这是人类在地壳中发现的最后一种金属,它将会显著提升航空发动机的性能。
随着我国航空业的发展,对制造的要求越来越高。但是,航空发动机作为飞机的“心脏”,却长期依赖国外公司的供应。形成这种“心病”的一大原因是发动机涡扇中的单晶叶片难以制得,对材料和生产工艺的要求很高。不过,一种超级金属—铼的发现让“病情”出现了转机,随着铼镍合金单晶叶片制备工艺的发展,这种“心病”有了“新药医”。
“铼”之不易
1872年,俄国化学家门捷列夫预言,根据元素周期律,自然界中还存在一种尚未被人们发现的,原子量约为190的“类锰”元素。他在元素周期表上为其留出了位置,将锰下面的元素锝称为一锰,再下一行的元素称为二锰,而二锰就是后来发现的铼。
1913年,英国物理学家莫塞莱提出了原子序数的概念,这成为我们现在所使用的元素周期表中重要的组成部分,在每个元素方框的左上角标注。莫塞莱通过进一步研究,认定当时至少尚有4种新元素未能被人类发现,依次为43、61、72和75号。而铼,就是那神秘的75号元素。
科学家们试图在锰矿、铂矿以及铌铁矿中找到这个元素,但长期一无所获。这一方面受制于当时的技术能力缺陷,另一方面铼在自然界中确实非常稀有,沙里淘金绝非易事。直到1925年,铼才正式走入了人们的视线。德国的沃尔特·诺达克、艾达·塔克和奥托·伯格三位科学家利用X光谱,从大量的矿物和岩石的浓缩产物中发现了这种新元素。为了纪念自己祖国的母亲河,他们以拉丁词Rhenus(莱茵河)命名该元素,这便是我们说的铼。不过,当时他们能向学界展示的只有含铼化合物的样品,这让部分科学家对这种新元素的发现依然存疑。但在1928年,诺达克、塔克和伯格成功从近700千克钼铁矿石中提炼出超过1克铼,平息了所有质疑的声音。
铼在自然界中存在,但含量微小,它是地壳中含量倒数第四的元素(在地壳中的含量仅十亿分之一),全球已探明储量仅有约2500吨,比稀土元素更稀有。更多的铼存在于地核当中,但是我们无法触及。不仅如此,铼还十分分散,没有富集矿,大多共生于辉钼矿等其它矿石中,作为矿渣的杂质出现。在烘烤矿石以获得钼的时候,铼会与空气结合生成七氧化二铼(Re2O7),以气体的状态逃离。通过收集烟道中的气体,能够加工提取铼,但提取过程耗能很高,提取效率低下。从1吨高品位的金矿中能提炼出40克金,而1吨铜矿中只能获得0.25克铼。
发动机的救命草
这样一种罕见的元素应用范围却十分惊人。铼的熔点3180℃(仅次于碳和钨),沸点5627℃(元素中排第一)。由于其高熔沸点的特殊性质,铼与其他金属制成合金,能够耐极限高温。
航空发动机进入涡轮风扇发动机时代后,高压涡轮的涡轮前温度更高,叶尖间隙也更小,涡轮叶片变形的问题就显得尤为突出。
在运行时,航空发动机需要保持极强的稳定性和耐热性,以F-119型发动机为例,直径仅1.168米的小个头,却需要提供15.6吨的推力。发动机将空气进行压缩之后压入燃烧室,在狭窄的空间内和燃料发生剧烈燃烧,产生猛烈的燃气喷射流,推动涡轮叶片高速旋转,看起来弱不禁风的单薄零件瞬间便可产生巨大的动力。
但是,在此过程中,涡轮和风扇不仅需要承受巨大的压力,还得忍受高温的考验。在飞机高速飞行时,航空发动机的工作温度约1700℃,发动机叶片极易发生蠕变,即叶片发生变形。在压力和高温的双重作用下或可导致涡轮叶片断裂,叶片飞出后会损伤机匣,甚至发动机转子系统完全损坏,危及飞机安全。因此,单晶叶片处于发动机中温度最高、环境最恶劣的部位,是航空产品非常关键的零件,直接决定了发动机的性能。
科学家发现,在镍合金中加入铼,可以显著提升高温合金的抗蠕变能力,长时间工作也不易变形,而这正是制造单晶涡轮叶片所需要的。有了这种材料,航空发动机在设计时可以提高发动机增压比和热效率,使得新研发的发动机能拥有更大的推力。借由铼镍合金生产的单晶发动机叶片,涡轮发动机可以在更高的温度下稳定工作。
其他用途
铼的另一个重要用途是用于石油行业的催化剂,能够加快破解石油或天然气的烃分子。催化重整是石油炼制过程之一,是提高汽油质量和生产石油化工原料的重要手段。铼铂合金作为催化重整过程中的一种催化剂,能够提高重整反应的深度,增加汽油、芳烃和氢气等的产率。
在医疗用途方面,铼的两种放射性核素186Re和188Re可以用于放射疗法,治疗肝癌、前列腺癌和骨癌,还可以缓解与某些癌症相关的疼痛。
尽管铼十分罕见,在某些铁矿石中还是找得到它。铼的同位素187Re是一种放射性同位素,从187Re到187Os(锇的同位素)β衰变期非常长,达到41.6亿年。地质学家使用基于岩石中铼-锇同位素衰变进行同位素定年的方法,研究矿床成因、岩浆形成、地幔演化以及陨石形成等地球化学和宇宙化学问题。