞的问题及加入稀土元素性能不稳定的问题。通过控制氧含量，团队制备出性能优越、稳定性好的低氧稀土钢，其拉压疲劳寿命提高40多倍，滚动接触疲劳寿命提升40%。同时，联合国内相关合作企业，攻克了主轴承高精度加工和精度保持性难题。通过将精密加工技术和低氧稀土钢相结合，成果制备出8.01米主轴承，如图2所示，各项指标达到同类进口主轴承的先进水平，其中部分指标处于国际领先水平，能够满足超大直径盾构机应用需求。

图2 国产直径8.01米盾构机主轴承^[3]

3. 西工大突破翼身融合关键技术

传统的飞机主要由机身、机翼、尾翼和发动机等部件构成，这些结构之间存在明显的界限，不能将空气动力效率有效发挥。经过几十年的模拟优化，这种传统布局飞机的空气动力效率已接近极限，难以再继续提高。为此，翼身融合布局民机的设计技术，多年来成为国际航空界争相研究的领域，谁掌握了这一先进技术，谁就在未来的民机领域具有发言权。西工大牵头的国内“翼身融合民机技术研究团队” 突破了翼身融合布局关键技术，自主设计了NPU- 300飞机，在翼身融合布局民机设计技术方面取得重大原创性研究成果。其部分核心技术指标达到国际领先水平。如图3所示，将机身和机翼融为一体的NPU-300飞机极具流线感的外形设计，使得该型飞机在空气中具有传统飞机所不能企及的飞行性能。与传统飞机相比较，气动效率高、结构重量轻、装载空间大，不但节能环保，还能有效降低噪音和发动机有害气体排放。2019年10月24日，西工大在官网上发布了NPU- 300翼身融合飞机设计取得重大突破的新闻，引发国内外相关机构的高度关注。2023年1月30日，西工大官宣西工大翼身融合飞机在无人机试验测试中心试飞成功，完成了翼身融合民机技术研究从概念研究到技术验证的关键一步，是翼身融合民机技术研究的重要里程碑节点。

图3 NPU- 300翼身融合设计概念图^[4]

4. 大飞机材料研制取得突出进展

一代飞机，一代材料，2023年6月，C919顺利完成首个商业航班飞行、正式进入民航市场，开启常态化商业运行。这一消息让国人沸腾，经过艰苦卓绝的努力，我国终于迎来了自己的大飞机。大飞机的机身，机翼，发动机等都需要过关的材料支撑，没有材料上的突破，制备技术高度复杂的大飞机是不可能完成的，下面笔者盘点我国在大飞机研制过程中突破的关键材料。

图4 C919大飞机

4.1 西南铝突破7050铝合金厚板制备技术

国际第三代先进铝合金—7050铝合金厚板，广泛应用于飞机机翼梁、肋、机身框、壁板等关键承力部件的制造，是不可或缺的关键性材料，被称为“行业内最难铸造的铝合金之一”，如果铸造参数控制不好，7050铝合金非常容易裂开，造成严重的资源浪费，此前我国还不能自主生产。7050铝合金厚板的关键生产技术，一直被发达国家视为核心技术秘密，严加封锁，要想在C919大飞机上使用这一材料，只能自主研发。为此，中铝集团西南铝业（集团）有限责任公司突破大规格铸锭制备、强变形轧制、强韧化热处理及残余应力控制等一系列关键技术。成功实现了7050铝合金厚板的国产化，为C919大飞机提供了 30 个规格、600 余件铝合金锻件，试制成功旅客观察窗窗框和起落架轮毂精密模锻件^[5]。7050铝合金的图片具有战略性意义，不仅可以使用在民机上，在军工设备上也可广泛应用。

图5 7050铝合金板的显微组织^[6]

4.2 宝钛集团，西部超导突破钛合金制备技术

在相同体积的情况下，钛合金的质量远低于钢铁，且具备优异的力学性能。对以克为单位实现的减重的飞机行业来说，选择钛合金的优势无与伦比。使用钛合金作为建造材料的飞行器，减重明显，飞行能力和灵活性以及续航能力得到明显的提升，而且在节能方面也有着很明显的优势。C919整体大约需要10%左右的钛合金，比美国的波音飞机还要高3%左右。作为国内优秀的钛合金生产单位，宝钛集团国际先进水平的技术标准和质量体系，获得通过了美国波音公司，法国宇航公司，空中客车公司，英国罗罗公司，欧洲宇航工业协会和美国RMI等多家国际知名公司的质量体系和产品认证。C919飞机同样将宝钛集团作为主要供应商。先后承担了国家Ti-3Al-2.5V（TA18）管材、β热处理的Ti-6Al-4VEIL厚板、β处理 的 Ti-6Al-4V 合金型材、TB5 板材工程化研制四个型号用材料研制任务，为首架 C919 飞机提供了多种规格的钛合金棒材、厚板和薄板材料^[7]。

西部超导公司主要从事高端钛合金材料、超导产品和高性能高温合金材料的研发、生产。已经通过了商飞公司Ti-6Al4V 钛合金材料的资质认证，未来将逐步实现产品批量交付^[8]。

4.3复合材料

中航高科是国内航空碳纤维龙头企业，下属航空工业复材深度参与国产大飞机预浸料研制，2018 年年报披露其生产的 C919 用国产预浸料完成首批交付，实现了此领域国产材料零的突破^[9]。

