1801年大英博物馆决定淘汰一部分藏品为“日不落帝国”从世界搜刮而来的藏品腾出空间，首当其冲的是平淡无奇的矿石样品，它们是英国军队从世界各地带回来的，如今“由来只闻新人笑，有谁听到旧人哭”。

这些样品被送到牛津、剑桥大学进行研究，英国化学家查理斯·哈契特在其中一种矿石样本中发现了金属铌，这是人类第一次发现这种物质。

铌的密度比铁大，和铜差不多，表面呈银灰色，质地非常柔软，不仅耐酸耐碱，而且还超级耐高温，熔点达到2468摄氏度。这种温度等级使研究起来非常麻烦，所以很长一段时间里它和钛、锆、铪、钽、钨、钼、钒、铼、锝这些难熔稀有金属一起被长期束之高阁。

二战时期，随着制空权重要性的日益凸显，研制出飞得更高、更快的战斗机成为各国竞相争夺的科技赛道。发动机的耐高温性能决定了飞机的速度，英、德、美、苏等国开始向钢材中加入其他金属，开发高温合金。经过半个世纪的努力，人类发展出了以铁基、镍基和钴基为代表的三大类高温材料，耐高温能力从最初的750℃提高到90年代末的1100℃。

随着人类对超音速飞行的需求，这种温度很快又不满足要求了，这种情况下美国另辟蹊径研制出史无前例的单晶高温合金技术，硬生生将耐高温能力提升到1400度左右。技惊四座的那一刻，同时也宣告传统铁基、镍基和钴基高温合金的潜力全部被榨干。

全球冶金科学家的目光不约而同地盯上了曾经被束之高阁的难熔金属钛、锆、铪、钽、钨、铌、钼、钒、铼、锝。

这里面熔点最高的是钨，能达到3410℃，但钨的密度大、硬度大，韧性不好。飞机发动机叶片不仅要考虑重量，还要看高温高压下的性能表现，是不是能持续保持硬度和韧性，所以钨很快就被淘汰出局。

接着美国将钛、锆、铪、钽、铌、钼、钒、铼、锝全部一通测试，由于这些金属熔点高根本就没有办法和铁“水乳交融”，绝大多数加进去后，呈现泾渭分明的情况。经过不懈努力，美国发现在镍合金叶片中加入1%的铼，能将耐高温能力提升到1700度左右。

铼的储量非常低，全球仅有2650吨。美国突破后秘而不宣开始全球布局，到处买矿收购他国企业，万事俱备后方才对外宣布铼合金的突破，这个时候美国已经实际控制了全球90%的铼矿，一骑绝尘，无人能与之竞争。

中国航空业发展晚，直到90年代才开始恶补发动机技术，2000年开始聚焦高温合金的发展。跟随战术永远比对手慢一拍，而中国的目的是超越美国，加上美国掌控了全球的铼矿，所以不管美国把铼合金吹得天花乱坠，中国从一开始就没有打算从铼身上入手。

这就好比传统的燃油汽车，西方国家在发动机技术、底盘技术、变速箱技术上深耕百年，技术炉火纯青，将汽车三大件调试得天衣无缝，不管我们怎么追赶如何努力，总是缺那么一点意思，所以在燃油汽车上中国汽车工业一直被西方汽车工业压制得死死的。

这种情况下钱学森在1992年上书中央：“传统汽车中国永远也超越不了西方，建议跳过汽油和柴油机，直接发展新能源汽车。”所以今天我们实现了用电机、电池、电控系统轻松破解西方汽车工业的技术护城河和产业霸权，弯道超车实现反向输出。

在航空发动机上中国科学家“以终为始”，首先根据推重比构建起三维的数学模型反向推算，当前的涡扇发动机最恶劣的工况是每分钟转速10000转以上，温度1800摄氏度，接着未雨绸缪考虑第六代战斗机需要使用的下一代发动机，发现理论推重比需要超过15，这样的结果是高压涡轮的进气温度要求达到2100摄氏度以上。

不仅如此，这种超高温合金材料还要满足三大基本指标，一是高温强度，二是室温韧性，三是高温抗氧化性。

高温强度是指超高温合金不允许受热变软，即便2000度高温下依然要够硬；

室温韧性是指可加工性，在常温中进行机械制造，加工出我们需要的形状。很多非金属陶瓷材料耐高温性能非常好，但在常温下却非常容易破碎，撞一下就成渣，没办法加工；

高温抗氧化性是指在任何情况下都不会和氧气发生反应。大家看打铁或锻造的时候，每次冲击后金属表面总是有一层残渣掉下来，那是因为温度太高了，铁的表面跟空气中的氧气反应，变成氧化铁脱落。超高温合金材料一直在高温高压下工作，如果抗氧化性能不好，很快就会“铁棒磨成针”。

这种情况下，不打破常规中国连追平的机会都没有，更不要谈超越。因此中国科学家把高温合金的目标直接锁定在这些难熔金属上，让难熔金属占主体，反其道而行之，而不是像美国那般用难熔金属作为添头去提高钢铁性能。

美国当前使用的是传统方式，有先天的不足和限制，铼的熔点高达3186度，最后他们只实现了1700度的耐高温能力。

所以从一开始，中美就走了两条不同的道路，美国用镍铁当基材，把金属铼当“工业维生素”作为辅料，提升镍基合金的性能，铼的含量只有1%；中国走的是把铌金属作为基材承担主体作用，含量高达30%，而把镍铁等当作添头使用提升铌金属的性能。

