铼,铼,铼!速来围观这个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...
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。
图 1 一种比黄金贵很多倍的金属
图 2 “来”的各种书法字体
图 3 稀有的金属铼
铼的发现历史
早在1872年,俄国人门捷列夫就根据元素周期律预言,在自然界中存在一个尚未发现的,原子量约为190左右的“类锰”元素。也就是与锰、鍀等类似的一种未知锰族元素。从此,科学家们就从和锰性质相似元素的矿物,如锰矿、铂矿以及铌铁矿(钽和铌的矿物)中寻找这个元素,但却一直无果而终。
图 4 铼在元素周期表中的位置
图 5 德国地球化学家诺达克工作照
图 6 铼元素的真面貌
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。图 7 质地柔软的纯铼
图 8 铼溶于稀硝酸形成溶液
图 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?图 10 铼元素的核外电子排布
图 11 地壳中各元素的含量示意
图 12 辉铼矿
图 13 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‰。
图 14 矿物冶炼废渣
图 15 包含铼德高价氧化物的矿液
图 16 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)。图 17 铼德价格波动图
图 18 2012年世界各国铼德开采量
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。
图 19 一种铼作为催化剂的汽车尾气净化器
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。
图 20 以铼作阴极的X射线发射器
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。
图 21 抗拉强度和韧性良好的钨-铼合金丝
图 22 铼对合金单晶缺陷和不稳定相的改善
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%。
图 23 航空发动机上使用添加铼的合金
图 24 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%。
图 25 CFM56发动机使用铼的比例占3%
图 26 普惠 F-100发动机使用第二代含铼单晶叶片
图 27 使用铼的喷气式发动机
图 28 高压涡轮工作原理
为飞机检查“翅膀”可容不得差池,细品8大无损检测方法!
工程师的另类“兼职”,看大飞机是如何“化妆”的!
应用在俄MS-21机翼的非热压罐成型工艺,究竟是一门怎样的技术
转载请注明出处“航空制造网”微信公众号并附二维码
素材来源于网络,由凌飞整理创作
免责声明:本公众号所载内容为本公众号原创或网络转载,转载内容版权归原作者所有。如涉及作品内容、版权或其他问题,请跟我们联系!转载内容为作者个人观点,并不代表本公众号赞同其观点和对其真实性负责。本公众号拥有对此声明的最终解释权。
关注 航空制造网
微信扫一扫关注公众号