中國渦扇20研製原本可以更加快速:但因這一材料被美控制而受限

2020-12-17 鷹眼圖說觀察

有國外媒體報導,中國工程師已向外國同行證明自己有能力製造出單晶葉片,但中國人在批量生產方面遇到了困難。一名外國工程師表示,有中國同行告訴他,中國只有10%的單晶葉片能夠滿足使用要求,另一位剛剛和中國工程師聊過相關技術的外國工程師稱,中國能否在批量生產過程中保持產品質量還是一個未知數,而發動機材料的限制,讓中國新一代航空發動機,例如渦扇20、渦扇15等。難道是我國的材料技術與加工技術脫節的如此嚴重嗎?答案是否定的,造成這種困境的原因其實是我國缺少一種稀有金屬---錸。

錸是一種金屬元素,其密度21.04克/釐米 ,晶格類型為密排六方結構 。純錸質軟,外表與鉑同,有良好的機械性能——錸的機械加工是比較方便的(比鈦可容易多了)錸不溶於鹽酸和氫氟酸中,可溶於稀硝酸或過氧化氫溶液——這一點在錸的分離提取時有很大的用場。最特別的是,錸的熔點高達3180℃,沸點5627℃——這是使得錸在航空航天工業發動機材料應用的中成為最佳選擇。但是錸是一種稀散金屬,多以微量狀態伴生於鉬、銅、鉛、鋅、鉑、鉭、鈮、稀土等礦物中,很難單獨利用。

根據2015已探明的數據,全球錸儲量只有2800噸左右。其中智利的錸資源量最為豐富,為1300噸,其次為美國(390噸)、俄羅斯(310噸)、哈薩克斯坦(190噸)、亞美尼亞(95噸)、秘魯(45噸)以及加拿大(32噸),世界其他國家錸資源儲量的總和約為91噸。我國錸資源的保有儲量為237噸,幾乎全部伴生於鉬礦床中。

錸能夠同時提高鎢、鉬、鉻的強度和塑性,人們把這種現象稱為"錸效應"。如添加少量(3%~5%)的錸能夠使鎢的再結晶起始溫度升高300℃~500℃。因此錸與鎢、鉬或鉑族金屬所組成的合金或塗層材料,因其熔點高、電阻大、磁性強、穩定性好而被廣泛應用於電子、航天工業。如人造衛星和火箭的外殼、原子反應堆的防護板,用作超高溫加熱器以蒸發金屬,在火箭、飛彈上用作高溫塗層用,宇宙飛船用的儀器和高溫部件如熱屏蔽、電弧放電、電接觸器等都是利用錸的上述特性。

同時錸還能夠提高鎳高溫合金的蠕變強度,這類合金可用於製造噴氣發動機的燃燒室、渦輪葉片及排氣噴嘴等。錸鎳合金是現代噴氣引擎葉片、渦輪盤等重要結構件的核心材料。錸的使用既可提高鎳基高溫合金的性能;更可以製造出用於單晶葉片的合金。這兩方面的作用都能使渦輪(尤其是高壓渦輪)在更高溫度下工作。這樣的話,設計者就能加大渦輪壓力,進而提高作業效率;或者發動機可以加快燃料燃燒的速度,進而產生更大的推力。此外,人們可以把作業溫度維持在較低水平,擴大實際作業溫度和渦輪機最高允許溫度的差值,這樣就能延長使用壽命。人們還可以兼顧兩方面的考量,同時提高發動機的性能和耐用性。

中國的錸產量不高,每年兩噸左右,國內需求相應的不是很高,但這種狀況即將改變。有業內人士估計,從2016年起中國的進口需求達到每年4.5噸到5噸,其中一部分用於儲備。2003年,俄國家有色金屬科研所的專家,在伊圖魯普島庫德裡亞維火山區內發現了儲量豐富的純錸礦,並從庫德裡亞維火山熔巖噴出物中成功分離出9克戰略貴金屬錸,從而成為世界上首處純錸礦。俄羅斯自然資源部專家統計表明,隨著熔巖的噴發,此地區錸礦的儲量每年可增加36.7噸(大約相當於目前全球產量的75%)。這個伊圖魯普島,屬於南千島群島,也就是日方所稱的北方四島中的擇捉島。

錸礦的消息,自然使俄方「俄土雖大,必無一寸多餘」的立場更加真實堅定。但對日本人來說,也是增加了與俄羅斯談判的決心啊。作為一種戰略金屬,錸獲得了各主要國家的強烈關注。美國更是一馬當先,世界最大錸生產商美國鉬金屬公司,將智利、墨西哥和哈薩克斯坦的大部分錸產量,以長期合同的形式壟斷性的加以佔有(美國+俄羅斯佔有了2800噸儲量中的2300噸)。而且美國和俄羅斯本土的生產只為保持生產技術,所有本土產品和相當一部分進口產品都會儲備起來。錸需求量的增大,說明我國或許已經解決了高溫合金的技術難題,正在為未來的應用需求做好物質準備。

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