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古往今“錸” 以小博大——揭開超級金屬“錸”的神秘面紗

編著:國土資源科普與文化 黃 凡     來源:https://mp.weixin.qq.com/s/OP_mApqIf1tnXqxIq5I8VQ

    伴隨著我國航天事業的騰飛,其技術中最復雜的工程機械系統核心部件里所必需的元素“錸”,逐漸成為新聞追逐的焦點與資本眼中的新寵。錸作為一種難得的金屬元素,比黃金還昂貴、比鉆石還難得, 有著“戰略金屬”“航空金屬”“超級金屬”等美稱。 那么,錸究竟是一種什么樣的元素呢?它有哪些特性?有多少儲量?分布在哪里?可以用來做些什么?

原“錸”如此——錸的發現和特性

      1925 年,德國科學家塔克、諾達克和貝格利用 X 光譜分析他們采自烏拉爾的鉑礦石時,無意之中發現了一種此前從未見過的金屬元素,于是便將它命名為 Rhenium,也就是錸。錸元素符號為 Re,在元素周期表中位于第 6 周期第 7 族,并被稱為人類發現的最后一個自然元素。

       錸是地球上一種極為稀少的金屬元素,在地殼中的豐度很低,在地球演化過程不形成或極少形成獨立礦物,而是以類質同象的方式賦存在其他礦物中,故屬于分散或稀散元素。1928 年,科學家諾達克在實驗室里從 660 千克輝鉬礦中分離得到了最初的 1 克錸金屬。

      錸是一種有光澤的銀灰色金屬,可一旦接觸潮濕的空氣,表面光澤便會逐漸消失。一般來說,海綿狀或粉狀的錸金屬更加活潑,在潮濕的空氣中可緩慢氧化成含氧酸;塊狀的錸在空氣中則穩定一些,而致密純錸片的金屬光澤可保持延續數年之久。

       錸有很多優點,純錸質軟,易加工,機械性能好。其熔點(3 180℃)和沸點(5 627℃)極高。雖然錸的熔點很高,但是在空氣中將錸加熱到 350 ~ 400 ℃時便會燃燒生成 Re2O7 并升華。 Re2O7 揮發性很高,且易溶解于水和含氧溶劑中。此外,錸既不能與氮氣反應,也不與碳發生反應。它是難熔金屬中唯一不與碳生成碳化物的元素,但神奇的是它又可溶解 0.8% 的碳成為固溶體,也可與 1.3% 的碳形成可吸收氫氣的共熔體。

 

存身何處?

       據統計,全球共查明錸儲量約 10 306 噸,其中伴生于銅—鉬礦的約 9 500 噸,伴生于鉬礦的約 3 500 噸,主要分在美國、智利、加拿大、墨西哥和秘魯等地。約 93% 的錸資源分布在西半球,而其中約 99% 的錸與輝鉬礦或硫化銅礦物共生。因此,也可以說全世界范圍內的錸主要儲藏于盛產銅和鉬的國家。 調查顯示,我國錸礦山主要分布在遼寧、黑龍江、江蘇、福建、河南、湖北、湖南、西藏和陜西等省份,但是由于錸作為分散元素,現有的 測試手段很難精確測出其含量。此外,煤和含煤巖系中伴生的錸也常常被忽視。但在總體上,我國錸的潛在資源量是不小的。

古往今“錸”——大展身手

      說錸珍貴,除了物以稀為貴之外,更重要的價值體現在其用途上。 錸的用途非常廣泛,覆蓋生活的方方面面, 比如,用于制作電發光材料、電視機顯像管、家用恒溫器、電爐絲、電源開關或按鈕、電磁鐵和半導體材料以及測量極高溫度的設備,等等。在醫學領域,錸同樣有著重要應用,可用于制作醫學和醫療設備的微管,如鎢—錸合金主要用作 X 射線管中的靶子,甚至可以用于治療惡性腫瘤的放射性藥物。

