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神舟二十一号带新型钛合金、高强韧钢回地球
，
可用在C929发动机

根据央视的报道
，
神舟二十一把在中国空间站做实验的人体胚胎
，
新型钛合金、高强韧钢、弛豫铁电单晶这些材料样品
，
给接回地球了
。


我研究了一下
，
发现里面有很多牛叉的材料
，
比如这个新型钛合金
，
这玩意儿是造发动机的核心材料
，
咱们得C919/C929都能用的到
。


还有高强韧钢就更猛了
，
经过太空实验之后
，
硬度和耐腐蚀性都大幅往上跳
，
造导弹、战车、发动机、战斗机样样精通
。


那问题来了
，
这些材料到底有多牛呢
？为啥非要去太空搞研究
，
在地球上折腾不行吗
？

太空是高性能材料的最佳试验场

太空研究更有性价比
，
估计很多人听了就纳闷了
，
送一次太空得花多少钱啊
？怎么会更有性价比呢
？

答案就藏在地球重力上
。
做过实验的都知道
，
研究课题的时候
，
往往需要单一变量
，
也就是某一个参数变化
，
来研究这个材料的某种性能
。


但在地面上做材料实验
，
会遇到一个地狱级干扰因素
，
就是“重力”
，
有重力存在的时候
，
材料液体里边会出现一堆麻烦事：比如热的地方膨胀变轻往上窜
，
冷的地方重往下沉
，
从而导致液体自己就翻滚搅拌起来；

还有重的颗粒、金属液滴会往下沉；上下高度不一样
，
还会产生压力差
，
越深压得越紧
。
这些效应全搅和在一起
，
你根本分不清到底是哪个因素引起的变化
。


如果是常规地面试验
，
那么就要一项一项排除
，
还要在真空等等极端环境下搞科研
，
耗时耗力还不一定准确
。


但在太空中却没有这种烦恼
，
太空是微重力环境
，
因为这些重力才闹出来的“翻滚、下沉、压力差”问题全都没了
。


这就等于
，
把原先缠成一团的几个因素
，
一根一根给拆开了
。


咱们就能干干净净地
，
撇开重力干扰
，
单独去测材料本身跟热有关的那些本征性质
，
比如热量怎么传、原子怎么跑等等
。


就比如原子扩散的例子
，
大家应该知道墨汁在水里会散开是吧
，
其实这就是原子在液体里自个儿散开一样
，
“扩散快慢”直接决定了液体凝固的时候
，
先冒出来什么小晶核
，
最后整个材料内部会长成什么样的花纹结构
。


控制了这个
，
就等于控制了材料的性能
。


除此之外
，
熔炼合金时
，
重的元素颗粒往下沉
，
最后上头稀、下头浓
，
做不出均匀材料；大块晶体生长时
，
底部压力大、顶部压力小
，
凝固条件上下不统一
，
容易长歪、长裂；再一个
，
地面熔炼总得用个坩埚容器装着吧
，
坩埚壁一碰熔液
，
往往就提前引发凝固
，
还容易掺进杂质
。


太空里可以用电磁或声波把液滴悬浮起来
，
实现“无容器”加工
，
既避免污染
，
又能让液体一直冷到很低都不凝固
，
造出地面上做不出来的新型非晶、准晶材料
。


这就等于
，
把原本搅在一起的几个因素给拆开了
。
我们能单独测出材料本身跟热有关的基本性质
，
不受重力的干扰
。


国际空间站就专门做过这种实验
。
让两种金属液体在严格一样的温度下
，
长时间贴在一起
，
完全不流动
，
这才头一回把铝合金和镍基合金液体里原子散开的真实速度给测准了
。


这些数据现在已经直接收进了全球材料基础数据库里
。


科学家只要拿着太空样品跟地面样品一对比
，
立马就能搞清楚：重力这个因素到底是怎么影响材料生长的
，
最后又怎么改变材料性能
。


搞清楚这个
，
以后在地面上生产材料的时候
，
就能想办法把那些重力带来的坏影响给避开
。


你想
，
你把材料的本来性质彻底搞明白了
，
那试错的成本就大幅降下来
，
研制周期也缩短了
，
这些高性能材料就能发挥出更大的能耐
，
比如更轻的同时更能耐高温、更抗疲劳
，

