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    有了金屬元素錸就能生產出先進的航空發動機了嗎?


    美國是最大的錸金屬消費國,控制著全球銷售市場,一直處于壟斷地位。前不久,一則中國突破國外封鎖,探測到儲量達176噸的錸,并成功攻克錸的提純技術,生產出了高質量的飛機發動機單晶渦輪葉片的新聞刷爆網絡,一時間,錸這種金屬元素成為各媒體熱議的話題。
      錸被廣泛應用于噴氣式發動機和火箭發動機,全球約80%的錸用于生產航空發動機,其在軍事戰略上的意義不言而喻。那么,有了錸就能生產出先進的航空發動機了嗎?接下來我們逐一分解。

     。ń饘馘n)
     。ㄒ唬┰板n”如此,這種超級金屬比鉆石還珍貴
      錸,是一種極為稀有的金屬元素。
      1872年,門捷列夫根據元素周期律預言,在自然界中存在一個尚未發現的,原子量為190 的“類錳”元素。直到 1925 年,德國化學家諾達克用光譜法在鈮錳鐵礦中發現了這個元素,取萊茵河稱謂將其命名為“錸”。
      錸在地殼中的含量約為十億分之一,僅僅大于鏷和鐳。這種金屬熔點為 3180 ℃,是僅次于鎢(3308 ℃)的第二難熔金屬,而且它不形成固定礦物,通常與其他金屬伴生,是自然界最后被發現的稀有元素。
      除高熔點外,錸還有強度高、塑性好等特點,因此,在高溫、急速冷卻或急速升溫并同時有劇烈機械沖擊和振動等極端惡劣的條件下,它也能夠長時間工作,抵御變形和開裂。此外,特殊的電子構型使錸及其化合物都具有優異的催化活性。
      錸的這些特性使得它很快進入了科學家們的視野,并在工程界得到了大量運用。
     。ǘ┖娇瞻l動機工作時溫度達1600多度,唯有錸不會被熔化
      在世界上所有的機械設備中,航空發動機毫無疑問是最為復雜的一種,它被譽為現代工業的“皇冠”,而在航空發動機的所有零部件中,渦輪葉片是其關鍵部件,也被譽為“皇冠上的明珠”。

     。▏a先進發動機的代表之一——渦軸9發動機)
      在發動機工作時,渦輪葉片不僅需要同時承受約1600攝氏度高溫、數十個大氣壓和每分鐘數萬的轉速,還要承受強大離心力的持續作用。面對這樣嚴苛的條件,發動機所用材料必須滿足不能熔化、不能變形、不能斷裂的要求,而錸的一系列特性,使其成為極佳選材之一。
      我國在大飛機制造技術上與西方發達國家仍存在較大差距,最明顯的短板就在于航空發動機性能不佳。航空發動機的設計和制造涉及現代工業的無數個領域,不可能一蹴而就,在我國現有的工業基礎上如何設計制造出性能優良的航空發動機也就成為我國科學家和工程師們孜孜不倦的追求。
      1、渦輪前溫度直接影響航空發動機壽命

      說到航空發動機的性能,首先離不開基本理論。上圖是航空發動機典型的熱力循環過程,在圖中最右邊是T-S(溫-熵)曲線,在1-2-3-4四個工作點中圈出的面積即代表了發動機工作過程中產生的有用功,即對外輸出能量的能力。由圖中可以看出,在其他點不變的情況下,第3點在縱坐標上的高度越高,那么圈出的面積越大,而這第3點就是航空發動機性能的一項重要指標——渦輪前溫度,渦輪前溫度越高,通常發動機工作效率越高,推力越大。
      而以往我國的航空發動機由于技術水平相對落后,為了使發動機達到足夠的推力,只能提高渦輪前溫度。但渦輪前溫度并不是無限提高,最終需要渦輪葉片來承受,渦輪前溫度越高,渦輪葉片的工作環境就越惡劣,在臨界條件下,甚至每提高10℃,就會讓渦輪葉片的壽命降低一半,使得發動機的可靠性大幅下降。
      2、錸讓渦輪葉片在更高溫度下工作
      在發動機設計、制造水平不可能迅速全面提升的現實情況下,提高單項關鍵技術的水平也就成為國產航空發動機現實的選擇,而如何讓渦輪葉片能夠在更高溫度下工作,也就成為了關鍵中的關鍵。
      比起上一代航空發動機采用的定向結晶的普通葉片,新一代航空發動機普遍采用單晶葉片,這可增加 200 ℃左右的渦輪前溫度。而有錸加入單晶葉片,可以增強材料各方面的性能。因此可以說,沒有錸,就不可能有先進的航空發動機。
      正是看到了單晶高溫合金葉片對發動機性能的提升,我國也在一直進行著單晶高溫合金葉片的研發工作。但此前由于錸資源控制在其他國家手中,中國獲取錸的途徑非常有限,價格高昂且不能保證供應量(截至9月4日,一千克國產錸在市場上的售價達37000-45000元左右,不足進口價的一半),很顯然,如果沒有足夠的錸供應,那么即使研發出了單晶高溫合金葉片,研發投入也很難轉換為實際產品,這使得國內單晶葉片的研發進度舉步維艱。

     。ㄈ┖娇瞻l動機是綜合的系統工程,錸雖然重要但并非萬能
      近年來,合金研發人員試圖將錸的含量增加到大約6%, 來改善單晶合金葉片的高溫性能。
      不過,在單晶葉片中增加錸的比例也不是萬能的,單晶高溫合金葉片制造的難度極大,首先是發動機的渦輪葉片的結構非常復雜,不僅外形為復雜曲面,而且在內部布滿了精密氣冷通道,這使得葉片鑄造過程中難以保證不偏離設計狀態。更為困難的是,單晶葉片制造過程中會出現雜晶、小角晶界、取向偏離、再結晶、型殼反應、表面疏松、熱裂紋等多種不同類型的缺陷,每種缺陷的產生都可以造成葉片嚴重超差,往往只能報廢處理,合格率很低。
      錸的加入使得葉片在顯微組織上的穩定性問題變得突出,在高溫下暴露時葉片內部會形成不希望產生的拓撲密排脆性相(TCP,可以看做是一種缺陷),TCP相的存在有時會引起力學性能的降低。當錸元素含量高時易產生 TCP相的析出,在單晶葉片制造中就易生成晶粒缺陷、斑點及偽晶等問題。
      針對單晶葉片制造的技術難題,我國的科學家和工程團隊系統開展了單晶葉片缺陷形成機制的基礎研究,通過在實驗室中進行結構設計、蠟模成型、原料制備、熔模精鑄以及性能測試后,將研究成果在制造廠進行生產驗證。鑄造單晶葉片是一個精益求精的過程。只有每一個環節做到近乎百分之百的完美,才能保證一個相對較高的產品合格率。
      結語
      這次探測到錸并成功攻克錸的提純技術,讓國產渦輪葉片的原材料供應得到保障。在這之后,我國新型航空發動機中的高壓渦輪轉子單晶葉片也順利通過了發動機的試車考核,性能優良的葉片使該發動機的耗油率、壽命等指標都達到了國際先進水平,填補了國內空白。錸供應量的穩定,大大促進了新型發動機的研制和批產,也必將幫助國產飛機早日擺脫“心臟病”的困擾。


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