基于这个主导方针，中国一开始一共选择了三个研究对象，不是一上来就锁定了铌金属，其他两个分别是锆和钛。这三种金属元素都有一个共同的特性，重量轻，硬度大且韧性好。其中最被科学家看好的是铌合金，因为它具有最高的比强度。比强度是材料的强度除以其密度，数值越大说明这种材料越轻。

铌的这种特性暗示了自己是完美的航空材料。全球铌储量超过1777万吨，中国铌资源储量约为420万吨，其中白云鄂博矿床铌储量就占了中国铌储量的70%，资源集中，满足大规模开采要求，不用担心像铼一样，资源少价格高，随时可能被人断供。

事实上传统的铌合金早已实现大规模生产，诸如铌铪合金、铌钨合金、铌锆合金、铌钛合金、铌钨铪合金、铌钽钨合金和铌钛铝合金。但这些合金中含铌量没有超过0.1%，远非我们所想要的铌合金单晶体结构。

人类各个地区进入铁器时代的时间不同，中国最早在春秋末期，但有一点可以确定的是人类炼铁炼钢已有上千年的历史，很多技术和诀窍都是在长年累月中慢慢形成，只是在近代形成体系化文件和工艺规范。

由此可见中国科学家想要在铌合金上开辟一个新的宗门，其难度可想而知，所有一切需要自己从头开始摸索。我国从2000年后开始研究这些超高温合金，卡在单晶体制造的瓶颈上一直无法突破。铌合金高强度晶体的生长非常缓慢，需要在近1600摄氏度下长达100小时才能完成，成本高，工艺难度大，中间稍有温度波动就会前功尽弃。

为了获得铌合金高强度晶体生长的微观世界状态，2021年4月29日中国天宫空间站的天和核心舱搭载三大科学实验柜升空，开始中国的超高温材料太空冶金研究项目。

中国科学家利用静电场，让材料样品在真空环境中保持稳定悬浮的状态，然后用激光照射悬浮在真空室中的材料颗粒使之融化，这种加热方式的温度可达3000摄氏度。悬浮状态意味着没有容器，熔融的金属不用考虑或担心有杂质对试验结果产生影响；没有重力的影响，材料从高温液态冷却到固态颗粒的整个热物理过程都可以很方便地进行操作、干预、放慢和重复，从而记录和跟踪到所有微观变化。

中国有多重视超高温材料太空冶金研究项目呢？后续中国空间站的问天实验舱、梦天实验舱与天和核心舱相继对接，整个在轨建设中这项研究都被作为最高优先级，一直都没有停下脚步。

三年的时间里，负责此项研究的西北工业大学制作了10余种数百个高性能难熔合金样品，通过核心舱和天舟货运飞船上行后，先后进行了6批次在轨试验，成功完成了难熔合金微重力条件下的静电悬浮、加热熔化、降温、过冷、凝固、热物理性质测定，获得了液态密度、热膨胀系数、热辐比等关键性质参数。

这些试验数据全部被传递回地面，中国西北工业大学利用这些在太空得出的实验数据，首次在地球上实现了高质量铌硅晶体近9厘米/秒的生产速度，成功制造出“符合工业应用严格要求”的铌合金， 强度能硬扛三辆99A坦克的碾压，纹丝不变。

“符合工业应用严格要求”的意思是实现大规模制造，成本可控，不会出现“穷兵黩武”的情况；技术指标过硬，这个突破将彻底改变航空航天技术。

其实铌合金并非我国此次太空试验中最佳性能表现的金属，但它却是当前综合成本、性能、制造工艺最佳的金属，所以未来中国再次获得新突破，宣布实现另一种更高性能合金的工业化生产时不要大惊小怪，那只是水到渠成。

这次太空冶金试验让中国收获颇丰，揭示了液态金属涡旋型特殊组织结构、凝固收缩动力学规律和共晶合金解耦生长的内在机理，以及合金凝固的微观组织与宏观形态的双调控……提前完成了诸多超高温材料黑科技的储备。

中国研制成功的全新铌合金材料，不仅能经受住2400℃高温环境的考验，且极具韧性、稳定性和加工性。用其作为原材料打造的发动机叶片可轻松加工成翼型曲线，并做到内部中空，让气体在里面循环顺畅提升散热效果，同时强度却能达到传统发动机叶片的三倍。

这就是近两年来我国发动机技术不断突破，百花齐放的根本原因。2023年泛着幽蓝光泽的铌合金叶片成套装入峨眉WS-15发动机，完成试验后开始列装歼-20，接着中国宣布速度突破16马赫的斜爆震发动机问世。

最近中国民航使用的大推力国产发动机CJ2000也传来喜讯，在位于西安的亚洲最大发动机测试中心完成了3000小时的极限耐久性测试，突破西方的技术壁垒，以35吨级的澎湃推力碾压波音787飞机的GE9X发动机27吨的推力，标志着中国航空动力已跻身全球顶尖行列。CJ2000与通用GEnX相比，省油15%，飞行1.2万公里能省8吨燃油；与空客A350最新的罗罗公司的遄达XWB发动机相比，油耗也降低了8%，震撼全场。

中国攻克铌合金意义非凡，不仅有望率先造出第六代航空发动机改变航空业格局，还能用在航空和潜艇发动机上打破美国等的技术限制，让美日欧30年白干。当前美国通用电气的工程师正在“熬最狠的夜、赶最晚的工”研究我们的专利，试图在国际空间站复制这个试验，而波音总裁直接向我们申请购买铌合金铸件……