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20160719--铼!航空发动机材料中的宠儿

 

它是人类发现最晚的天然元素,它在地壳中的含量仅十亿分之一,它的金属单质是各国战略储备的必选之一,它的价格比起黄金钻石高出不知道多少倍......它是什么元素?猜出来了吗?好吧,这么说其实小编也猜不出来。那小编再卖弄几个成语:娓娓道来,别来无恙,姗姗来迟,春去秋来......这几个成语里都有一个共同的字:来。

没错,以上问题的答案就是——铼。不要怀疑,它确实是一种金属元素。这么一个鲜为人知的金属,它有哪些厉害之处?在航空制造领域又有什么大展拳脚的地方?下面就跟小编一起来了解一下吧。

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铼的发现历史

1925年9月5日,德国地球化学家诺达克和泰开夫妇,在纽伦堡的德国化学家联合会上,由泰开当众宣布,他们利用X光谱,从大量的矿物和岩石的浓缩产物中发现了这种新元素,并展示了其化合物的样品,从而最终揭开了这个神秘元素的面纱——这就是铼(Rhenium)。

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铼的物化性质

铼是一种金属元素,元素符号Re,其密度21.04g/cm3 ,熔点3180℃,沸点5627℃,晶格类型为密排六方结构 ,纯铼质软,外表与铂相同,具有良好的机械性能。

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铼可溶于稀硝酸或过氧化氢溶液,不溶于盐酸和氢氟酸中;铼元素的化合价有3、4、6和7,在高温下,与硫的蒸气化合而形成硫化铼ReS2,不与氢、氮作用,但可吸收H2;同时能被氧化成很稳定的七氧化二铼(Re2O7)。

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铼溶于稀硝酸形成溶液

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9Re2O7的稳定化学结构

铼的开采及提取

铼自从被发现已经快一个世纪,但对大多数人来说它还是一种很陌生的元素,它不起眼的排列在化学元素周期表的第75位,可以说是最晚被发现的天然元素。那为什么铼这么晚才被发现呢?

原来,铼是一个非常稀少而且分散分布的元素,在地壳中的含量仅十亿分之一,比所有的稀土元素含量都要少。目前,全球已探明储量也只有约2500吨。相比之下,钛资源的全球探明储量大约是20亿吨。

铼绝大多数只以稀少分散状态伴生在钼、铜、铅、锌、铂、铌等其他金属矿物之中,迄今只发现及少量的辉铼矿(ReS2)和铜铼硫化矿(CuReS4)两种独立的铼矿物,而且储量甚少。矿床的规模一般也不大,独立开采的费用极高造成经济价值极低,因此鲜有独立开采的铼矿。

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辉铼矿

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铜铼硫化矿

工业化的铼生产,一般只在开采主金属矿物时,以副产品的形式捎带着对铼加以分离回收。从某些铜矿、铂族矿、铌矿甚至闪锌矿的冶炼烟尘和废渣中时,都可以回收少量铼,这其中最主要的方式,就是对辉钼矿的综合开发。辉钼精矿中铼的含量一般在十万分之一到十万分之三之间,从斑岩铜矿选出的钼精矿含铼可达1.6‰。

在生产钼的过程中,小心地收集冶炼钼的烟道份尘和废液,并选电极电位高、氧化性强的H2O2作氧化剂,将铼的低价氧化物氧化成Re2O7,而且还能把铼的硫化物氧化成HReO4。这两种铼的化合物均易溶于水,可从中获得少量Re2O7,然后加入KCl,最后用氢还原法或水溶液电解法制得铼粉,并用粉末冶金方法加工成材。

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还原工艺制得的铼粉

铼的战略意义

正因为铼的开采如此困难,因而奇货可居,价格高昂。在国际市场上,一公斤铼的价格大体在2000-4000美元间波动,峰值到过10000美元/公斤。2013年9月期间,国产99.99%铼价格甚至达到了60000-65000元/千克的高价(相比之下,一公斤工业纯钛的价格仅为120-150人民币)。

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铼的价格波动图

作为一种战略金属,铼获得了各主要国家的强烈关注。美国更是一马当先,世界最大铼生产商美国钼金属公司,将智利、墨西哥和哈萨克斯坦的大部分铼产量,以长期合同的形式垄断性的加以占有。而且美国本土的生产只为保持生产技术,所有本土产品和相当一部分进口产品都会储备起来。

神奇的铼效应

铼具有如此重要的战略意义,除了它的开采和提取难度大,更本质的原因在于它的优良特性(要不然人们费那大劲儿提取它干啥)。而金属铼或者说铼的化合物拥有的这些特性,统统可称为“铼效应”,下面就来看看铼效应的神奇之处吧。

 

01.优良的催化功能

铼对很多化学反应具有高度选择性的催化功能,因此铼主要用作石油工业的催化剂,合成高辛烷值汽油。世界上铼在这方面的消耗量曾经占总消耗量的60%以上。美国和德国还获得了制造铼过滤器净化汽车尾气的专利技术。

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一种铼作为催化剂的汽车尾气净化器

02.高度的电子发射性

铼具有很高的电子发射性能,广泛应用于无线电、电视和真空技术中。铼钨合金用来制造电子管阴极,寿命比钨长100倍。铼用于制造电接触器,特别是制造海船永磁发电机接触器,经久耐用。

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以铼作阴极的X射线发射器

03.极佳的合金改良效果

铼本身具有良好的塑性,在高温和低温情况下,都没有脆性,抗拉强度和抗蠕变强度优于钨、钼和铌。若向难熔金属钨、钼、铬中添加铼,可以提高材料的强度、塑性和焊接性能,降低韧-脆转变温度和再结晶脆性。例如W-Re和Mo-Re合金具有良好的高温强度和塑性。

同时铼对单晶高温合金显微组织、力学性能、不稳定相及单晶缺陷等的影响显著,可以增强单晶合金的高温抗蠕变性能。而单凭这一点,就为铼在航空发动机上的应用打开了一扇大门。

铼与航空发动机

上面讲到,铼的加入使得高温合金的强度和耐高温能力提高,单晶合金的组织性能也得到了极大改善。因而,近年来人们逐渐开始利用铼生产高性能单晶高温合金,并将其应用于航空发动机的叶片,以至铼在航空发动机工业中的应用达到了全部铼用量的80%。

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航空发动机上使用添加铼的合金

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利用铼生产高性能单晶叶片

我们可以从铼在单晶合金中的应用看到其在航空发动机上应用的变化。第一代单晶合金是不含铼的;部分第二代单晶合金开始采用了铼,比如俄国ЖС36,采用了2%的铼,美国CMSX-4 采用了3%的铼;第三代单晶合金,以美国ReneN6 、CMSX-10为代表,两种牌号铼的含量最高分别达5.6% 和7%;第四代单晶合金,以日本的TMS-138和MC-NG为代表,二者分别含铼5%和含铼4%;第五代单晶合金,以日本的TMS-162为代表。含铼6%。

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CFM56发动机使用铼的比例占3%

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普惠 F-100发动机使用第二代含铼单晶叶片

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使用铼的喷气式发动机

铼的使用增加暗示着涡轮冶金技术的两大进步:提高镍基高温合金的性能以及制造出性能更优的用于单晶叶片的合金。这两项技术都能使涡轮(尤其是高压涡轮)在更高温度下工作。这样的话,设计者就能加大涡轮压力,进而提高作业效率;或者发动机可以加快燃料燃烧的速度,进而产生更大的推力。

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高压涡轮工作原理