科技日报【专题报道】亟待攻克的核心技术(16-20)

2018年7月6日08:41:33科技日报【专题报道】亟待攻克的核心技术(16-20)已关闭评论 372 views

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 16、航空钢材不过硬,国产大飞机起落失据

“如果把发动机和飞控设备比作飞机的心脏和大脑,那么航空超高强度钢制作的起落架就是飞机的‘腿脚’。没有强健腿脚,纵使心脏和大脑再强大,巨人依然站立不起来!”“青年千人计划”学者、南开大学材料学院教授、博士生导师梁嘉杰对科技日报记者说。

在梁嘉杰等材料科学家看来,随着中国大飞机等项目的加速推进,国产航空超高强度钢材的研发制造必须迎头赶上,才能让国产大飞机更稳健地翱翔蓝天。

美国300M是世界主流

“川航客机玻璃脱落迫降,落地时由于超重滑行,轮胎都瘪了,但依然实现了安全着陆,这得益于好的起落架,如果没有好的高强度钢,这种迫降是致命的。”中国民航大学一位学者告诉科技日报记者。

无论起飞还是降落,起落架都是支撑飞机的唯一部件,尤其是在飞机降落阶段,其承载的载荷不仅仅来自机身重量,还有飞机垂直方向的巨大冲力。因此,起落架的材料强度必须十分优异,一般材料无法满足这一要求,只能依靠特种钢材才行。“频繁的起降滑行,对起落架的材料可靠性提出了近乎严苛的要求,可以说起落架用钢就代表着一个国家超高强度钢的最高水平。”采访中,专家如是说。

在航空业,大飞机是指起飞总重量超过100吨的运输类飞机,包括军用、民用大型运输机和150座以上的干线客机。每架大飞机的起落架用特种高强度钢约15吨。因为国产材料不过关,首架C919下线试飞时,起落架用进口材料制作。

梁嘉杰告诉记者,就目前起落架钢材使用现状来看,美国的300M钢使用范围最广。300M钢是1952年由美国国际镍公司研发,并采用整体锻件制造工艺制造而成,其强度在1900MPa—2100MPa,相当于20000个大气压。迄今为止,美国九成以上军民用飞机起落架材料由300M钢担纲。

必须翻过纯净度这座“山”

“超高强度钢可分为低合金、中合金和高合金三类,飞机起落架用的钢材,是典型的低合金钢,对‘氢脆’很敏感,真空高温冶炼需要高纯净度。”天津工业大学一位研究金属的教授介绍,钢铁等金属材料原子按照一定的规则排列,被称为晶格,晶格中偶尔有不守秩序的原子会站错队,发生错排的地方称为位错。钢铁冶炼凝固过程中,残留在钢铁内的氢原子会主动寻找位错,向金属中缺陷附近不断集中,到室温时,原子氢在缺陷处结合成分子氢,从而产生巨大的内应力,使金属发生看不见的裂纹,也就是“氢脆”。

“从原子变分子,氢就如同啸聚山林的好汉,聚到一起就会产生很大的破坏力。用于制作起落架的超强度钢最怕这个。”该教授形象地说。而记者了解到,美国飞机部件破坏调查分析表明,起落架多数是由于表面应力腐蚀或疲劳裂纹扩展而导致最后断裂的。

美国的300M钢采用真空热处理技术,避免了渗氢,零件表面光亮,无氧化脱碳、增碳和晶界氧化等缺陷,提高了表面质量。与此形成对比,国内用于制作起落架的国产超强度钢材有时会出现点状缺陷、硫化物夹杂、粗晶、内部裂纹、热处理渗氢等问题,这些问题都与冶炼过程中纯净度不够有关系。

目前,我国的超高强度钢材研制水准与欧洲、俄罗斯相比基本相当或略有优势,但在材料创新基础研究能力,尤其是高纯度熔炼技术方面与美国还有较大差距,存在很大提升空间。

“未来,应该重点关注提升超强度钢纯净度。”中国航发北京航空材料研究院研究员、中国工程院赵振业院士说,纯净度会影响航空器械的“寿命”,也是所有航空超高强度钢的“命门”,是必须要翻越的山。他打比方说,其影响如同我国的气候分水岭秦岭一样明显,翻过秦岭是四川的湿润气候,秦岭以北是陕西的气候。航空器关键构件达到长寿命、高可靠、结构减重,首先要过了纯净度关,然后才能谈抗疲劳性等金属材料的其他特性。

