航空工業(yè)的“心病”有救了

左麗

隨著我國(guó)航空業(yè)的發(fā)展，對(duì)制造的要求越來(lái)越高。但是，航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為飛機(jī)的“心臟”，卻長(zhǎng)期依賴國(guó)外公司的供應(yīng)。形成這種“心病”的一大原因是發(fā)動(dòng)機(jī)渦扇中的單晶葉片難以制得，對(duì)材料和生產(chǎn)工藝的要求很高。不過，一種超級(jí)金屬—錸的發(fā)現(xiàn)讓“病情”出現(xiàn)了轉(zhuǎn)機(jī)，隨著錸鎳合金單晶葉片制備工藝的發(fā)展，這種“心病”有了“新藥醫(yī)”。

“錸”之不易

1872年，俄國(guó)化學(xué)家門捷列夫預(yù)言，根據(jù)元素周期律，自然界中還存在一種尚未被人們發(fā)現(xiàn)的，原子量約為190的“類錳”元素。他在元素周期表上為其留出了位置，將錳下面的元素锝稱為一錳，再下一行的元素稱為二錳，而二錳就是后來(lái)發(fā)現(xiàn)的錸。

1913年，英國(guó)物理學(xué)家莫塞萊提出了原子序數(shù)的概念，這成為我們現(xiàn)在所使用的元素周期表中重要的組成部分，在每個(gè)元素方框的左上角標(biāo)注。莫塞萊通過進(jìn)一步研究，認(rèn)定當(dāng)時(shí)至少尚有4種新元素未能被人類發(fā)現(xiàn)，依次為43、61、72和75號(hào)。而錸，就是那神秘的75號(hào)元素。

科學(xué)家們?cè)噲D在錳礦、鉑礦以及鈮鐵礦中找到這個(gè)元素，但長(zhǎng)期一無(wú)所獲。這一方面受制于當(dāng)時(shí)的技術(shù)能力缺陷，另一方面錸在自然界中確實(shí)非常稀有，沙里淘金絕非易事。直到1925年，錸才正式走入了人們的視線。德國(guó)的沃爾特·諾達(dá)克、艾達(dá)·塔克和奧托·伯格三位科學(xué)家利用X光譜，從大量的礦物和巖石的濃縮產(chǎn)物中發(fā)現(xiàn)了這種新元素。為了紀(jì)念自己祖國(guó)的母親河，他們以拉丁詞Rhenus（萊茵河）命名該元素，這便是我們說(shuō)的錸。不過，當(dāng)時(shí)他們能向?qū)W界展示的只有含錸化合物的樣品，這讓部分科學(xué)家對(duì)這種新元素的發(fā)現(xiàn)依然存疑。但在1928年，諾達(dá)克、塔克和伯格成功從近700千克鉬鐵礦石中提煉出超過1克錸，平息了所有質(zhì)疑的聲音。

錸在自然界中存在，但含量微小，它是地殼中含量倒數(shù)第四的元素（在地殼中的含量?jī)H十億分之一），全球已探明儲(chǔ)量?jī)H有約2500噸，比稀土元素更稀有。更多的錸存在于地核當(dāng)中，但是我們無(wú)法觸及。不僅如此，錸還十分分散，沒有富集礦，大多共生于輝鉬礦等其它礦石中，作為礦渣的雜質(zhì)出現(xiàn)。在烘烤礦石以獲得鉬的時(shí)候，錸會(huì)與空氣結(jié)合生成七氧化二錸（Re2O7），以氣體的狀態(tài)逃離。通過收集煙道中的氣體，能夠加工提取錸，但提取過程耗能很高，提取效率低下。從1噸高品位的金礦中能提煉出40克金，而1噸銅礦中只能獲得0.25克錸。

發(fā)動(dòng)機(jī)的救命草

這樣一種罕見的元素應(yīng)用范圍卻十分驚人。錸的熔點(diǎn)3180℃（僅次于碳和鎢），沸點(diǎn)5627℃（元素中排第一）。由于其高熔沸點(diǎn)的特殊性質(zhì)，錸與其他金屬制成合金，能夠耐極限高溫。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)代后，高壓渦輪的渦輪前溫度更高，葉尖間隙也更小，渦輪葉片變形的問題就顯得尤為突出。

在運(yùn)行時(shí)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)需要保持極強(qiáng)的穩(wěn)定性和耐熱性，以F-119型發(fā)動(dòng)機(jī)為例，直徑僅1.168米的小個(gè)頭，卻需要提供15.6噸的推力。發(fā)動(dòng)機(jī)將空氣進(jìn)行壓縮之后壓入燃燒室，在狹窄的空間內(nèi)和燃料發(fā)生劇烈燃燒，產(chǎn)生猛烈的燃?xì)鈬娚淞?，推?dòng)渦輪葉片高速旋轉(zhuǎn)，看起來(lái)弱不禁風(fēng)的單薄零件瞬間便可產(chǎn)生巨大的動(dòng)力。

但是，在此過程中，渦輪和風(fēng)扇不僅需要承受巨大的壓力，還得忍受高溫的考驗(yàn)。在飛機(jī)高速飛行時(shí)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度約1700℃，發(fā)動(dòng)機(jī)葉片極易發(fā)生蠕變，即葉片發(fā)生變形。在壓力和高溫的雙重作用下或可導(dǎo)致渦輪葉片斷裂，葉片飛出后會(huì)損傷機(jī)匣，甚至發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)完全損壞，危及飛機(jī)安全。因此，單晶葉片處于發(fā)動(dòng)機(jī)中溫度最高、環(huán)境最惡劣的部位，是航空產(chǎn)品非常關(guān)鍵的零件，直接決定了發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在鎳合金中加入錸，可以顯著提升高溫合金的抗蠕變能力，長(zhǎng)時(shí)間工作也不易變形，而這正是制造單晶渦輪葉片所需要的。有了這種材料，航空發(fā)動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)增壓比和熱效率，使得新研發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)能擁有更大的推力。借由錸鎳合金生產(chǎn)的單晶發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)可以在更高的溫度下穩(wěn)定工作。

其他用途

錸的另一個(gè)重要用途是用于石油行業(yè)的催化劑，能夠加快破解石油或天然氣的烴分子。催化重整是石油煉制過程之一，是提高汽油質(zhì)量和生產(chǎn)石油化工原料的重要手段。錸鉑合金作為催化重整過程中的一種催化劑，能夠提高重整反應(yīng)的深度，增加汽油、芳烴和氫氣等的產(chǎn)率。

在醫(yī)療用途方面，錸的兩種放射性核素186Re和188Re可以用于放射療法，治療肝癌、前列腺癌和骨癌，還可以緩解與某些癌癥相關(guān)的疼痛。

盡管錸十分罕見，在某些鐵礦石中還是找得到它。錸的同位素187Re是一種放射性同位素，從187Re到187Os（鋨的同位素）β衰變期非常長(zhǎng)，達(dá)到41.6億年。地質(zhì)學(xué)家使用基于巖石中錸-鋨同位素衰變進(jìn)行同位素定年的方法，研究礦床成因、巖漿形成、地幔演化以及隕石形成等地球化學(xué)和宇宙化學(xué)問題。endprint