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航空发动机的“壮骨粉”

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航空发动机的“壮骨粉”

李浩然

厉害的“铼”闪亮登场

如果说,航空发动机是现代工业的“皇冠”,那么,涡轮叶片无疑就是“皇冠上的明珠”。

涡轮叶片处于航空发动机中温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位,是航空产品的第一关键零件。以F-22的发动机F-119为例,其直径仅1.168米,却需要提供156千牛的推力。在飞行中,其涡轮和风扇除了承受极大的压力,还需忍受高温的煎熬。在飞机高速飞行时,F-119的发动机涡轮前温度可高达1977K(约1700℃)。因此,选择合适的材料来制造涡轮叶片至关重要。

在早期的涡轮喷气发动机时代,涡轮前温度较低,叶片大多采用高温镍合金(能够承受1000℃左右的高温)。但是,到了涡扇发动机时代,涡轮前温度高了很多,高温镍合金根本扛不住,叶片会发生蠕变(指发动机叶片承受不住高温和压力发生变形)。这会带来涡轮叶片发生断裂、叶片飞出损伤机匣等严重后果,危及飞机安全。

研发出具备高耐热性和高抗变形性的涡轮叶片,成为摆在各国研发人员面前的难题。

这时候,“铼”登场了。拥有强大性能的铼是制造涡轮叶片的首选材料。把铼加入镍基超级合金中,只需一点点,就能大幅提高涡轮叶片的抗蠕变性,同时还能提高叶片的抗氧化和抗疲劳性能。

此外,小到排气喷嘴、石油催化剂,大到火箭(在2200℃的高温下,用铼合金制成的火箭发动机喷管能够经受住10万次以上的热疲劳循环)、卫星和导弹,铼在很多关键领域都有重要应用。

什么是“铼”

1869年,俄国化学家门捷列夫发表了世界上第一份元素周期表。其后他指出,在锰副族中,会有尚未发现但一定存在的元素。这种元素就是“铼”。

1925年,德国化学家诺达克用光谱法在铌锰铁矿中发现了这种元素,取莱茵河的称谓,将其命名为“铼”。这种“千呼万唤始出来”的金属非常厉害:

熔点高达3180℃,仅次于目前自然界最难熔化的钨(3410℃)。

沸点高达5627℃,在整个元素周期表里独占鳌头。

耐腐蚀,强酸和强碱遇到铼只能无可奈何。把浓盐酸和浓硝酸按3∶1的体积比混合,就制成了能够溶解黄金和白金(铂)的王水。但是,在常温常压下,王水对铼毫无作用。

铼,素有“航空发动机壮骨粉”之称。由于欧美长期对我国实行技术封锁,“铼”成为长期掣肘我国航空发动机研发的瓶颈问题。

现在,依托对铼的勘探发掘和含铼高温合金技术的使用,中国企业已经能够生产出航空发动机中最关键的部位——铼镍合金单晶叶片。

西方分析人士認为,如果中国把铼运用到航空发动机领域,并取得技术突破,就会打破欧美对该领域的技术垄断。

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