部分技术还停留在实验室阶段

全球航空航天材料市场预计到2022年将达到258亿美元,这是一个快速增长的庞大市场,目前高端新材料基本上被美国和欧洲垄断着。根据测算,我国高温合金行业长期处于供不应求的状态,年市场缺口近1万吨。

一代材料技术,一代航空装备。“在大型飞机结构性关键部件用钢方面,我国整体水平基本上可以满足国防军工、装备制造、国民经济发展要求,但与国际先进水平相比,仍存在较大差距。尤其在航空(航天)用高温合金方面,我国仍处于跟跑阶段。不过客观上讲,我国研制和生产水平与先进国家的差距正在缩短。”中国钢铁研究总院副院长杜挽生说,航空用高纯度单晶高温合金,发达国家已经实现了四代技术的应用量产,而国内只到了第二代,三代、四代技术仍在持续的攻坚中。

今年5月14日上海航展上,宝钢特钢有限公司研制生产的300M超高强度钢露面,这意味着在C919后续机型上,起落架有望在确保安全的前提下实现国产化替代。但有钢铁冶金业内人士告诉记者,大飞机用的超强度钢材完全国产化这一过程还有一段很长的路要走。国内高性能钢铁部分制造技术,尤其是新一代数字化和智能化控轧控冷技术、先进热处理技术、变截面轧制技术、温度梯度轧制技术、高精度轧制技术,我们与美国、日本还有不小的差距,有的还停留在实验室层面,超高强度钢材实现完全国产化,还要加强科研。

17、为高铁钢轨“整容”,国产铣刀难堪重任

高铁被称为“一带一路”沿线20国青年最想带回家的“中国特产”之一。从2003年开始至今,我国铺设的高铁轨道长度已占世界高铁总里程的一半以上,而钢轨养护问题也愈加让业内专家忧心——有着高铁“筋骨”之称的钢轨,若养护不到位,不仅折损生命周期,还存在高风险隐患。

“大国重器,保养是重中之重!目前,尽管我们自主创新研发出世界首台套双动力电驱铣磨维护机器人装备——被称为钢轨‘急救车’的铣磨车,但是其中最核心部件铣刀仍需从国外进口。”5月19日,北京拓博尔轨道维护技术有限公司首席科学家刘博博士在接受科技日报记者专访时说,“没有铣刀,‘急救车’发挥不了作用,真乃万事俱备,只欠把合适的‘手术刀’。”

钢轨也需保养整形

“每一条钢轨都是有生命的,天冷了它会紧缩身躯,气温高会舒张筋骨。近年来,随着万吨大列运行、车速不断提高,列车对钢轨碾压冲击不断加大,其伤损日益增多。”济南铁路局聊城工务段探伤工高级技师张勇说。

南车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司相关专家介绍,列车在运行过程中发生磨耗,不仅铁道钢轨轨头的几何形状会改变,轨面还会出现波浪磨耗、鱼鳞伤及肥边等缺陷。为修复钢轨型面,就要用仿形铣刀对钢轨轮廓及时铣削整形,及时消除各种缺陷。

实践证实,及时恰当地进行保养整形对钢轨明显利好:日本新干线钢轨的更换寿命延长30%,伤轨更换大致减少30%。

铣钢如削面如何做到

“钢轨得不到及时养护整形,直接影响到高铁奔跑时的稳定性、舒适度,还会滋生安全隐患,为之付出的代价不可想像。”刘博介绍,为了能够承受得住过往列车的重力、摩擦和冲击,钢轨材质的强度、硬度及韧性要求相当高,一般由特殊标号的高锰钢材料制成,抗磨性高。但这也就造成钢轨表面坑洼不平时,铣磨平滑的难度也很大。

