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为何国产飞机发动机叶选择稀缺的铼,而不用耐

来源:www.dbkyw.com   时间:2023-03-04 17:55   点击:290  编辑:admin   手机版

一、为何国产飞机发动机叶选择稀缺的铼,而不用耐高温的钨?其中有什么原因?

航空发动机代表了一个国家航空工业的水平,受制于航空发动机的研发水平,世界上能独立生产航空发动机的国家屈指可数,而航空发动机的涡轮叶片更是“皇冠上的明珠”,涡轮叶片的性能水平,是发动机先进程度的重要标志。

涡轮发动机叶片要承受较大的工作应力和非常高的工作温度,而且这种应力和温度的变化是非常频繁地发生,此外还有腐蚀和磨损等问题,因此在材料的选择上,就非常苛刻;而现代发动机叶片的材料,为了兼顾各种性能要求,并不是用某种单一的金属材料来生产,而是由很多种材料来合成。

国外自上世纪70年代以来,开始研制定向凝固高温合金、单晶高温合金等涡轮叶片材料,也让航空发动机具有了优异的性能;国内的航空发动机水平,经过这些年的奋起直追后,到目前为止已经发展到比较成熟的水平,与世界先进水平的距离越来越近。

国产第三代DD409单晶耐高温合金,其中就含有镍,钼,钛,铼,钨,铬等元素,其实这些元素在世界各国的发动机叶片中都有,只是含量比例各自不同而已。

钨的熔点是3422℃,理论上是最适合生产发动机叶片的材料,但是钨在高温下容易与氧气发生反应,除此之外,钨在高温下也会升华为气态,所以单一的钨金属,并不是生产发动机叶片的理想材料。

而铼的熔点是3186℃,也非常适合在高温下工作,它的抗拉伸强度高达1172Mpa,在高温和急冷急热状态下转换非常稳定,不会出现变形,所以铼是非常好的航空发动机叶片材料,可以提升单晶合金叶片的抗蠕变,耐高温,抗氧化性能。

但航空发动机还要考虑其它方面的要求,所以铼在发动机叶片中的含量也不会超过6%,而且钨也是航空发动机叶片的材料之一,只是含量不如铼高而已。

因为钨的熔点在高温下容易与氧气发生反应,升为气态,所以不是生产发动机叶片的理想材料,而铼非常适合在高温下工作,它的抗拉伸强度非常高,而且在高温和极冷极热的状态下转换非常稳定,不会出现变形,所以是非常好的航空发动机叶片材料,可以提升单晶合金叶片的抗蠕变,耐高温、抗氧化的性能。

因为铼是不会产生热胀冷缩的现象的,这种特性是非常适合制作一些飞在天上的东西,是不会产生一些意外的情况的,这种东西有着一个很好的稳定性的,可以应对一些极端的天气的。

因为只有它才是最适合发动机的,而且这样能够保证国产飞机的飞行情况,也不会出现氧化的情况,不会在行驶的过程中下降。

这两种元素的特质是不一样。铼延展性更好一些,更加的安全一些。虽然价格贵,但是使用寿命长。钨耐高温,但是用的时间非常短。

二、铼的用途?

在冶金工业中,铼作为合金添加元素,可以改善提高合金的性能。例如,纯钨和纯钼在温度较低的情况下会变得脆如玻璃,难以进行工艺加工,因而用途受到限制。但在钨或钼中加入适量的铼制成的钨铼合金或钼铼合金,则具有良好的塑性,可以加工成各种结构材料,而且还保持高硬度、高强度和耐高温等特性。美国载人航天器上的不少零部件就是用这类铼合金制造的。在铬镍合金中添加少量的铼,能够大大提高合金的熔点和强度,用这种合金制作的零部件,其使用寿命可延长几倍至数十倍。

铼在电机、电子和仪器仪表等领域的用途更是令人瞩目。自动电子继电器等许多电子设备中使用的一个重要器件———电触器,通常是用钨制作的,在一些不利的工作条件下,这种电触器的寿命很短,有时用了几昼夜就损坏了。而铼制电触器由于具有独特的性能,能连续使用数月甚至数年。铼合金是制造阴极头的良好材料,一些大功率发射管、磁电式仪表和其它电真空仪表,已采用铼合金阴极头。铼极其耐磨,用铼合金制作罗盘及精密仪表的转轴及指针,既精确又耐用。普通钨灯丝的表面如果涂上一层铼,使用寿命可延长5~10倍。铼还可用于制作笔尖,铼金笔堪称“长寿笔”。

现在,大家见到较多的,还有测量温度的钨铼热电偶.还有航空航天设备中的很多部件,以及飞机发动机涡轮叶片,都要用到铼。

总之,铼的用途非常广泛,只是由于价格昂贵,使得它的使用受到限制

三、价比钻石的“珍宝铼”到底是什么?为何说航空工业发展取决于它

1870年,化学家门捷列夫在发布元素周期表时,预测了一种神奇的元素。1914年,英国物理学家 亨利・莫塞莱推算出这种元素的一些数据。直到1925年,奥托・伯格在铂矿、铌铁矿中探测到这种元素,并正式命名为―― 铼 。

