錸：用於航空航天發動機的戰略級材料

小火箭出品

本文作者：邢強博士

本文共5220字，63圖。預計閱讀時間：40分鐘。

本文是小火箭航空航天經典元素與材料系列文章第1季的第3篇。在本季文章的開篇《液態氫，一匹桀驁不馴的野馬》中，小火箭介紹和分析了氫元素，尤其是液態氫在導彈與運載火箭中的重要作用，指出了想要馴服液氫這匹動力強勁又個性十足的野馬需要非凡的耐心和先進的技術。

本季第2篇《鈹：洲際彈道導彈與核武器的關鍵材料》，小火箭指出了鈹這種材料在洲際彈道導彈與核武器以及其他領域的應用。

本文，小火箭將與大家一起探討在現代航空發動機與航天發動機中都有著重要作用的一種戰略級金屬：錸（音：來）。

上圖從左至右，依次為：純度為99.9999%、99.995%和99.99%的錸。

發現

1869年，門捷列夫發現了元素周期律，並就此發表了世界上第一份元素周期表。他把元素按原子量的大小順序排布的同時，將原子價相似的元素上下排成縱列。

在那之後，門捷列夫老爺子一直在不斷地豐富和完善元素周期表的內容。他在1871年預言，在錳副族中，會有尚未發現但卻一定會存在的元素。當時，他把這個元素叫做次錳。

1912年，英國天才物理學家亨利·莫塞萊發現，放射性物質在發生β衰變時會產生高電勢能，從而發明了世界上第一塊核電池。

1913年，作為盧瑟福博士的助手（有關盧瑟福博士的內容，詳見小火箭公號文章《電子火箭：小火箭聊在紐西蘭發射的新型小火箭》），莫塞萊的物理學天賦展露無遺。

他發現了原子序數的概念，而這個是現代我們使用的元素周期表的重要組成部分，出現在每個元素小方塊的左上角。

莫塞萊通過進一步研究，認定：當時至少尚有4種新元素未能被人類發現，依次為43、61、72和75號。（本文的主角錸Re，就是75號元素。）

然而，就在莫塞萊準備向這些尚未發現的元素挺進時，第一次世界大戰爆發了。

熱血沸騰的莫塞萊從牛津大學的實驗室中走了出來，加入了英國皇家工兵部隊，任通訊官一職。

1915年2月，加里波利之戰爆發。英法聯軍用62艘軍艦與大量輔助船隻強行闖入達達尼爾海峽，力圖打通博斯普魯斯海峽，然後佔領奧斯曼帝國首都伊斯坦布爾。

加里波利之戰是第一次世界大戰中非常著名的一場戰役，同時也是人類歷史上到第一次世界大戰為止規模最大的一次登陸戰。協約國在這場耗時11個月的戰役中犧牲了71985人。

這些犧牲的人當中，就有年僅27歲的物理天才莫塞萊。

後來，科研科普與科幻三相大師阿西莫夫認為，如果莫塞萊待在實驗室，他應該會獲得1916年的諾貝爾物理學獎。

後來，是一對夫婦提煉出了75號元素。不是居里夫婦，而是諾達克夫婦。

而此時，已經是10年後的1925年了。

（1908年，日本物理學家小川正孝實際上已經發現了75號元素錸，可惜的是他當年誤認為那是43號元素，錯失了良機。）

圖為艾達·諾達克（結婚前叫 艾達·斯塔）博士在實驗室的照片。她是人類當中第一位提出核裂變概念的科學家。

諾達克夫婦用了整整3年的時間對釩鐵礦進行提純，終於在1925年5月得到了2毫克的75號元素。

兩人商議後，決定用流經艾達出生地的萊茵河的名字來命名這種千呼萬喚始出來的元素。

萊茵河（德語：Rhein，英語：Rhine），錸元素：Rhenium。

厲害

這種被門捷列夫預言，被莫塞萊定位，最終被諾達克兩口子定名的75號元素，有什麼過人之處么？

哈！小火箭在這裡只能說：厲害了！75號元素錸！

首先，錸的名字雖然出自萊茵河，但卻暗含了千呼萬喚始出來的意味。錸是人類最後一個發現的穩定元素。

其次，錸在地球中的含量非常非常少，是地球上最為稀有的元素之一，比錸更稀有的也就是銥等少數幾種元素了。錸在地球上的含量只有十億分之一（甚至有科學家認為只有二十億分之一）。按排名來說，在各種元素中，排第77位。

按年產量來說，錸的峰值產量（不包括回收的錸）為4.5噸。作為參考，小火箭給出黃金的年均產量為1400噸。金子的產量是錸的311倍。

第三，錸非常耐高溫。錸的熔點是3186℃。縱觀元素周期表，這個熔點排第3位。從耐高溫的角度來看，錸僅次於碳和鎢。（碳沒有熔點，只有升華點，為3642 °C；鎢的熔點為3422℃。）

