中國幅員遼闊,珍寶眾多,為現代工業提供了關鍵的稀有金屬元素。 即使有些稀有金屬暫時未被發現或儲量很小,我們總能找到它們,例如航空發動機中的關鍵元素錸。
最近,我們不僅在陝西發現了錸礦,而且在安徽省湛嶺鉬礦床中也發現了伴生的錸礦,這讓其他國家羨慕不已。
自古以來,人類對未知世界的探索從未停止。 1869年,俄國科學家Dateleleev揭示了“元素週期表”,他認為其中含有尚未被人類識別的元素。
1913年,英國天才物理學家亨利·莫塞利提出了原子序數的概念,並估計至少有四種元素尚未被發現,包括75號元素。
1925 年 5 月,經過三年的努力,諾達克夫婦在實驗室成功提取了 2 毫克的 75 號元素,並將其命名為“錸”,靈感來自萊茵河,這是人類發現的最後一種穩定元素。
錸是一種銀白色稀有金屬,在地殼中的儲量極其有限,僅佔地球的很小一部分。 據統計,全球已探明的錸儲量約為2500噸,其中西半球佔世界的75%,智利以1300噸儲量位居世界第一,美國以390噸儲量位居世界第二,俄羅斯以310噸儲量位居第三。
中國大型錸礦僅在2010年左右被發現,位於陝西省羅南縣黃龍浦鉬礦區,儲量約176噸,是中國最大的錸礦。
2017年在安徽省荊縣展嶺鉬礦床發現伴生錸礦,儲量約30噸,開發條件良好。 雖然中國的錸儲量僅佔世界總量的2%左右,但已探明的儲量已經打破了美國等西方國家的壟斷。
然而,在錸被發現後的很長一段時間裡,它沒有得到有效的利用,主要用於實驗研究。 這是由於錸的特殊性質,一方面,錸具有極高的耐溫性,熔點為3186,僅次於鎢; 另一方面,錸的沸點高達5596,在整個元素週期表中排名第一,是沸點最高的物質。
錸是一種稀有金屬,具有驚人的耐腐蝕性。 不管是強酸還是強鹼,甚至被稱為“王水”,都能溶解**和鉑金,都不能被侵蝕。
然而,由於科技水平的限制和錸的稀有性,人們對其應用價值認識不足,最初主要用於實驗室研究和石油催化。
直到20世紀50年代,錸才在現代工業中發揮了重要作用。
噴氣發動機的發展導致了錸的廣泛使用。 最初,當科學家開發渦輪噴氣發動機時,他們注意到渦輪葉片和殼體之間存在很大的間隙,並且渦輪機前溫度相對較低。
因此,渦輪葉片在執行過程中因高溫而產生的變形較小,基本在可控範圍內。
科學家發現,在渦輪機公升高之前,溫度公升高後,發動機的效能顯著提高。 例如,美國B-52轟炸機中使用的J57發動機,當渦輪機前的溫度低於3K時,推重比約為4-1300。
然而,當 J79 發動機將預渦輪增壓溫度提高到 1500K 時,推重比上公升到 5-6 之間。 為了更好地利用渦輪機和風機旋轉的能量,提高燃料的利用率,渦扇發動機應運而生。
這種新型發動機的出現進一步提高了發動機的效能。 例如,以F100為代表的渦扇發動機可以達到1700K的渦輪前溫度,推重比提高到7在5-8之間。
隨著汽輪機前溫度的不斷公升高,高溫鎳合金的蠕變現象逐漸加劇。 當材料長時間暴露在高溫下或接近熔點時,變形變得更加明顯。
為了找到更耐高溫和抗蠕變的合金,科學家們已經開始研究錸,錸特別耐高溫和耐腐蝕。 美國是第乙個在發動機渦輪葉片合金中加入錸的國家。
早在 F-15 和 F-16 戰鬥機的開發中,他們就已經在渦輪葉片中新增了 3% 的錸,科學家發現這顯著提高了渦輪葉片的抗變形能力。
對這一發現感到興奮的美國科學家進一步將錸新增到F-22發動機中的錸量增加到6%,效果顯著。
雖然在合金中新增了釕以提高其穩定性,但錸仍然是不可缺少的元素。 錸的戰略重要性逐漸顯現,製造航空發動機的國家開始競相購買錸。
現在,世界上80%的錸用於航空發動機製造。 通用電氣、勞斯萊斯和普惠等三大航空發動機巨頭使用全球68%的錸,美國使用錸量最大,每年高達40噸。
然而,錸是一種極其稀缺的資源。 根據2019年的資料,全球錸年產量約為45噸,僅智利就佔產量的49%。
為了獲得更多的錸資源,美國已經在全球許多擁有豐富錸資源的國家部署,如智利和哈薩克。 通過簽署長期合同,他們“壟斷”了這些國家的大部分錸生產。
美國不僅大量開採錸,而且還將其儲存起來,以防萬一無處可尋。 歐盟、日本、俄羅斯開始採取各種措施“搶購”,但由於進入較晚,暫時無法與美國抗衡。
錸是一種在航空發動機領域備受關注的金屬,在火箭和衛星領域也具有不可忽視的地位。 因為由錸合金製成的火箭發動機噴嘴在2200的高溫下可以承受超過100,000次的熱疲勞迴圈,這是其他材料無法比擬的。
