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中國發現超級金屬!飛機火箭上天全靠它,1噸價值3億元

長期以來, 因為歐美國家對中國進行材料和技術封鎖。 航空發動機(航發)一直是我國航空工業的短板, 目前服役的一些軍民用飛機的引擎依然採購自國外公司。 其中的原因複雜多樣, 其中材料加工佔據比較重要的一席。

舉一個很簡單的例子, 前不久經驗的國產打飛機C919——使用的發動機產自一家美法合資企業。

C919客機配套的LEAP-X1C大涵道比渦扇發動機

而在近日這種尷尬有忘很快被打破!

9月2日, 央視財經新聞報導了我國的一項重大科技成果突破——我國發現超級金屬錸。 科學家在陝西省洛南縣黃龍鋪鉬礦區礦山中發現超級金屬錸。

眾所周知,

航空航太發動機

是當今世界上最複雜的工程機械系統之一,

其核心部件是單晶葉片。

而生產單晶葉片,

就離不開一種珍貴的稀有金屬——錸。

那麼這種超級金屬到底稀有在哪裡?用途又有那些呢?

超級金屬到底是什麼?

首先, 錸有兩種天然同位素:Re-185穩定, Re-187 有放射性。 其發現者是德國化學家諾達克和泰開夫婦, 因此以萊茵河的名稱命名。

其次, 錸在地球中的含量非常非常少, 是地球上最為稀有的元素之一, 比錸更稀有的也就是銥等少數幾種元素了。 錸在地球上的含量只有十億分之一(甚至有科學家認為只有二十億分之一)。 按排名來說, 在各種元素中, 排第77位。

按年產量來說, 錸的峰值產量(不包括回收的錸)為4.5噸。 作為參考, 黃金的年均產量為1400噸。 金子的產量是錸的311倍。

在陝西洛南縣黃龍鋪鉬礦區中斟探到錸, 儲量達到176噸, 約占全球儲量7%。

第三, 錸非常耐高溫。 錸的熔點是3186℃。 縱觀元素週期表, 這個熔點排第3位。 從耐高溫的角度來看, 錸僅次於碳和鎢。 (碳沒有熔點, 只有昇華點, 為3642 °C;鎢的熔點為3422℃。 )

第四:錸非常耐腐蝕。 強酸和強鹼都不能奈何錸。 這是其作為航太發動機最為關鍵的一點。

超級金屬的作用是什麼?

美國是最大的錸金屬消費國,控制著全球銷售市場,一直處於壟斷地位。由於錸可以廣泛應用於噴氣式發動機和火箭發動機,全球約80%的錸用於生產航空發動機,其在軍事戰略上有重要意義。

錸的戰略意義

正因為錸的開採如此困難,因而奇貨可居,價格高昂。在國際市場上,一公斤錸的價格大體在2000-4000美元間波動,峰值到過10000美元/公斤。2013年9月期間,國產99.99%錸價格甚至達到了60000-65000元/千克的高價(相比之下,一公斤工業純鈦的價格僅為120-150人民幣)。

錸德價格波動圖

作為一種戰略金屬,錸獲得了各主要國家的強烈關注。美國更是一馬當先,世界最大錸生產商美國鉬金屬公司,將智利、墨西哥和哈薩克的大部分錸產量,以長期合同的形式壟斷性的加以佔有。而且美國本土的生產只為保持生產技術,所有本土產品和相當一部分進口產品都會儲備起來。

2012年世界各國錸德開採量

神奇的錸效應

錸具有非常重要的戰略意義,除了它的開採和提取難度大,更本質的原因在於它的優良特性(要不然人們費那大勁兒提取它幹啥)。而金屬錸或者說錸的化合物擁有的這些特性,統統可稱為“錸效應”,下面就來看看錸效應的神奇之處吧。

01、優良的催化功能

錸對很多化學反應具有高度選擇性的催化功能,因此錸主要用作石油工業的催化劑,合成高辛烷值汽油。世界上錸在這方面的消耗量曾經占總消耗量的60%以上。美國和德國還獲得了製造錸篩檢程式淨化汽車尾氣的專利技術。

一種錸作為催化劑的汽車尾氣淨化器

02、高度的電子發射性

錸具有很高的電子發射性能,廣泛應用於無線電、電視和真空技術中。錸鎢合金用來製造電子管陰極,壽命比鎢長100倍。錸用於製造電接觸器,特別是製造海船永磁發電機接觸器,經久耐用。

以錸作陰極的X射線發射器

03、極佳的合金改良效果

錸本身具有良好的塑性,在高溫和低溫情況下,都沒有脆性,抗拉強度和抗蠕變強度優於鎢、鉬和鈮。若向難熔金屬鎢、鉬、鉻中添加錸,可以提高材料的強度、塑性和焊接性能,降低韌-脆轉變溫度和再結晶脆性。例如W-Re和Mo-Re合金具有良好的高溫強度和塑性。

抗拉強度和韌性良好的鎢-錸合金絲

同時錸對單晶高溫合金顯微組織、力學性能、不穩定相及單晶缺陷等的影響顯著,可以增強單晶合金的高溫抗蠕變性能。而單憑這一點,就為錸在航空發動機上的應用打開了一扇大門。