工欲善其事,必先利其器。“奥地利博瑞特公司生产的铣刀,犹如刀削面一样,可把钢轨‘病害’顿时铣削!”刘博说。

据了解,国内城市轨道交通,对钢轨的保养主要有两种方式,砂带打磨或引进国外铣磨技术设备。秦皇岛齐二数控机床研究院副院长王振宇介绍,前者作业效率低、有时要打磨8遍到10遍,才能修复0.2毫米钢轨损耗;而后者一次就能修复3毫米左右的钢轨损耗,可彻底消除各种轨面病害或缺陷,这种方式工作效率高但价格昂贵。

记者了解到,目前只有德国和奥地利拥有制造仿形铣刀刀盘和刀片的先进技术,多数应用于欧洲铁路工务维护作业,如客运专线、地铁轻轨等。2011年,我国重金从奥地利引进了多台钢轨铣磨车,其中的铣刀就是这两国公司共同制造的。

国内尚在学徒阶段

能像削面一样切削钢轨,这铣刀是什么材料炼就的?

“一种超硬合金材料。对其中金属成分我们已然了解,但就是不知人家是怎么配比、合成的,如同琢磨某种中药的祖传秘方、各种药材比例是多少,都不甚明了。”刘博答道。

为防止可能出现的禁售或单方面抬高售价,“这两年我们已会同国内有关科研机构,从实际需要出发,加紧研发先进的铣削技术。”刘博说。记者了解到,目前,成都工具研究所已探索了可行性方案,理论计算性能可提高30%,成本会降低一半。

业内人士指出,奥地利拥有顶尖铣削技术储备的公司已成立近百年,在生产工艺上积累了充足经验,而国内可以说尚在学徒阶段。

“目前,我们只有结合性能需求,不停试错、反复总结,才能争取在技术性能上有所突破,有望在今年年底形成中国独有的铣削技术路径,研发出具有自主知识产权的‘利器’,不再受制于人。”刘博说。 

18、高端轴承钢,难以补齐的中国制造业短板

“高端轴承依赖进口,为什么我们自己造不出来?”在调研了东三省、浙江、山东等五六个省份之后,中科院山东技术转化中心常务副主任王东升找到了答案:最大的问题出在材质上,“没有好钢,永远造不出高端轴承”。

作为机械设备中不可或缺的核心零部件,轴承支撑机械旋转体,降低其摩擦系数,并保证其回转精度。在他看来,无论飞机、汽车、高铁,还是高精密机床、仪器仪表,“凡是旋转的部分,都需要轴承”。

毫不夸张地说,发动机中的轴承一直在“炼狱”中工作——它不仅要以每分钟上万转的速度长时间高速运转,还要承受着各种形式的应力挤压、摩擦与超高温。这对轴承的精度、性能、寿命和可靠性提出了高要求,而决定这四点的关键因素,在于其材质。

遗憾的是,虽然我国的制轴工艺已经接近世界顶尖水平,但材质——也就是高端轴承用钢几乎全部依赖进口。

最近,科技日报记者到华东某大型国有钢铁集团采访,了解到后者的尴尬。作为“中国企业100强”,这家钢铁集团拥有自己的精品钢基地,但却做不出轴承用高端钢,只能依赖进口,前不久,花了近1亿元进口轴承用钢。

“PPM”在炼钢中是氧含量的单位,意指百万分率或百万分之几。中科院金属研究所专家告诉科技日报记者,一般而言,在钢铁行业,8个PPM的钢属于好钢;5个PPM的钢属于顶级钢,正是高端轴承所需要的。高端轴承用钢的研发、制造与销售基本上被世界轴承巨头美国铁姆肯、瑞典SKF所垄断。前几年,他们分别在山东烟台、济南建立基地,采购中国的低端材质,运用他们的核心技术做成高端轴承,以十倍的价格卖给中国市场。

炼钢过程中加入稀土,就能使原本优质的钢变得更加“坚强”。但怎么加,这是世界轴承巨头们的核心秘密。

稀土被称为“工业维生素”,稀土钢是指含有一定量稀土的钢。上世纪80年代,我国曾掀起稀土钢的研发和应用高潮,科学家们普遍认为,炼钢过程中加入稀土是解决高端轴承用钢的技术方向,但是在钢中加入稀土后,钢的性能变得时好时坏,在大规模生产过程中也极易堵塞浇口,虽经多年攻关仍未能突破技术瓶颈,这也导致稀土在钢铁行业应用中由热变冷。

如同一盆水中滴入一滴墨水,1吨钢加入多少微量稀土比较合适?怎么加?