在上世紀80年代,錸合金噴嘴已被美國休斯公司用於製造衛星,阿波羅飛船的發動機也使用了這種合金。 此外,美國的研究發現,由錸合金製成的複合材料為負267超導性可以在15時發生,雖然這個溫度仍然很低,但它已經是超導體中的高臨界溫度。
因此,科學家們正在研究錸在超導領域的應用,期待它對人類工業進步做出更大的貢獻。
中國在科技發展和錸利用方面略落後於其他國家。 然而,成都航天高溫合金科技有限公司於2010年在龍浦鉬礦區礦山成功發現錸資源,並與湖南有色金屬研究院合作,經過一年多的努力攻克了多項技術難題,最終實現了錸的提純。
該公司是中國最早開始加工和利用錸的公司之一。
早期,我國航空發動機技術相對落後,國內市場對錸的需求量不大。 航天希望與海外企業合作,通過“以資源換技術”的戰略,引進錸合金製造技術。
然而,航空航天公司很快面臨兩難境地:國際買家希望簽署長期協議並購買航空航天公司生產的所有錸,但這與技術交流的要求相衝突。
原因是所有掌握這項技術的企業都受到美國法律的限制,不能參與技術合作。 而且,由於西方國家對中國的技術封鎖,即使西方公司在中國投資,其核心技術也會對中國員工保密。
因此,航空航天公司需要找到一種方法來滿足國際買家的需求,同時實現技術交流。
羅爾斯·羅伊斯雖然在中國建了工廠,但給中國員工設定了不少障礙,前航天副總經理宋揚在公司工作了七年,無法獲得核心技術。
由於西方對中國採取的嚴格封鎖政策,這家航空航天公司下定決心開發自己的航空發動機單晶渦輪葉片。 航天企業已經意識到,如果與西方企業合作,只會成為“元素商人”,但如果能夠自主研發單晶渦輪葉片,將為國內更好的發動機研發做出貢獻。
作為民營企業,要想進入航空業的資本和人才密集型行業,需要克服資金、人才、技術、裝置等諸多困難。
此外,他們必須為航空發動機生產最關鍵和最複雜的單晶渦輪葉片,這無疑是乙個艱鉅的挑戰。
在**的幫助下,該航空航天公司從航空發動機巨頭中找到了幾位頂尖的海外專家,他們在航空發動機研發、測試和維護方面有著豐富的經驗。
但是,要讓這樣的專家願意去國外,去一家“鮮為人知”的中國公司,一切都要從頭開始,這是非常困難的。 航空航天一再被拒絕,幾乎處於絕望的境地。
好在2012年,國家“十二五”規劃明確提出,要突破航空發動機核心關鍵技術,加快航空發動機製造產業化。
在國家的支援下,航天公司通過“海外高層次人才引進計畫”引進了頂尖的海外專家,並建立了自己的研發團隊,宋揚也正是在那個時候加入了航天公司。
在引入專家團隊後,航空航天公司的主要任務是解決裝置問題。 單晶渦輪葉片的生產需要使用單晶爐,但當時國內還沒有合適的產品。
於是,宋揚帶領團隊前往歐洲尋找合適的單晶爐。 最初,他們試圖從歐洲知名製造商那裡購買單晶爐,但對方只提供標準化產品,不願意根據航空航天公司的需求進行定製。
最終,這家航空航天公司不得不尋找其他解決方案。 經過多次嘗試,他們找到了一位願意定製的英國**商人。 在看到航天公司提供的引數後,龍頭公司發現他們的計畫與西方先進公司的計畫是一致的,並認為航空航天公司很有可能克服這一困難。
雖然這家英國公司並不在乎這家航空航天公司到底想用單晶爐生產什麼,但他們只想賣更多的裝置。 然而,航空航天公司並沒有上當,而是購買了裝置並培養了人才。
2015年,他們成功開發了第一款單晶葉片。 經國際權威檢測報告驗證,這些單晶葉片的高溫拉伸效能和高溫耐久性均達到歐美標準。
雖然有些細節有待進一步完善,但這標誌著中國成功打破了國外的技術封鎖,生產了自己的單晶葉片。 2017年,成都成為“中國製造2025”試點示範城市,航天公司也持續獲得各級資金支援,不斷改進和發展單晶葉片。
雖然最近的報道顯示,航天已經實現了單晶葉片的量產,但我們還沒有看到任何關於國產單晶葉片的報道。 這似乎印證了央視幾年前報道的乙個觀點:開放市場的時間比生產週期要長。
航天公司的單晶葉片目前可能無法與進口產品相比,但我們相信,經過長期的研發,在不久的將來,我們將看到國產單晶葉片在航空發動機中的身影。
此外,我國單晶葉片技術在一定程度上受到限制,在錸資源方面也存在不足。 資料顯示,全球新飛機交付數量可能達到3架40,000,這需要70,000個航空發動機,這需要大約1,700噸錸。
面對未來全球每年約86噸錸的需求,以及對軍工和火箭的需求,地球的錸資源無疑將面臨嚴峻的考驗。 因此,我們不僅要全力以赴進口和儲備錸資源,還要不斷探索減少高溫合金對錸依賴的可能性,以免在錸資源更加稀缺時被其他國家“扼殺”。