中国幅员辽阔,珍宝众多,为现代工业提供了关键的稀有金属元素。 即使有些稀有金属暂时未被发现或储量很小,我们总能找到它们,例如航空发动机中的关键元素铼。
最近,我们不仅在陕西发现了铼矿,而且在安徽省湛岭钼矿床中也发现了伴生的铼矿,这让其他国家羡慕不已。
自古以来,人类对未知世界的探索从未停止。 1869年,俄国科学家Dateleleev揭示了“元素周期表”,他认为其中含有尚未被人类识别的元素。
1913年,英国天才物理学家亨利·莫塞利提出了原子序数的概念,并估计至少有四种元素尚未被发现,包括75号元素。
1925 年 5 月,经过三年的努力,诺达克夫妇在实验室成功提取了 2 毫克的 75 号元素,并将其命名为“铼”,灵感来自莱茵河,这是人类发现的最后一种稳定元素。
铼是一种银白色稀有金属,在地壳中的储量极其有限,仅占地球的很小一部分。 据统计,全球已探明的铼储量约为2500吨,其中西半球占世界的75%,智利以1300吨储量位居世界第一,美国以390吨储量位居世界第二,俄罗斯以310吨储量位居第三。
中国大型铼矿仅在2010年左右被发现,位于陕西省罗南县黄龙浦钼矿区,储量约176吨,是中国最大的铼矿。
2017年在安徽省荆县展岭钼矿床发现伴生铼矿,储量约30吨,开发条件良好。 虽然中国的铼储量仅占世界总量的2%左右,但已探明的储量已经打破了美国等西方国家的垄断。
然而,在铼被发现后的很长一段时间里,它没有得到有效的利用,主要用于实验研究。 这是由于铼的特殊性质,一方面,铼具有极高的耐温性,熔点为3186,仅次于钨; 另一方面,铼的沸点高达5596,在整个元素周期表中排名第一,是沸点最高的物质。
铼是一种稀有金属,具有惊人的耐腐蚀性。 不管是强酸还是强碱,甚至被称为“王水”,都能溶解**和铂金,都不能被侵蚀。
然而,由于科技水平的限制和铼的稀有性,人们对其应用价值认识不足,最初主要用于实验室研究和石油催化。
直到20世纪50年代,铼才在现代工业中发挥了重要作用。
喷气发动机的发展导致了铼的广泛使用。 最初,当科学家开发涡轮喷气发动机时,他们注意到涡轮叶片和壳体之间存在很大的间隙,并且涡轮机前温度相对较低。
因此,涡轮叶片在运行过程中因高温而产生的变形较小,基本在可控范围内。
科学家发现,在涡轮机升高之前,温度升高后,发动机的性能显着提高。 例如,美国B-52轰炸机中使用的J57发动机,当涡轮机前的温度低于3K时,推重比约为4-1300。
然而,当 J79 发动机将预涡轮增压温度提高到 1500K 时,推重比上升到 5-6 之间。 为了更好地利用涡轮机和风机旋转的能量,提高燃料的利用率,涡扇发动机应运而生。
这种新型发动机的出现进一步提高了发动机的性能。 例如,以F100为代表的涡扇发动机可以达到1700K的涡轮前温度,推重比提高到7在5-8之间。
随着汽轮机前温度的不断升高,高温镍合金的蠕变现象逐渐加剧。 当材料长时间暴露在高温下或接近熔点时,变形变得更加明显。
为了找到更耐高温和抗蠕变的合金,科学家们已经开始研究铼,铼特别耐高温和耐腐蚀。 美国是第一个在发动机涡轮叶片合金中加入铼的国家。
早在 F-15 和 F-16 战斗机的开发中,他们就已经在涡轮叶片中添加了 3% 的铼,科学家发现这显着提高了涡轮叶片的抗变形能力。
对这一发现感到兴奋的美国科学家进一步将铼添加到F-22发动机中的铼量增加到6%,效果显着。
虽然在合金中添加了钌以提高其稳定性,但铼仍然是不可缺少的元素。 铼的战略重要性逐渐显现,制造航空发动机的国家开始竞相购买铼。
现在,世界上80%的铼用于航空发动机制造。 通用电气、劳斯莱斯和普惠等三大航空发动机巨头使用全球68%的铼,美国使用铼量最大,每年高达40吨。
然而,铼是一种极其稀缺的资源。 根据2019年的数据,全球铼年产量约为45吨,仅智利就占产量的49%。
为了获得更多的铼资源,美国已经在全球许多拥有丰富铼资源的国家部署,如智利和哈萨克斯坦。 通过签署长期合同,他们“垄断”了这些国家的大部分铼生产。
美国不仅大量开采铼,而且还将其储存起来,以防万一无处可寻。 欧盟、日本、俄罗斯开始采取各种措施“抢购”,但由于进入较晚,暂时无法与美国抗衡。
铼是一种在航空发动机领域备受关注的金属,在火箭和卫星领域也具有不可忽视的地位。 因为由铼合金制成的火箭发动机喷嘴在2200的高温下可以承受超过100,000次的热疲劳循环,这是其他材料无法比拟的。