，
性价比绝对牛的一笔
。


你像用于人工关节的钴铬合金
，
在地面铸造时因重力产生密度偏析和流孔缺陷
，
长期磨损会释放金属离子
，
导致炎症和假体松动
。
但是经过太空微重力影响下
，
钴铬合金成分完全均匀、零内部缺陷
，
如果普及的话
，
人工关节的寿命有望从15-20年延长至30年以上
，
极大地减少二次翻修手术的痛苦和成本
。


换句话说
，
谁先在太空把原子怎么跑的真实样子看清
，
谁就能在地球上造出更能扛极限、更轻更强的新型材料
。


而中国这回带上去的很多材料
，
对中国未来很多科技都会产生巨大的影响
，
这里我们就不一一展开
，
就说大家最关心的航空发动机吧
，
它就决定能让我们航发的性能再飙升一大截
。


神舟飞船带回材料
，
将促进中国航空发动机性能升级

航空发动机和航天火箭动力系统
，
对材料有多苛刻
，
直接决定了装备的性能高下
。
而新型钛合金、高强韧钢
，
这就是发动机的结构骨架
。
弛豫铁电单晶
，
能赋予发动机智能传感的能力
。


这些材料的极限性能
，
在地面上制备的时候
，
老是会因为重力的存在
，
导致凝固、晶体生长和相分离的行为等物理研究
，
出现瓶颈
。


拿铌硅基共晶合金来说
，
这东西密度只有镍基高温合金的百分之六十到七十
，
熔点能超过1750摄氏度
，
目标使用温度可以比现在最先进的单晶高温合金再往上拔150到200摄氏度
，
是下一代大推力涡扇发动机和自适应变循环发动机叶片的最佳材料
。


可是
，
在地面定向凝固的时候
，
铌跟硅熔体的密度差得很明显
，
重力一搅和
，
浮力对流和沉降就停不下来
，
导致硅化物相聚集长大
，
产生宏观偏析
，
根本得不到大面积均匀的铌固溶体跟硅化物层片耦合组织
，
直接就堵死了量产的路
。


但是我们在中国空间站高温材料科学实验柜做微重力定向凝固实验的时候
，
浮力对流被压到了近乎只有扩散传输的地步
，
熔体里面不再发生相分离
，
最后拿到了成分和组织都均匀的铌硅共晶试样
，
截面尺寸达到了几十毫米
。


这一步
，
直接把铌硅合金从地面实验室的小样品
，
推进到了可以重复大批量制备的工程阶段
，
让中国成了全球头一个实现量产的铌硅基共晶合金国家
。


美国战斗机的发动机性能往上提
，
也是这么干的
。
国际空间站的“材料科学实验室”里
，
有一个“先进合金定向凝固实验”
。
F-22的F119发动机和F-35的F135发动机
，
涡轮前温度远远超过合金熔点
，
核心就是单晶镍基高温合金叶片
。


想造出单晶叶片
，
就得精确控制液态金属凝固时的原子扩散和热量传递
，
稍微出点差错
，
就会形成杂晶、雀斑这些微观缺陷
，
一片价值几十万美元的叶片当场报废
。


地面重力引起的强烈对流
，
严重干扰了科学家对凝固前沿原子扩散行为的准确测量和模型构建
，
结果就是工艺窗口特别窄
，
成品率死活上不去
。


但到了太空环境里
，
把镍基高温合金在微重力下加热熔化
，
然后用严格受控的方式定向冷却
。
由于消除了浮力对流
，
科学家头一回看到了
，
纯粹由温度和浓度梯度驱动的原子扩散
，
是怎么控制枝晶生长和缺陷形成的
。


他们把这些精准的“无重力干扰参数”
，
输进美国空军研究实验室和普惠、GE这些公司的凝固仿真模型里
。
普惠公司就用这些经过太空实验校准过的模型
，
优化了F135发动机单晶叶片的浇铸和冷却工艺
，
工程师直接设计出更薄、冷却效率更高、能扛住更高温度的叶片形状
。
这一下子
，
直接就变成了发动机推力的提升
，
或者使用寿命的延长
。


