航空工業的“心病”有救了

左麗

隨著我國航空業的發展，對制造的要求越來越高。但是，航空發動機作為飛機的“心臟”，卻長期依賴國外公司的供應。形成這種“心病”的一大原因是發動機渦扇中的單晶葉片難以制得，對材料和生產工藝的要求很高。不過，一種超級金屬—錸的發現讓“病情”出現了轉機，隨著錸鎳合金單晶葉片制備工藝的發展，這種“心病”有了“新藥醫”。

“錸”之不易

1872年，俄國化學家門捷列夫預言，根據元素周期律，自然界中還存在一種尚未被人們發現的，原子量約為190的“類錳”元素。他在元素周期表上為其留出了位置，將錳下面的元素锝稱為一錳，再下一行的元素稱為二錳，而二錳就是后來發現的錸。

1913年，英國物理學家莫塞萊提出了原子序數的概念，這成為我們現在所使用的元素周期表中重要的組成部分，在每個元素方框的左上角標注。莫塞萊通過進一步研究，認定當時至少尚有4種新元素未能被人類發現，依次為43、61、72和75號。而錸，就是那神秘的75號元素。

科學家們試圖在錳礦、鉑礦以及鈮鐵礦中找到這個元素，但長期一無所獲。這一方面受制于當時的技術能力缺陷，另一方面錸在自然界中確實非常稀有，沙里淘金絕非易事。直到1925年，錸才正式走入了人們的視線。德國的沃爾特·諾達克、艾達·塔克和奧托·伯格三位科學家利用X光譜，從大量的礦物和巖石的濃縮產物中發現了這種新元素。為了紀念自己祖國的母親河，他們以拉丁詞Rhenus（萊茵河）命名該元素，這便是我們說的錸。不過，當時他們能向學界展示的只有含錸化合物的樣品，這讓部分科學家對這種新元素的發現依然存疑。但在1928年，諾達克、塔克和伯格成功從近700千克鉬鐵礦石中提煉出超過1克錸，平息了所有質疑的聲音。

錸在自然界中存在，但含量微小，它是地殼中含量倒數第四的元素（在地殼中的含量僅十億分之一），全球已探明儲量僅有約2500噸，比稀土元素更稀有。更多的錸存在于地核當中，但是我們無法觸及。不僅如此，錸還十分分散，沒有富集礦，大多共生于輝鉬礦等其它礦石中，作為礦渣的雜質出現。在烘烤礦石以獲得鉬的時候，錸會與空氣結合生成七氧化二錸（Re2O7），以氣體的狀態逃離。通過收集煙道中的氣體，能夠加工提取錸，但提取過程耗能很高，提取效率低下。從1噸高品位的金礦中能提煉出40克金，而1噸銅礦中只能獲得0.25克錸。

發動機的救命草

這樣一種罕見的元素應用范圍卻十分驚人。錸的熔點3180℃（僅次于碳和鎢），沸點5627℃（元素中排第一）。由于其高熔沸點的特殊性質，錸與其他金屬制成合金，能夠耐極限高溫。

航空發動機進入渦輪風扇發動機時代后，高壓渦輪的渦輪前溫度更高，葉尖間隙也更小，渦輪葉片變形的問題就顯得尤為突出。

在運行時，航空發動機需要保持極強的穩定性和耐熱性，以F-119型發動機為例，直徑僅1.168米的小個頭，卻需要提供15.6噸的推力。發動機將空氣進行壓縮之后壓入燃燒室，在狹窄的空間內和燃料發生劇烈燃燒，產生猛烈的燃氣噴射流，推動渦輪葉片高速旋轉，看起來弱不禁風的單薄零件瞬間便可產生巨大的動力。

但是，在此過程中，渦輪和風扇不僅需要承受巨大的壓力，還得忍受高溫的考驗。在飛機高速飛行時，航空發動機的工作溫度約1700℃，發動機葉片極易發生蠕變，即葉片發生變形。在壓力和高溫的雙重作用下或可導致渦輪葉片斷裂，葉片飛出后會損傷機匣，甚至發動機轉子系統完全損壞，危及飛機安全。因此，單晶葉片處于發動機中溫度最高、環境最惡劣的部位，是航空產品非常關鍵的零件，直接決定了發動機的性能。

科學家發現，在鎳合金中加入錸，可以顯著提升高溫合金的抗蠕變能力，長時間工作也不易變形，而這正是制造單晶渦輪葉片所需要的。有了這種材料，航空發動機在設計時可以提高發動機增壓比和熱效率，使得新研發的發動機能擁有更大的推力。借由錸鎳合金生產的單晶發動機葉片，渦輪發動機可以在更高的溫度下穩定工作。

其他用途

錸的另一個重要用途是用于石油行業的催化劑，能夠加快破解石油或天然氣的烴分子。催化重整是石油煉制過程之一，是提高汽油質量和生產石油化工原料的重要手段。錸鉑合金作為催化重整過程中的一種催化劑，能夠提高重整反應的深度，增加汽油、芳烴和氫氣等的產率。

在醫療用途方面，錸的兩種放射性核素186Re和188Re可以用于放射療法，治療肝癌、前列腺癌和骨癌，還可以緩解與某些癌癥相關的疼痛。

盡管錸十分罕見，在某些鐵礦石中還是找得到它。錸的同位素187Re是一種放射性同位素，從187Re到187Os（鋨的同位素）β衰變期非常長，達到41.6億年。地質學家使用基于巖石中錸-鋨同位素衰變進行同位素定年的方法，研究礦床成因、巖漿形成、地幔演化以及隕石形成等地球化學和宇宙化學問題。endprint