愛華網(wǎng)娓娓道“錸”（下）
——淺談航空工業(yè)的明星金屬錸
一、后“錸”居上——錸在航空工業(yè)的應用
上文書說道，人們費盡移山心力，一年只得50噸左右的錸，用來做什么用呢？
石油和汽車：
首先，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(yè)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(jīng)占總消耗量的60％以上。美國和德國還獲得了制造錸過濾器凈化汽車尾氣的專利技術。
儀器儀表：
錸的熔點和沸點都很高，又具有很高的電子發(fā)射性能，廣泛應用于無線電、電視和真空技術中。錸是一種主要的高溫儀表材料，可用來制造特種白熾電燈泡及高溫電偶，比如鎢錸熱電偶在3100℃也不軟化。錸鎢合金用來制造電子管陰極，壽命比鎢長100倍。錸用于制造電接觸器，特別是制造海船永磁發(fā)電機接觸器，經(jīng)久耐用。
航天器部件：
錸和鎢、鐵形成合金，硬度很高。錸抗磨性和抗腐蝕性很強，可用于火箭、導彈等航天器的金屬表面，宇宙飛船用的儀器和高溫部件熱屏蔽、電弧放電、電接觸器，增加耐磨性能，同時用作高溫涂層用。
航空動力：
近年來人們逐漸開始利用錸生產高性能單晶高溫合金，進而生產先進航空發(fā)動機的葉片。以至錸在航空發(fā)動機工業(yè)中的應用達到了全部錸用量的80%。而這，才是本文需要進一步探討的問題。
兵器迷是太關注發(fā)動機了。和這個話題有關的東西，都愿聞其詳，呵呵。
大家知道，高溫合金，是廣泛應用于航空航天技術產品的一種高溫結構材料。主要用于發(fā)動機的高溫部分，如渦輪葉片、渦輪盤和燃燒室等。目前，高溫合金在航空發(fā)動機中用量約重量的55%左右。從技術發(fā)展路徑來看，高溫合金已從傳統(tǒng)鑄造多晶高溫合金、定向凝固柱晶高溫合金和變形高溫合金，向單晶合金、機械合金化高溫合金、粉末冶金高溫合金和細晶鑄造合金等發(fā)展。這其中的重點，就是單晶合金。
采用單晶技術生產的新型單晶合金材料，用于制造航空發(fā)動機葉片，可顯著提高發(fā)動機的工作溫度和發(fā)動機功率，對航空工業(yè)產品的更新?lián)Q代具有重要的意義。多年來人們在合金成分設計，冶金工藝，單晶制備，晶體缺陷及蠕變機制等方面進行了大量的研究工作，研究成果層出不窮。到目前為止，已經(jīng)有五代單晶高溫合金相繼問世。而我們今天的主角，錸，與單晶合金的發(fā)展有著非常密切的關系。
早在1980年代，大多數(shù)航空工業(yè)大國已經(jīng)認識到：錸有良好的塑性，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(yōu)于鎢W,鉬Mo,鈮Nb。向難熔金屬鎢、鉬、鉻添加錸，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。W-Re和Mo-Re合金具有良好的高溫強度和塑性。同時錸對單晶高溫合金顯微組織、力學性能、不穩(wěn)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（所謂蠕變，英文creep，是指在一定的溫度和較小的恒定外力（拉力、壓力、扭力）作用下，材料的形變隨時間的增加而逐漸增大的現(xiàn)象。蠕變是高溫單晶合金是死敵，這將大大降低航空發(fā)動機的性能和效率，甚至帶來嚴重的事故）
