突破：我们的“天宫”空间站在忙些什么实验？

据香港《南华早报》1月7日报道，三年多以来，中国航天员在“天宫”空间站进行了一项看似普通却意义非凡的实验，即用激光照射悬浮在真空室中的合金颗粒，仔细观察并记录颗粒在冷却过程中发生的细微变化。在这期间，设备和样本历经三次更迭。利用在太空得出的实验数据，地球上的中国科学家现已首次成功制造出符合工业应用严格要求的铌合金。

实验团队及过程

该研究由西北工业大学魏炳波院士领导的团队负责。在三年多的时间里，航天员在空间站持续进行实验，期间对实验设备和样本进行了三次更换。在太空微重力环境下，中国科学家观察到了合金快速凝固时产生的独特缩孔结构，以及与地面实验截然不同的晶体生长模式等现象。

技术突破

- 快速冷却方法：此前普遍合成的铌硅合金存在高强度晶体生长速度非常慢的问题，需要在接近1600摄氏度的环境下耗时100小时才能完成，且得到的样本在室温下极其脆弱，无法满足发动机制造厂的要求。魏炳波团队采用了一种新的快速冷却方法，实现了高质量铌硅晶体接近每秒九厘米的生产速度。

- 添加微量元素：通过添加微量的铪，该团队将合金的室温强度提高了三倍以上。如在铜-锡-磷合金中，添加0.05wt%的铪后，其屈服强度从577MPa提高至625MPa，抗拉强度从613MPa提高至661MPa。对于铌合金，铪的添加同样起到了显著的强化作用，从而满足了发动机装配线的要求。

铌合金的特性及优势

- 耐高温：由铌合金制成的涡扇发动机叶片能够承受超过1700摄氏度的高温，相比目前常用的镍或钛合金，铌合金不仅更轻，而且在高温下的抗压强度是它们的三倍。

- 良好的物理性能：铌合金具有密度低、高温比强度高、冷热成形性能优良、焊接性能好等优点，能够用于制造火箭发动机、卫星、宇宙飞船和导弹的姿态控制/轨道控制发动机的推力室身部延伸段等部件。

对航空航天技术的影响

- 提升发动机性能：铌合金可使涡扇发动机叶片能承受更高的温度和压力，从而提高发动机的推力和效率，使发动机达到现有技术无法实现的速度和运行效率。例如，美国F-22所使用的F-119发动机涡轮叶片能够承受高达1700度的温度，F-35所使用的F-135发动机涡轮叶片能够承受将近1800度的高温，而铌合金制成的叶片可承受超1700摄氏度高温，这有助于提升现有战斗机的超机动能力，为六代机的研发提供了关键技术支持。

- 推动航天器发展：其优良的性能可用于制造火箭外壳、发动机零部件以及其他关键结构，能够有效抵抗极端的温度变化，确保航天器在高温环境下的安全运行，适用于更复杂的深空探索和载人航天飞行，显著提高我国在航天技术领域的自主研发能力。

战略意义

中国目前是铌的最大消费国，但自身的铌储量仅占世界总量的不到1%，而巴西生产了世界上近90%的铌，是中国主要的矿石供应国之一。铌合金的成功研制，对于中国这样铌资源相对匮乏的国家来说，具有重要的战略意义，能够在一定程度上减少对外部铌资源的依赖，同时提升高端制造业的核心竞争力。