在上世纪80年代,铼合金喷嘴已被美国休斯公司用于制造卫星,阿波罗飞船的发动机也使用了这种合金。 此外,美国的研究发现,由铼合金制成的复合材料为负267超导性可以在15时发生,虽然这个温度仍然很低,但它已经是超导体中的高临界温度。
因此,科学家们正在研究铼在超导领域的应用,期待它对人类工业进步做出更大的贡献。
中国在科技发展和铼利用方面略落后于其他国家。 然而,成都航天高温合金科技有限公司于2010年在龙浦钼矿区矿山成功发现铼资源,并与湖南有色金属研究院合作,经过一年多的努力攻克了多项技术难题,最终实现了铼的提纯。
该公司是中国最早开始加工和利用铼的公司之一。
早期,我国航空发动机技术相对落后,国内市场对铼的需求量不大。 航天希望与海外企业合作,通过“以资源换技术”的战略,引进铼合金制造技术。
然而,航空航天公司很快面临两难境地:国际买家希望签署长期协议并购买航空航天公司生产的所有铼,但这与技术交流的要求相冲突。
原因是所有掌握这项技术的企业都受到美国法律的限制,不能参与技术合作。 而且,由于西方国家对中国的技术封锁,即使西方公司在中国投资,其核心技术也会对中国员工保密。
因此,航空航天公司需要找到一种方法来满足国际买家的需求,同时实现技术交流。
罗尔斯·罗伊斯虽然在中国建了工厂,但给中国员工设置了不少障碍,前航天副总经理宋扬在公司工作了七年,无法获得核心技术。
由于西方对中国采取的严格封锁政策,这家航空航天公司下定决心开发自己的航空发动机单晶涡轮叶片。 航天企业已经意识到,如果与西方企业合作,只会成为“元素商人”,但如果能够自主研发单晶涡轮叶片,将为国内更好的发动机研发做出贡献。
作为民营企业,要想进入航空业的资本和人才密集型行业,需要克服资金、人才、技术、设备等诸多困难。
此外,他们必须为航空发动机生产最关键和最复杂的单晶涡轮叶片,这无疑是一个艰巨的挑战。
在**的帮助下,该航空航天公司从航空发动机巨头中找到了几位顶尖的海外专家,他们在航空发动机研发、测试和维护方面有着丰富的经验。
但是,要让这样的专家愿意去国外,去一家“鲜为人知”的中国公司,一切都要从头开始,这是非常困难的。 航空航天一再被拒绝,几乎处于绝望的境地。
好在2012年,国家“十二五”规划明确提出,要突破航空发动机核心关键技术,加快航空发动机制造产业化。
在国家的支持下,航天公司通过“海外高层次人才引进计划”引进了顶尖的海外专家,并建立了自己的研发团队,宋扬也正是在那个时候加入了航天公司。
在引入专家团队后,航空航天公司的主要任务是解决设备问题。 单晶涡轮叶片的生产需要使用单晶炉,但当时国内还没有合适的产品。
于是,宋扬带领团队前往欧洲寻找合适的单晶炉。 最初,他们试图从欧洲知名制造商那里购买单晶炉,但对方只提供标准化产品,不愿意根据航空航天公司的需求进行定制。
最终,这家航空航天公司不得不寻找其他解决方案。 经过多次尝试,他们找到了一位愿意定制的英国**商人。 在看到航天公司提供的参数后,龙头公司发现他们的计划与西方先进公司的计划是一致的,并认为航空航天公司很有可能克服这一困难。
虽然这家英国公司并不在乎这家航空航天公司到底想用单晶炉生产什么,但他们只想卖更多的设备。 然而,航空航天公司并没有上当,而是购买了设备并培养了人才。
2015年,他们成功开发了第一款单晶叶片。 经国际权威检测报告验证,这些单晶叶片的高温拉伸性能和高温耐久性均达到欧美标准。
虽然有些细节有待进一步完善,但这标志着中国成功打破了国外的技术封锁,生产了自己的单晶叶片。 2017年,成都成为“中国制造2025”试点示范城市,航天公司也持续获得各级资金支持,不断改进和发展单晶叶片。
虽然最近的报道显示,航天已经实现了单晶叶片的量产,但我们还没有看到任何关于国产单晶叶片的报道。 这似乎印证了央视几年前报道的一个观点:开放市场的时间比生产周期要长。
航天公司的单晶叶片目前可能无法与进口产品相比,但我们相信,经过长期的研发,在不久的将来,我们将看到国产单晶叶片在航空发动机中的身影。
此外,我国单晶叶片技术在一定程度上受到限制,在铼资源方面也存在不足。 数据显示,全球新飞机交付数量可能达到3架40,000,这需要70,000个航空发动机,这需要大约1,700吨铼。
面对未来全球每年约86吨铼的需求,以及对军工和火箭的需求,地球的铼资源无疑将面临严峻的考验。 因此,我们不仅要全力以赴进口和储备铼资源,还要不断探索减少高温合金对铼依赖的可能性,以免在铼资源更加稀缺时被其他国家“扼杀”。