难题悬而未解,导致的后果是:目前,除少量钢种外,钢铁企业在实际生产中几乎放弃了稀土的应用。

不过,研发高端轴承用钢的道路上,不全是坏消息。

前一阶段,中科院金属所材料加工模拟研究团队通过对单重百吨级大钢锭的实物解剖和计算,发现杂质是导致成分不均匀的主要根源,据此提出新的钢中缺陷形成机理,在行业内引起很大反响并迅速获得应用。此后,该团队开发了商用稀土合金的纯净化制备技术和稀土在钢中特殊加入技术,从而突破了稀土在钢中进行工业化应用的技术瓶颈,实现了在钢中添加稀土后的工艺顺行和性能稳定。

记者了解到,近段时间,国家有关部委正在酝酿相关政策,推动高端轴承用钢的国产化进程。可以说,解决高端轴承用钢的“卡脖子”难题,我们又向前迈进了一步。(科技日报济南5月24日电)

19、高压柱塞泵,鲠在中国装备制造业咽喉的一根刺

“我国液压工业的规模在2017年已经成为世界第二,但产业大而不强,尤其是额定压力35MPa以上高压柱塞泵,90%以上依赖进口。可以说,高压柱塞泵是鲠在我国装备制造业咽喉要道的一根‘刺’。”近日,在太重集团榆次液压工业有限公司,该公司副总、高级工程师陈群立对科技日报记者说,“高性能的柱塞泵,美德日等国外4家龙头企业占据中国市场70%以上份额,在技术方面却对中国严密封锁。”

小部件,大威力

高压柱塞泵是高端液压装备的核心元件,被称作液压系统的“心脏”。液压系统是装备制造业的关键部件之一,被广泛应用于农林机械、化工、轻纺机械、能源工业机械、冶金工业机械、建材工业机械、机床行业,以及军工、航空航天、船舶等等。据相关数据统计,发达国家生产的95%的工程机械、90%的数控加工中心、95%以上的自动线都采用了液压传动技术。可以说,一切工程领域,凡是有机械设备的场合,都离不开液压系统。

一个完整的液压系统由5个部分组成,即动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件和液压油。动力元件的作用是将原动机的机械能转换成液体的压力能,它向整个液压系统提供动力。液压泵的结构形式一般有齿轮泵、叶片泵、柱塞泵和螺杆泵。

高压柱塞泵属于动力元件。我国国产大飞机C919试飞成功的重要功臣之一,中国二重生产的国际最大的8万吨级模锻液压机,其高压柱塞泵就是进口美国的产品,几十台柱塞泵靠电动机带动把液压油加压后推动油缸产生8万吨的锻打压力。再比如坦克的履带行走,就是依靠内燃机带动液压泵,让油液经由阀门控制通过油管输出去,驱动马达变成旋转运动,然后带动履带行走。我国的坦克、装甲车等军工机械,绝大多数使用的是进口高压柱塞泵。这些进口的液压泵,每台价格都在20万元以上。而这些液压泵的更换和维修,都会受到外国公司供货周期和提供服务的牵制。

“形似”易,“神似”难

陈群立说:“要实现高压柱塞泵产品的技术突破,首先就要实现高端铸件的突破。”

他介绍,高压柱塞泵的各个零件都被整体“包裹”在铸造壳体里面,如果说高压柱塞泵是液压设备的心脏,那么,柱塞滑靴副可视作这个心房内的心瓣膜。与柱塞、滑靴配对运动的缸孔及止推板都相当于“心房”“心室”的动力部件,他们都在输出动力的时候各司其职,受冲击和交变应力最为频繁,受压最大,运动速度和加速度最高,这些部件除了本身应该具有高硬度和耐磨的特性外,他们还共同依靠铸件壳体的高精度支撑。