你想美军F35战机的F135发动机
，
最开始的时候推力只有18吨
，
现在已经升级到了19吨
，
背后就有这些太空材料的作用
。


咱们这回从太空带回来的钛合金和高强韧钢
，
走的路子是一模一样的
。


在地面熔炼钛合金的时候
，
因为地球有重力
，
熔液里头密度大的成分会往下沉
，
密度小的成分会往上浮
。


同时
，
熔液里各处温度和成分不一样
，
就会自己产生流动
，
这种流动把正在生长的晶粒方向冲得乱七八糟、毫无规律
。


最后凝固出来的东西
，
晶粒长得又粗又长
，
像一根根大柱子
，
而且东一块西一块的成分都不相同
，
整体很不均匀
。


可到了太空微重力条件下再来制备这种新型钛合金
，
情况就完全不同了
。
下沉和上浮基本上没有了
，
因为温度和成分不均匀引起的自然流动也几乎消失
。


整个熔液在凝固的时候
，
温度下降得非常平稳、非常均匀
，
凝固的那个交界面就那么整整齐齐地往前推
。
最后得到的是里里外外完全一致的、特别细小的颗粒状晶粒
，
各个方向的大小都差不多
，
晶粒尺寸能细小到10微米以下
。


这样的内部结构
，
可以把材料的强度和韧性同时拉上去
，
要知道
，
一般的材料很难同时具备这两种性能
。


用它做出来的材料
，
给航空发动机里的压气机盘和机匣当原材料
，
那是地面上根本做不出来的
，
从头到尾都特别均匀的毛坯料
。


再说高强韧钢
。
航天发动机的主轴和轴承
，
都要用到超高强度钢
，
这种钢最怕的就是里头那些非金属杂质
，
对杂质极度敏感
。


在地面上
，
哪怕用真空电弧重熔、电渣重熔这类比较高级的精炼方法
，
钢水里那些非金属杂质还是会因为重力的关系
，
轻的往上跑
，
重的往下掉
。


这么一上一下来回运动
，
它们很容易撞到一块儿
，
粘成一团
，
长成大块的杂质团簇
。
这些团簇日后就会变成疲劳裂纹冒出来的起点
。


但是在太空微重力环境下
，
采用让钢液悬空漂浮着进行熔化和凝固的办法
，
没有重力拖拽
，
杂质既不能往上浮
，
也不能往下沉
。


杂质最后怎么分布
，
全凭钢液里面极其微弱的热运动、自然散开来决定
。
这样冻在钢里的杂质
，
尺寸能控制得比微米还要小
，
而且它们是高度分散、均匀地嵌在钢里面
，
几乎没有聚成堆的地方
，
可以得到那种几乎不存在杂质聚集的超纯净状态
。


这种超纯高强钢
，
旋转弯曲疲劳极限能往上提百分之三十还多
，
同时疲劳寿命的分散度也大幅降下来
。


这些材料
，
将来都能用到咱们的宽体客机C929的发动机上
，
让涡轮前温度实实在在提上去
，
巡航耗油率降下来
，
推力再往上增长
。


第六代战斗机要的下一代发动机
，
对热端部件的燃气温度要求更狠
，
太空制备的这种超细晶钛合金
，
直接就卡住了这个苛刻条件
，
给推重比和高速持续能力提供了物质底子
。


神舟飞船的轨控与姿控发动机、长征系列运载火箭的液氧煤油和液氢液氧发动机
，
它们的涡轮泵、推力室这些核心部件
，
已经开始用太空制备的超纯高强钢
，
多次启动的寿命和结构强度都大幅强化
，
发生灾难性疲劳失效的概率也降下来了
。


就是这么个理
，
有了这些太空材料
，
能帮咱们在航空、航天发动机这块
，
彻底把领先的坑位坐稳
。


当然
，
这些材料不光是能用在航空发动机上
，
在高端装备制造、精密传感还有医疗超声成像这些领域
，
同样有重大的战略价值
。


网友看法

1、网友青山居8：在太空中如果实验成功了，但在地面上还是脱离不了重力呀。怎么样大规模生产呢？

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