錸的這些現(xiàn)象稱為“錸效應”，它對于航空發(fā)動機葉片的重要作用。
但是，錸在航空發(fā)動機工業(yè)卻是一個地地道道的“后來者”，其原因有兩個：
對了，第一一個原因，就是是太貴，比鈦合金貴上百倍。產量論公斤，應用論克。
另一個原因，就是人們在研究錸的過程中，遇到了很大的困難。
錸對單晶合金元素擴散及合金元素再分布的影響機制和規(guī)律是什么？
錸對單晶合金的抗蠕變強化機理是什么？
錸與其他金屬（特別是銣Ru）的協(xié)同強化作用機理是什么？
但在相當長的時間內，這些問題的進展并不明顯。
例如，日本科學家H.Harada通過研究TMS-75和TMS82系列合金后認為，錸使得單晶合金的負錯配增加，加速了合金內部γ′相筏排結構和細密位錯網(wǎng)的形成。而正是γ′和γ兩相界面位錯網(wǎng)的細密程度，決定了單晶合金的抗蠕變性能。反之，賓夕法尼亞大學的科學家Caron.P卻認為：錯配度對于合金抗蠕變性能的影響并不清楚，單晶合金的錯配度在一定溫度和應力下的對金屬蠕變性的作用和機理也很不清楚，因此日方的研究無因果關系。
這種相互矛盾的見解，在錸研究中比比皆是。這不僅僅反映出人們對錸的認識還有很大不足，也直接造成了錸在單晶合金中的應用受到了更多的局限。
現(xiàn)在，讓我們來看看“錸”這個后來者，是如何追趕單晶合金的發(fā)展腳步的：
第一代單晶合金，以美國PWA1480（用于F100-220發(fā)動機）、ReneN4（用于F110-129CMF56-5發(fā)動機），英國SRR99（用于RB211RB199發(fā)動機）、法國AM3（用于M88-2發(fā)動機）和蘇聯(lián)ЖС32（用于АЛ31Ф發(fā)動機）為代表。這一代單晶合金，是不含錸的。
第二代單晶合金，以美國PWA1484（用于PW4000發(fā)動機）、CMSX-4（用于EJ200發(fā)動機），英國RenaN5（用于GE90發(fā)動機）、俄國ЖС36為代表。
部分第二代單晶合金，開始采用了錸。比如ЖС36，采用了2%的錸。CMSX-4（合金成分為Ni-9Co-6.5Cr-6W-6.5Ta-5.6Al-3Re-1Ti-0.6Mo）采用了3%的錸。
第三代單晶合金，以美國ReneN6、CMSX-10為代表，兩種牌號錸的含量最高分別達5.6%和7%，難熔元素的總含量(Re、TaW Mo)高達20%。日本的TMS-75也是第三代，含錸5%。
第四代單晶合金，以日本的TMS-138和MC-NG為代表。二者分別含錸5%和含錸4%，同時加入Ru
第五代單晶合金，以日本的TMS-162為代表。含錸6%。
從上述情況看，含錸成分增加，正在成為單晶合金化學成分的主要特征和發(fā)展趨勢之一。第二代單晶合金終于加入了錸，并成功用于航空發(fā)動機，這說明人們對于錸的強化機理終于有了一定的了解。