       錸的另一個與生活密切相關的用途是可作為鉑—錸催化劑,用以生產無鉛、高辛烷值的汽油。20 世紀 60 年代末,錸—鉑催化劑成功面世,并迅速在石油工業領域開創了“石油凈化”的新時代。同時, 由于錸在環保領域的地位日益凸顯,導致其價格瘋長。目前約 90% 的化工產品生產都需要采用含錸催 化劑,最鼎盛時期的全球錸金屬開采量的 75% 都要第一時間供給催化劑的制作,即便如此,仍供不應求。 直到 1978 年斑巖型銅—鉬礦大量開采,錸才趨于供求平衡。

      但是,金屬錸最主要的用途并非催化劑的制作,而是在國防和航空航天領域。錸可以用于制作火箭引擎涂層、核反應堆的內襯、噴氣發動機零部件(燒室、 渦輪葉片和排氣噴嘴)、燃氣渦輪引擎和陀螺儀等,在現階段已經成為無可替代的材料。

“錸”之不易——國產 航空單晶葉片

      航空發動機被稱為“工業皇冠上的明珠”,技術門檻高、風險大、 投入 多及周期長。 空心渦輪葉片是航空發動機的核心部件,其使用量占整個發動機的30%。20世紀90年代以來, 伴隨著發動機高推重比的要求,復合氣膜冷卻的單晶渦輪葉片的設計與制造逐漸成為制約航空發動機發展的核心技術,也是國內目前公認的最大技術難題,更有“一 代葉片材料決定一代發動機”的說法。

       航空發動機體現了經典力學在工程應用上逼近極限的技術, 考驗著飛行器能否在高溫、高壓、 高速旋轉的條件下持續工作。溫度有多高?1 700℃以上甚至更高;壓力有多大? 50 多個大氣壓, 相當于蓄滿水后三峽大壩底部壓力的 3 倍;旋轉有多快?轉子每分鐘旋轉幾萬轉,葉尖承受的離心力相當于 40 噸重卡車的拉力。 要滿足這些條件,主要是靠材料和工藝的創新發展。 

      錸的加入為這一難題的解決提供了創新點。由于錸的熔點為 3 180℃,沸點為 5 627℃,使其在航空航天工業發動機新型材料應用中成為最佳選手。錸的使用能顯著提高單晶合金的高溫性能和抗蠕變性能,同時還能提高葉片的抗氧化和抗疲勞性能。

      1988 年,錸合金開始應用于飛行器的渦輪發動機上,自此也徹底改變了錸的需求結構,這種 趨勢由于 20 世紀 90 年代初新一代超合金技術的發 展得到進一步加強。1998 年,錸超合金生產商宣 布增加超合金中錸的用量,即由原來的 3% 上升到 6%,導致錸的需求急劇上升。進入 21 世紀,航空工業對錸的需求量大幅增加。其中,國外三大航空 燃氣渦輪發動機廠商是錸的需求大戶:英國的羅羅 (Rolls-Royce)公司錸需求量占 28%,美國通用 電氣(General Electric)占 28%,美國普惠(Pratt & Whitney)公司占 12%。目前,全球約 80% 的錸 用于生產航空發動機單晶葉片。

       雖然單晶葉片生產在國外是成熟技術,但技術封鎖導致我國航空業多年存在航空發動機難以國 產化的問題,嚴重影響國防安全,被視為我國高端 制造業的“心臟病”。然而,中國的科學家們經過 不懈努力,終于攻克難關。目前,國內承溫最高、 綜合性能最好的 DD6 第二代單晶合金含錸 2%, DD22 第四代單晶合金含錸量增加到 4.5% ~ 6%, 第五代含錸高溫合金材料及單晶渦輪葉片目前正 在研制中。

       從航空發動機的發展歷程來看,隨著技術的進步,錸越來越多地用作生產高性能單晶高溫合金材料,并用于制造航空發動機葉片。全球第一代用于生產航空發動機的單晶合金不含錸;第二代單晶合金部分含 2% ~ 3% 的錸;第三代單晶合金含錸大于 5%,部分達到 7%;第四代單晶合金含錸 4% ~ 5%;第五代單晶合金含錸 6% 左右。含錸量增加,正在成為航空發動機葉片單晶合金化學成分的主要特征和發展趨勢之一。但由于錸的價格極其昂貴,要降低航空發動機的研發及制造成本就需要尋找更多的錸資源。


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