“高压柱塞泵在工作过程中,会受到10—30兆帕的高频率冲击,高压柱塞泵在高频率的冲击下,铸件外壳就要承受巨大的机械力和液压力,不合格的铸件外壳在受力(热)后会变形变大,壳体轻则会出现‘冒汗’现象,重则泄漏,甚至有的柱塞—滑靴还会出现脱开的现象。”陈群立介绍。另外,由于壁厚不均,存在许多孤立的热节,高压柱塞泵铸件内部容易出现缩松缩孔等缺陷,所以高压柱塞泵的铸件对技术、工艺和后续处理等方面的要求很高。

国内生产的液压柱塞泵与外国品牌相比,在技术先进性、工作可靠性、使用寿命、变量机构控制功能和动静态性能指标上都有较大差距,基本相当于国外上世纪90年代初水平。差距主要表现在产品品种、性能和可靠性等方面。液压产品品种只有国外的1/3,寿命为国外的1/2。我国生产的高压柱塞泵与国外先进水平的差距在于:故障率高,我们的产品有的只用一两个月就出现故障,国外的可以用一两年;平均无故障运行时间,我国的在2000小时以下,国外的可以达到8000小时以上;泵的容积效率低下,我国的柱塞泵长时间运行状况下极易发生过度发热、内损,从而功效急速下降。

目前,国内生产液压柱塞泵规模较大的有太重榆液、中航力源、北京华德等企业。

由于铸件工艺的薄弱,国内大多企业只能做到“形似”,还没能做到“神似”。

国产化提速,推广应用还需假以时日

山西是我国重要的液压基础件生产制造基地,也是重型装备的制造和使用大省。太重集团榆次液压工业有限公司,是国内规模最大的高端液压产品制造企业之一。产品用户遍布全国,出口东南亚、中东、欧美等国家和地区。近年来,太重榆液引进国际先进工艺技术,引进世界顶级的液压铸造专家、质量控制专家和软件设施等,初步实现了引进吸收再创新。目前,材料研究、柱塞泵、高压阀、多路阀等多项关键技术已经取得突破,产品已经实现了装机。

陈群立说:“我们的自主产品还需要市场检验,需要更多的用户检验。在初始阶段,推广应用是一道艰难的门槛。呼吁有关部门给予政策支持,帮助我们的自主产品走向市场,替代进口,反过来再促进我们的产品不断提高质量。”

发达国家的高压柱塞泵研究和应用,比我国早100多年,在二战期间,他们的产品已经广泛应用于军舰、坦克等大量军工装备。从基础理论研究到产品推广应用,都经历了长期的积累。而我国则从上世纪80年代末90年代初才有科研机构与生产厂家开始研究开发这种产品,有关高压柱塞泵的基础理论研究薄弱,设计理念和水平落后,特别是三大摩擦副的材料和工艺,都没有取得实质性进展。

太原理工大学机械工程学院院长权龙教授说:“并不是我国制造不了高压柱塞泵,只不过我国液压工业较发达国家起步晚,制造的柱塞泵在性能上、使用寿命和可靠性方面较国外先进产品尚有一定差距。近年来我们与国外的差距正在不断缩小,随着行业和企业的重视,这个差距会越来越小。”

(科技日报太原5月27日电)

20、航空软件困窘,国产飞机设计戴上“紧箍咒”

“30多年前,我读研究生时就在编写飞机设计和分析软件,当时我国的航空设计软件跟国外同时起步,但是现在市场已经完全被国外掌控。”说起飞机设计软件发展历程,南京航空航天大学教授、NH40飞机总设计师姚卫星觉得不可思议。

自上世纪80年代后,世界航空业就迈入数字化设计的新阶段,现在已经达到离开软件就无法设计的高度依赖。设计一架飞机至少需要十几种专业软件,全是欧美国家产品。国内设计单位不仅要投入巨资购买软件,而且头戴钢圈,一旦被念“紧箍咒”,整个航空产业将陷入瘫痪。

数字化“造”飞机更靠谱

飞机设计涉及到30多个学科专业,每个专业都有自己的设计软件,它们是飞机设计及性能评估不可缺少的工具。

姚卫星告诉记者,设计飞机全过程在CATIA为基础的平台上开展。首先要从气动外形开始,主要用到的软件有Fluent、AAA等;然后是结构设计,主要用到的软件有MSC NASTRAN、Abques、Fatigue、Analsis等;同时开展系统设计,包括操作系统、动力系统、控制系统和人机环境等,主要用到的软件有ADMS、Simulink等;最后,还要把设计好的部件在计算机中“组装”成飞机,并输入各种参数模拟现实环境进行测试。