科学家介绍: 铼是一种银白色的重金属,化学符号Re,熔点3186 ,沸点5596 。它是熔点、沸点最高的元素之一;是地球地壳中最稀有的元素之一,含量预估为十亿分之一,且多数与钼共生。

从属性上看,铼只是一个熔沸点较高、储量很低、有些普通的稀有元素。但是,我却要告诉大家,从现代工业的角度上讲,铼可以说是至关重要!甚至不少地质学家把它比喻成“ 珍宝铼”。

经过询问,几位地质研究员告诉我:铼这种稀散金属,由于它比钻石开采难度更大,因此价格十分昂贵。我查询到:2013年8月,铼平均售价1kg/ 4575$(美元)。大家要知道,当时的金价才每金衡盎司142.30$(美元)。

因为, 铼可以应用在航空、火箭发动机的燃烧室、涡轮叶片、排气喷管、高效能喷射引擎等多项尖端军事、工业领域上 。所以,铼元素的地位可谓十分重要。然而,在上个世界的很长一段时间里,铼一直被束之高阁。

我查阅资料发现:1925-1950年,受限于当时的 科技 ,大家对“铼”元素的认知普遍不够;更因为铼的储量稀少,科学家仅是将其放在实验室进行研究,并没有进行合理、有效地利用。

1950年,因为美苏冷战,喷气式飞机得以迅速发展。洛克希德・马丁公司的工程师在研制飞机发动机时发现:机匣与涡轮叶片间保留较宽的缝隙,涡轮前方温度会比较低,叶片不会因工作高温而产生形变。

不过,工程师们随后发现: 涡轮前温度每增加100 ,发动机功率便会提升15% 。 比如,大名鼎鼎的B-52轰炸机,采用J57发动机时,涡轮温度1300k,推重比为3-4;当换装J59发动机时,涡轮温度1500k,推重比竟然上升到了5-6。

因此,工程师们首先改进了涡轮发动机。新发动机被命名为: 涡扇发动机 ,也就是现在的主流发动机。它可以更加充分地利用涡轮前的高温、风扇旋转的能量,让发动机性能得以进一步提升。比如J59的改进型,涡轮温度1700k,推重比达到了7.5-8.5。

随着推重比的增加,涡轮温度升高,工程师们发现,由镍合金构成的涡轮叶片开始逐渐蠕变(变形),甚至与发动机机匣子发生碰撞。此时,作为熔点仅次于钨的铼终于走进了大家的视野。

1970年,麦道公司在F-15的发动机涡轮叶片上,混合了3%的铼,工程师发现:叶片抗高温效果异常良好。2003年,科学家将铼的含量提升到6%,结果F-22的机动性获得了大幅度的提升,达到了惊人的2.25马赫(2410km/h)。

NASA发现: 在合金中,添加铼元素后,合金的高温抗蠕变强度会大大增加。 于是,NASA将铼合金应用在火箭发动机的尾喷管。他们发现,铼合金制造的火箭尾喷管,可以在2200 高温下,反复烘烤10万次而不达到热疲劳。

尝到甜头的NASA于是大手一挥,将阿波罗号的飞船发动机、助推火箭发动机全部采用铼合金,以期增加推力。作为地球上熔、沸点最高的元素之一,铼元素更是被欧洲核物理学家看中, 作为可控核聚变反应炉内壁的备选材料 。

从此,在人类现代工业中,铼终于找到了自己的用武之地。但,正如我前文所说:铼是一种极为稀缺的资源。根据美国地质调查局2015年发布的数据,全球铼储存量约为2500t。其中,智利最为丰富1300t、美国390t、俄罗斯310t、哈萨克斯坦190t。

自此,全球80%的铼元素都被都应用在航空发动机上。据资料统计,仅通用电气、罗尔斯、普拉特三大航空发动机巨头就使用了全球68%的铼产量。因此,西方对铼元素的消耗量是巨大的,每年达到了70t。

尽管我国从1960年就开始探寻金属 铼元 ,但是在50年时间里,一直没有探明大规模储藏。要知道:巧妇难为无米之炊,资源决定了 科技 发展的速度。作为涡轮叶片的主要材料,正是因为铼资源的稀缺,我国在航空发动机领域一直没有很大的突破。

2010年,地质学家在陕西省洛南县中发现大型铼矿,储量约为176t;2017年,地质勘探队在安徽省泾县发现铼矿,探明储量30t,开发条件极为良好。终于,这些探明的铼矿帮助我们工业发展,迈出坚实的第一步。

此前,我国铼资源大多依靠进口,由于数量一直受限,加之自身产量不高,只能优先供给航天火箭的发动机使用。时至今日,铼矿的发现才让我国的航空、航天事业得以飞速发展。

近期,中国科学家宣布:将铼用在航天器的涂层使用。众所周知,航天器在往返太空时,由于与大气层的剧烈摩擦会产生的高温,这对航天器的要求非常高。因此,科学家看中了铼的熔点较高,决定采用铼当作航天器的涂层使用。

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