相比艱難的理論研究，實踐的對比分析更加明朗化的展現(xiàn)了錸的應用優(yōu)勢：美國第三代單晶合金CMSX－10與CMSX－4相比：拉伸性能相當，高溫蠕變性能比CMSX-4高出30℃。至1163℃，CMSX－10仍比CMSX－4強得多。前者的可用溫度可達1204℃。如果按蠕變到１%的時間來比較，應力為207MPa時，CMSX－10仍比CMSX－4高出36℃；應力為138Mpa時，高25℃。CMSX－10在980℃/248MPa條件下，蠕變到１％的時間比其他合金長4.6-80倍。CMSX－10盡管其Ｃr含量低，但其抗氧化抗腐蝕性能仍與CMX-4相當。
當然，我們也應該看到錸的應用依然存在很多不確定性。一方面：大量難熔元素(尤其是貴金屬Re，Ru)的加入在提高合金性能的同時也提高了合金的成本。據(jù)估算，第二代單晶高溫合金元素加入了3%的Re之后成本提高了70%。另一方面，盡管多國的第三代甚至日本的第五代單晶合金都有了正式合金牌號，但目前的資料尚未表明其大規(guī)模應用在型號發(fā)動機上（F119用的還是二代單晶）。這進一步說明了理論研究和生產工藝的難度和風險。
如果有朋友知道三代單晶合金大規(guī)模用于型號發(fā)動機的消息，拜托告知兵器迷，多謝了！
這位看官說了：兵器迷你先別說謝，中國航空發(fā)動機究竟用上錸沒有??？
二、繼往開“錸”——錸在中國航空工業(yè)的應用
根據(jù)網(wǎng)上的公開報道：北京航空材料研究所在“九五”期間，開始對錸的強化機理進行了初步探索。
這個起步比發(fā)達國家晚了10-15年。
二十多年后的今天：
DD3第一代單晶合金（無錸）
20世紀80年代初，中航工業(yè)航材院在國內率先開始了單晶合金及葉片技術的研究，首先研制成功了我國的第一代單晶高溫合金DD3，低密變、低成本，可以達到1020℃的工作溫度?，F(xiàn)已推廣到太行發(fā)動機等多個機種，成為我國真正用于航空的第一代單晶合金。同時，DD3為我國渦軸發(fā)動機提供了關鍵材料，亦為國內首次應用。北京航空材料研究院(BIAM)和美國普拉特惠特尼公司(Pratt Whitney)對DD3單晶合金的成本、主要力學性能指標和單晶鑄造性能進行的評估。評估認為:DD3合金有優(yōu)良的力學性能和良好的鑄造性能,與美國第一代單晶合金PWA1480合金相當，且適合低成本生產,是一種很有推廣應用價值的航空發(fā)動機單晶渦輪葉片材料。
DD6第二代單晶合金（含錸2%）
20世紀90年代，北京航材院研制出的單晶高溫合金DD6，在1100℃/100h持久強度達140Mpa，適合制作具有復雜內腔的燃氣渦輪工作葉片，和在高溫、高應力、氧化及腐蝕條件下工作的高溫零件。1050-400℃下完全抗氧化，850-1000℃／100h條件下腐蝕速度≤0.18／平方米。DD6的拉伸、持久、抗氧化和耐熱腐蝕性能達到或部分超過國外第二代單晶合金。由于含錸只有2%，性能卻達到甚至在某些方面超過了國外含錸3%的第二代單晶合金，因而具有低成本優(yōu)勢。這也是我國目前承溫最高，綜合性能最好的單晶高溫合金。
特別的，由該合金制造的我國第一臺份單晶渦輪空心葉片近期已裝備某型先進航空發(fā)動機，并進行了試車考核。
WS-10G? WS15? 考驗想象力啊。兵器迷最恨“某型”兩個字，比恨馬賽克還恨！ 說笑了，呵呵。正經(jīng)的，個人估計是高推.