博云新材与霍尼韦尔合资，为 C919 供应碳/碳复合材料机轮刹车系统。C919 大飞机的机轮刹车系统涉及碳/碳复合材料及高温合金的生产与制造^[8]。

4.4 3D打印材料

作为一种新兴技术，3D打印彻底改变了结构件的制备方式，通过合理的程序设计，再复杂的材料都可通过3D打印技术制备，为零部件的加工提供了新的技术途径，也为中国的航空制造打开了一扇新窗。西北工业大学教授黄卫东教授团队经过艰苦探索，利用3D打印技术C919中央翼缘条，尺寸3.07米，重量196千克。该中央翼缘条通过了各种严格的力学测试，力学性能好于传统铸造零部件。中央翼缘条的成功试制贡献巨大，传统工艺6个月才能完成的制造工作，用金属3D打印技术耗时仅仅5天，并且一次成形，一次成功，金属原料钛合金涂层粉末，更是几乎没有半点浪费。歼20总师杨伟得到这一消息后，也到现场进行了参观，注视良久并为其点赞^[10]。根据西工大官网透露，由黄卫东教授牵头组建的西安铂力特公司得到了欧洲空中客车公司的青睐，并签署了相关协议，成为空客亚洲区唯一的金属增材制造合格供应商。另外，西安铂力特公司还利用3D打印公司成功生产了航空发动机叶片以及钛合金镂空点阵结构等复杂结构件。

图9具有自主知识产权的“金属3D打印”技术和设备，打印出的C919中央翼缘条

C919机头主风挡窗框尺寸大、形状复杂，国内飞机制造厂的传统方法无法制作。欧洲有一家公司可以使用传统方法进行制备，但是生产周期长，价格高昂，制备过程损耗严重，仅每件模具费就要50万美元，如果再加上后续的锻成形等机加工工艺，一个机头主风挡窗框所需的成本巨大，而且欧洲那边公司每两年才能供货一次，严重扯了C919研制的后腿。2009年，王华明团队利用3D打印技术，耗时55天做出了C919机头钛合金主风挡整体窗框，成本不足欧洲锻造模具费的十分之一。北京航空航天大学前沿科学技术创新研究院教授王华明带领团队利用3D打印技术做出了C919机头钛合金主风挡整体窗框^[11]。

5. 北科大开发高强韧抗氢脆钢

氢脆是一种由材料、环境和应力相互作用而引发的脆化现象，每年造成了大量钢材的报废。工程上采用的除氢手段分为两种：（1）原材料把控、钢液真空脱气；(2) 堆垛缓冷等工艺。这些方法仅能在一定程度上解决内部氢脆问题。然而，高强钢在服役过程中受到氢的侵入引起的外部氢脆问题，最终仍会带来严重危害。

来自北科大数理学院的庞晓露老师团队从基础研究开始，理论上得到了抑制氢脆的关键途径，并将其应用在工业生产上，实现了理论与工程的完美结合。首先他们揭示了纳米相作为深氢陷阱的物理本质是半共格界面的失配位错，从机理上解决了高强韧钢氢致开裂的科学难题，为提升高强韧钢的抗氢脆性能提供了理论依据和工程实践方法。然后，他们通过控制合金成分及含量，掌握了构筑纳米相和铁基体半共格界面作为深氢陷阱的关键技术，从而提升了高强韧钢的抗氢脆性能。该项技术已经实现了工程化应用，项目组开发出重载火车车轮钢、弹簧钢与海洋装备用钢等系列高强韧抗氢钢，氢脆敏感性降低50%以上，已在马钢、方大特钢、舞阳钢铁、西王特钢等单位批量生产应用^[12]。

图4  该项目主要研究方案^[12]

6. 重庆大学试制出镁合金超大汽车压铸结构件

众所周知，我国是镁资源大国，占世界镁资源的70%以上，也是镁材料与制品研发和生产大国。作为一种比铝合金还要轻的金属，将其高强高韧化，并制备出合格的大型结构件将推动节能减排，从而更好地保护环境。

近日，重庆大学发布消息，重庆大学国家镁中心和高端装备铸造技术全国重点实验室与相关企业联合开发，攻克了多个技术瓶颈，突破了高流动性高性能压铸镁合金设计、大体积镁合金熔体纯净化、镁合金结构件结构设计与压铸工艺优化、压铸缺陷预测与控制等多项关键技术，保证了高品质超大型镁合金结构件的试制，为超大型镁合金结构件的规模化生产和推广应用奠定了基础。此次试制的样品主要是一体化车身铸件和电池箱盖，它们是两类超大型新能源汽车结构件，投影面积均大于2.2平方米，是目前世界上最大的镁合金汽车压铸结构件。两个铸件相比原来铝合金铸件减重32%，展现出巨大的轻量化应用前景。本次超大型镁合金结构件的成功试制，将有力推动镁合金在大型复杂结构领域的进一步大规模应用，有助于汽车轻量化，推动节能减排、解决能源安全、缓解我国金属矿产资源紧缺等重大问题^[13]。

参考文献：

[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] , 西南铝业公司获中国商飞公司7050铝合金厚板工程批准证书，《轻合金加工技术》  2020年第5期40-40，共1页 

[6] 赵凤，鲁法云，郭富安；两种7050铝合金厚板的组织与性能；航空学报，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

本文由虚谷纳物供稿