錸對合金單晶缺陷和不穩定相的改善

錸與航空發動機

上面講到,錸的加入使得高溫合金的強度和耐高溫能力提高,單晶合金的組織性能也得到了極大改善。因而,近年來人們逐漸開始利用錸生產高性能單晶高溫合金,並將其應用於航空發動機的葉片,以至錸在航空發動機工業中的應用達到了全部錸用量的80%。

航空發動機上使用添加錸的合金

錸的使用增加暗示著渦輪冶金技術的兩大進步:提高鎳基高溫合金的性能以及製造出性能更優的用於單晶葉片的合金。這兩項技術都能使渦輪(尤其是高壓渦輪)在更高溫度下工作。這樣的話,設計者就能加大渦輪壓力,進而提高作業效率;或者發動機可以加快燃料燃燒的速度,進而產生更大的推力。

目前國產單晶葉片投產的時間不過短短一年,一些生產細節還在不斷改進。工藝改進後,再通過層層工序,製造出一批這樣的單晶葉片需要一個半月的時間。因為航空工業的特殊性,比生產週期更為漫長的,則是打開市場所需要的時間。

但不管怎麼說,隨著一項項關鍵技術的突破,中國的航空發動機技術必將躋身世界先進水準,未來中國的戰鷹也必將都擁有一顆動力更加強勁的國產心臟。

超級金屬的作用是什麼?

美國是最大的錸金屬消費國,控制著全球銷售市場,一直處於壟斷地位。由於錸可以廣泛應用於噴氣式發動機和火箭發動機,全球約80%的錸用於生產航空發動機,其在軍事戰略上有重要意義。

錸的戰略意義

正因為錸的開採如此困難,因而奇貨可居,價格高昂。在國際市場上,一公斤錸的價格大體在2000-4000美元間波動,峰值到過10000美元/公斤。2013年9月期間,國產99.99%錸價格甚至達到了60000-65000元/千克的高價(相比之下,一公斤工業純鈦的價格僅為120-150人民幣)。

錸德價格波動圖

作為一種戰略金屬,錸獲得了各主要國家的強烈關注。美國更是一馬當先,世界最大錸生產商美國鉬金屬公司,將智利、墨西哥和哈薩克的大部分錸產量,以長期合同的形式壟斷性的加以佔有。而且美國本土的生產只為保持生產技術,所有本土產品和相當一部分進口產品都會儲備起來。

2012年世界各國錸德開採量

神奇的錸效應

錸具有非常重要的戰略意義,除了它的開採和提取難度大,更本質的原因在於它的優良特性(要不然人們費那大勁兒提取它幹啥)。而金屬錸或者說錸的化合物擁有的這些特性,統統可稱為“錸效應”,下面就來看看錸效應的神奇之處吧。

01、優良的催化功能

錸對很多化學反應具有高度選擇性的催化功能,因此錸主要用作石油工業的催化劑,合成高辛烷值汽油。世界上錸在這方面的消耗量曾經占總消耗量的60%以上。美國和德國還獲得了製造錸篩檢程式淨化汽車尾氣的專利技術。

一種錸作為催化劑的汽車尾氣淨化器

02、高度的電子發射性

錸具有很高的電子發射性能,廣泛應用於無線電、電視和真空技術中。錸鎢合金用來製造電子管陰極,壽命比鎢長100倍。錸用於製造電接觸器,特別是製造海船永磁發電機接觸器,經久耐用。

以錸作陰極的X射線發射器

03、極佳的合金改良效果

錸本身具有良好的塑性,在高溫和低溫情況下,都沒有脆性,抗拉強度和抗蠕變強度優於鎢、鉬和鈮。若向難熔金屬鎢、鉬、鉻中添加錸,可以提高材料的強度、塑性和焊接性能,降低韌-脆轉變溫度和再結晶脆性。例如W-Re和Mo-Re合金具有良好的高溫強度和塑性。

抗拉強度和韌性良好的鎢-錸合金絲

同時錸對單晶高溫合金顯微組織、力學性能、不穩定相及單晶缺陷等的影響顯著,可以增強單晶合金的高溫抗蠕變性能。而單憑這一點,就為錸在航空發動機上的應用打開了一扇大門。

錸對合金單晶缺陷和不穩定相的改善

錸與航空發動機

上面講到,錸的加入使得高溫合金的強度和耐高溫能力提高,單晶合金的組織性能也得到了極大改善。因而,近年來人們逐漸開始利用錸生產高性能單晶高溫合金,並將其應用於航空發動機的葉片,以至錸在航空發動機工業中的應用達到了全部錸用量的80%。

航空發動機上使用添加錸的合金

錸的使用增加暗示著渦輪冶金技術的兩大進步:提高鎳基高溫合金的性能以及製造出性能更優的用於單晶葉片的合金。這兩項技術都能使渦輪(尤其是高壓渦輪)在更高溫度下工作。這樣的話,設計者就能加大渦輪壓力,進而提高作業效率;或者發動機可以加快燃料燃燒的速度,進而產生更大的推力。

目前國產單晶葉片投產的時間不過短短一年,一些生產細節還在不斷改進。工藝改進後,再通過層層工序,製造出一批這樣的單晶葉片需要一個半月的時間。因為航空工業的特殊性,比生產週期更為漫長的,則是打開市場所需要的時間。

但不管怎麼說,隨著一項項關鍵技術的突破,中國的航空發動機技術必將躋身世界先進水準,未來中國的戰鷹也必將都擁有一顆動力更加強勁的國產心臟。

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