DD9 第三代單晶合金（含錸？）
21世紀初，中國研制了第三代單晶合金DD9?！兜谑弥袊邷睾辖鹉陼撐募份d文：北京航空材料研究院研制的DD9 合金， 含有Ta、Hf等元素，科學平衡W、Mo、Ta、Re等高熔點合金元素的含量，，DD9單晶高溫合金的熔化溫度范圍為1360℃-1411℃。拉伸性能與持久性能等達到了國外第三代單晶高溫合金的水平。合金熱處理后組織均勻穩(wěn)定、工藝性能良好，可用于制造具有復雜結構的薄壁空心渦輪葉片。與國外第三代單晶高溫合金相比，CMSX-10和TMS-75在1100℃/137MPa下的持久壽命分別為220h和224h，DD9為達226小時。且合金錸Re含量低于國外第三代單晶高溫合金，具有比較成本的優(yōu)勢。應用方面，采用DD9澆注了具有復雜結構的某型發(fā)動機單晶空心渦輪工作葉片。結果表明，葉片壁厚均勻，尺寸穩(wěn)定，單晶完整性良好，DD9合金具有優(yōu)良的鑄造工藝性能。
DD22 第四代單晶合金（含錸4.5-6%）
網(wǎng)載：第四代單晶高溫合金：DD22 合金、中國科學院金屬研究所發(fā)明一種高強度且組織穩(wěn)定的第四代單晶高溫合金，其特征在于:按重量百分比計，該合金的化學成分為:Cr3～5%，Co5～12%，W6～8%，Mo0.1～2%，Re4.5～6%，Ru2 ～4%，Al5.5 ～6.5%, Ta 6 ～10%，其余為Ni。另，某型號國產四代單晶X3含錸5%，含釕3%。
第五代高溫單晶合金材料（含錸？）
成都航宇超合金技術有限公司( 母公司為陜西煉石有色資源股份有限公司)正在研制第五代單晶合金及單晶渦輪葉片。
網(wǎng)上關于中國第五代單晶含錸合金的信息非常少——正常，最高端的東西，不會輕易上網(wǎng)的。值得注意的是宇超的母公司——煉石有色。
報載：煉石有色主營鉬精礦的鉬錸礦業(yè)公司,依托豐富的錸資源儲量，煉石有色發(fā)力建設含錸高溫合金葉片項目，意欲進軍航空高端材料及零部件制造行業(yè)。
2011年初，煉石有色與湖南有色金屬研究院簽署協(xié)議，共同研發(fā)從鉬錸精礦中分離鉬和錸的方法并獲得相關專利。
2013年，煉石有色公告顯示，航空發(fā)動機含錸高溫合金葉片項目總投資8.97億元，其中擬投入募資資金6億元，項目將新建一條80噸/年含錸高溫合金生產線 和一條5.5萬片/年單晶葉片生產線，建設期為2013年4月至2015年6月。該項目將由公司控股80%的子公司成都航宇實施。
2013年5月31日與雙流縣人民政府簽署了《航空發(fā)動機含錸高溫單晶合金葉片生產、維修及研發(fā)總部項目框架協(xié)議》,公司擬投8億元人民幣,在西南航空港經(jīng)濟開發(fā)區(qū)高端裝備制造產業(yè)園建設含錸高溫合金、葉片生產、維修及研發(fā)總部，建設期為2013年4月至2015年6月。
三、總結：
從資源上說，中國在世界上，有一定的錸資源，但品位一般，規(guī)模不及三甲，只有智利的20%,因此算不上錸資源大國。
中國的錸礦本來就很少，可是河南欒川鉬礦這個錸儲量大礦，卻依然前途不明。聯(lián)想起中國稀土和黑鎢礦的悲慘遭遇，兵器迷雖痛心疾呼，但人微言輕，也只有扼腕嘆息。
從開采上說，中國的錸開采和分離技術與世界先進水平相比，仍有差距。比如目前世界領先的高級萃取法和離子交換法，國內應用工業(yè)化推廣的程度還不夠高。特別是離子交換法，不危害人體，不污染環(huán)境，工藝簡單，操作方便。但離子交換樹脂的選擇性差、再生困難，對樹脂合成技術和樹脂解析技術提出了很高的要求。中國成都某廠采用大孔型陰離子交換樹脂D296從冶銅廢液中直接提取錸酸銨的新工藝方法。新工藝先進實用，錸提取率可達99%，是一個讓人欣喜的進步。希望能夠聽到更多更好的消息。