飞机设计不仅流程繁琐,而且零部件数量庞大,加工制造容不得丝毫误差。在手工设计时期,返工修改是飞机制造业最常见的通病。以我国飞豹飞机为例,如用传统手工设计,按常规考量估计有近6000张工程更改单。采用数字化设计的飞豹,工程更改单仅有1041张,工程量减少80%左右。

据媒体报道,设计歼-10飞机时,主起落架主承力结构的整个金属部件是委托国外制造。但造完之后,起落架的收放出现问题,有5毫米的误差,只好重新订货制造。仅仅是这一点点的误差,影响了歼-10首飞推迟了八九个月。没有全数字化的软件支撑,任何一点细微的误差,都可能成为制造业的梦魇。

记者查询公开报道得知,飞豹有54000多个结构件,43万个标准件;最新列装的运-20有近千万个零部件。如此复杂的产品,没有全数字化设计,几乎是不可想象的。

发令枪响了30年还在原地走

上世纪80年代,得益于计算机技术的兴起,我国的航空设计软件与国外同时起步。

“现在这些名气很大的软件,起初都是航空公司或大学科研人员开发的,比如CATIA软件,功能很强大,现在全球的飞机公司基本都用这个软件在设计,就是法国达索公司一个设计室研发的;还有AAA软件,是美国一个大学教授开发的。”姚卫星说,我国的航空设计软件起步阶段与国外差不多,也是科研人员根据工作需要琢磨着编写出来的。

例如,中航集团623所上世纪80年代就开发出一款“航空结构分析软件(HIJF)”,主要功能与大名鼎鼎的美国NASTRAN软件相近,但是现在鲜有人用。

其差别就在于,国外软件开发出来后,会根据设计需要,一步步升级改进,目的是使软件好用易用、让更多的人使用;而国内的软件开发出来后,只要计算结果正确,谁也不会花精力去美化界面、增添功能,软件的使用者也仅局限于本单位或本科室甚至是某几个人,除此以外,别人既看不懂也不会用。

久而久之,大家也就更乐于使用成熟、美观且好用的国外软件。

但是,使用国外软件的代价也是相当大的。“比如达索的CATIA,国内任何一个航空设计单位在这一个软件上花的钱都要上千万。”姚卫星说,航空设计软件少则几十万元,多则近千万元,每增加一个账号还要另付一笔费用,过几年升级版本还要付费。如果要完整地设计一架飞机,需要十几甚至几十个软件,花费可想而知。

航空设计软件自给还需补足市场课

航空设计软件起早赶晚集,是缺人还是缺钱?都不是。

我国信息产业已涌现出华为等知名企业,在某些应用领域甚至领先于发达国家。

“航空设计软件的程序代码与普通软件并没有什么不同,但是背后需要强大的理论支撑。比如用来设计结构强度的有限元软件,基本原理就来自我国冯康院士提出的‘有限元’理论。”

姚卫星说,他根据自己的研究理论开发的结构疲劳分析软件,也是业内公认的“独门秘籍”,国内绝大多数飞机在设计时都请他去计算过结构疲劳强度,国外公司为了获取“秘籍”邀请他当顾问、高薪聘用他的学生,但是都没有开发出相似的软件。

在我国航空设计单位中,类似的现象还有不少。可以说,我国并不缺少相应的人才和理论基础。近年来,有关部门也组织科研单位集中力量开发相应软件,但时至今日,市场上也看不到哪个国产软件在流通使用。

“国有科研单位以型号为管理目标,导致软件后续开发难以持续,而民营企业又没有航空专业人才。”姚卫星说,航空设计软件想要与国外媲美,必须有市场化思维。且这类软件开发周期较长、基础理论要求高,需要国有科研单位与民营软件公司配合,理顺上下游产业链。

“没有哪个软件是完美的,国家应多研究出台政策,鼓励国产软件的开发和使用。”姚卫星说,高校院所也应改进考核机制,让科研人员愿意投入几年甚至更长时间开发一款航空设计软件且不受评价机制的影响成为可能。

weinxin
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