此外，隨著中國航空工業(yè)中越累越多的使用錸，從這些含錸廢件中二次提取也應當成為獲取錸的重要途徑，希望引起中國航空工業(yè)的重視。就是財大氣粗的美帝，在錸的回收上也是精打細算。GE航空發(fā)動機公司從2008年就開始研究含錸鎳基合金制造的高壓渦輪葉片的再循環(huán)使用。該公司在其七個維修中心，通過廢棄葉片回收計劃也收回了數(shù)千磅的高溫合金，其中最重要的目標就是錸。
家業(yè)越大，越會過日子，這才是帝范兒。中國某些人剛有幾個錢，還不一定是正道兒來的，就到處炫富，恨不能換膚成鈔票才好呢。興許是以前沒富過，覺著特新鮮。渾身嘚瑟，站都站不住啊。
從應用上說，中國與美國和日本的差距還是很大的：
從型號研制看，中國第四代單晶合金有了合金牌號，但第五代尚未公布。而日本的TMS-162單晶合金已經(jīng)有成熟產品和合金牌號。中國第三代單晶合金DD9在1100℃/137MPa下的持久壽命為226小時，第四代單晶合金的數(shù)據(jù)未知。而TMS-162的壽命高達959小時。估計這方面差距至少是一代。
從工程應用看：中國的DD6含錸單晶合金葉片在航空發(fā)動機試車的同期，美國研制成功第三代單晶高溫合金CMSX-10和RenéN6，也通過了先進航空發(fā)動機的試車考核。從這個角度看，我們在單晶高溫合金上與美國的應用差距也是一代。
從工業(yè)應用看，美國第二代單晶合金已經(jīng)大規(guī)模應用，而我國只實現(xiàn)了第一代單晶合金的大規(guī)模應用，差距也是一代以上吧。
當然，我們也需要認識到，由于中國鎳資源不足，鎳基單晶合金的研發(fā)受到一定影響。師昌緒大師曾領軍研制鐵基的高溫合金，耐高溫性能稍差，但是同等情況密度低、重量輕、成本低，也是國情現(xiàn)實下的無奈之舉。
看到這里，我們大概明白了，為什么美國人在《航空和空間技術周刊》撰文，詳細分析中國正在詢價購買大量錸的目的。美國人的心思有兩條：
第一：美國人擔心：從中短期期看，從2016年起中國的進口需求將達到每年4.5噸到5噸。雖然美國直接和間接控制了接近80%的全球錸資源，但中國此舉將抬高錸的市場價格，間接影響美國軍機的用錸成本。
第二：也是美國人最擔心的，從長期來看，大量錸采購的背后，是否說明中國已經(jīng)掌握錸的強化機理和生產工藝，并具備大批量生產高性能單晶高溫合金葉片的能力，進而突破高性能航空發(fā)動機的生產瓶頸，從而為緩解中國動力心臟病找到了一味對癥之藥？亦或只是進行一定的戰(zhàn)略物資儲備，為未來可能的技術突破和應用需求做好物質準備基礎？
答案是什么?
美國軍方想知道，這很自然。
中國軍迷也想知道，這是另一種自然。
或許，我們還看不清未來——因為，無論是前方的道路，還是我們的心里，都還有高山，有霧霾。
那就讓我們回過頭，看看過去，看看中國錸工業(yè)，乃至中國軍工的發(fā)展歷程。 如同鈦合金，如同碳纖維。小小的錸，再一次的像一面鏡子，反映出這個行業(yè)發(fā)展的艱難歷程:鏡子的一面，讓我們看到中國五代高溫合金，層出不斷，屢有新成；鏡子的另一面，也讓我們看到中國資源的先天不足和后天發(fā)展上與世界先進水平的巨大差距。
最要緊的，無論從哪一面，都能看到一樣東西，這就是中國軍工人的堅韌和執(zhí)著——困擾和風險依然很多，而唯一清晰的，是他們走過的堅實足跡，踏平坎坷，風雨兼程。
無論別人如何猜測，都不重要。因為，歷史的創(chuàng)造者們，只會用行動，去書寫未來。
這就是我們今天要講的故事：
路在腳下，鑒往知“錸”
注：所有資料來自于互聯(lián)網(wǎng)公開報道和公開出版物，如：
《錸在高溫合金中強化機理的研究》
《單晶高溫合金在航空工業(yè)中的應用》
《第十二屆中國高溫合金年會論文集》
《第三代單晶高溫合金DD9》
《中國航空工業(yè)材料手冊》
《中國產業(yè)信息網(wǎng)》
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