而錸的沸點為5596 °C，這一點，錸打遍整個元素周期表，尚未遇到對手，排名第一。

第四：錸非常耐腐蝕。強酸和強鹼都不能奈何錸。把濃鹽酸和濃硝酸按3:1的體積比混合，就製成了酸性和氧化性爆棚的液體：王水。王水能夠溶解黃金和白金（鉑）。

但是，在常溫常壓狀態下，王水對錸也是沒有辦法的。錸能抵抗王水的侵蝕，夠厲害了吧！

航空

上圖為典型的軸流式渦輪噴氣發動機圖解（淺藍色箭頭為氣流流向）

1 - 吸氣,2 - 低壓壓縮,3 - 高壓壓縮,4 - 燃燒,5 - 排氣,6 - 熱區域,7 - 渦輪機,8 - 燃燒室,9 - 冷區域,10 - 進氣口

提升噴氣式發動機性能的慣用途徑在於布雷森循環的後半段，即等熵膨脹和等壓放熱階段，或者簡單來說就是要設法升高噴氣發動機的渦輪前溫度。渦輪前溫度的升高對發動機性能的提升效果極為明顯，而且提升渦輪前溫度涉及到耐高溫材料、冷卻技術、塗層技術乃至發動機總體設計等方方面面，因此，渦輪前溫度在如今已經成為給噴氣式發動機進行劃代的一個比較偷懶的方法了。

對於噴氣式飛機上面採用的發動機來說，以J57（用於B-52、波音707）為代表的渦噴發動機，其渦輪前溫度在1300K以下。

另外，沿用了活塞式發動機的功率/重量比的概念，噴氣式發動機有一個更加直接的推力/重量比的概念。此時的噴氣式發動機的推重比在3到4之間。後來，以J79、TF-30為代表的發動機將渦輪前溫度提升到1500K，推重比上升到了5到6之間。

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而渦扇發動機概念的出現，給噴氣式發動機的發展帶來了新的活力。這種將空氣的流道分為內外兩個涵道的做法，更加充分地利用了讓渦輪和風扇旋轉的能量，提升了燃油利用率。

以F100和RB-199、AL-31為代表的渦扇發動機（上面3張圖依次為F100和RB-199、AL-31），其渦輪前溫度達到了1700K，其推重比也大多在7.5和8之間。

進入21世紀之後，工程師對推重比的追求開始白熱化，而高溫合金和先進塗層技術的發展更是促使噴氣式發動機的渦輪前溫度向2000K邁進，以F119和EJ200為代表的發動機的推重比紛紛開始準備跨越10這個大門檻。

早期渦噴或者渦扇發動機的溫度較低，用高溫鎳合金是可以對付的。

比如某型合金為：

鎳+11.5%的石墨。

到1000℃（1273K）時，合金成分開始變得複雜。

比如某型合金：

鎳+12%的銅+4%的鎘+16%硼的氮化物+2%的鋁+3%石墨。

高溫合金的精細結構到底長什麼樣子？

小火箭滿足你：

那個時代的航空發動機用的高溫合金，以PWA 1480為代表。長得像不像外星人的飛船？

再先進一些的高溫單晶，以CMSX-4為代表。

隨著航空發動機渦輪溫度的提高，其葉片的蠕變現象變得越來越不可忽略了。

所謂蠕變，也稱潛變，是在應力作用下固體材料緩慢且永久的變形。它的發生是低於材料屈服強度的應力長時間作用的結果。當材料長時間處於高溫或者在熔點附近時，蠕變會更加劇烈。蠕變速率常常隨著溫度升高而明顯加劇。

上圖為裝備在狂風戰鬥機上的RB199發動機的渦輪葉片的蠕變。

錸終於被想起來了。

研究表明，在鎳基超級合金中加入錸，能夠顯著提高渦輪葉片的抗蠕變性能，同時還能提高葉片的抗氧化和抗疲勞性能。於是，這就造就了含有錸的新一代單晶高溫合金。

實際上，美國早就在悄悄地在發動機高溫合金中添加錸了。

裝備在F-15、F-16戰鬥機和X-47B無人機上面的普惠F100發動機家族的渦輪葉片的合金中，就試驗性地添加了3%的錸，其抗蠕變效果顯著。

到了裝備在F-22戰鬥機上面的普惠F119系列發動機的時候，嘗到甜頭的美國工程師將錸的添加量增加到了6%。

從錸的含量上來說，鎳基單晶高溫合金從PWA1480以來，已經發展了四代，大致上可以這樣劃代：

第一代，不含錸；

第二代，含3%的錸；

第三代，含6%的錸；

第四代，含4%的錸和4%的釕。

實際上，美國、歐洲、中國等擁有自主研製航空發動機能力的國家都在對錸這種厲害的金屬垂涎三尺。

目前，全球的錸金屬的產出中，有70%被用在了航空發動機上。

其中，英國的羅羅公司這一家，就使用了全球28%的錸，美國通用電氣用了28%，美國普惠公司使用了12%。

這三家發動機巨頭使用了全球68%的錸，可見錸這種金屬與航空發動機領域的緣分之深。

航天

在2200℃的高溫下，用錸合金製成的火箭發動機噴管能夠經受住10萬次以上的熱疲勞循環！

因此，錸在火箭和衛星領域同樣有著重要的用途。

上世紀80年代，休斯公司（有關休斯公司與霍華德休斯本人，詳見小火箭的公號文章《兩次奔月！一顆傳奇廢棄衛星的自我救贖之路》）的601HP衛星平台上，開始嘗試使用錸合金噴管。

這是阿波羅飛船上面的R-4D姿態控制發動機。

這發動機的設計非常經典，以至於在上世紀60年代之後，雖然阿波羅計劃早已遠去，但是R-4D發動機依然在應用中。

比如世界上最大的貨運飛船歐洲自動運載器上面，就採用了R-4D發動機。（具體型號是R-4D-11）

從R-4D-14開始，該發動機的噴管採用錸合金打造，並在內層鋪上了銥合金塗層。

這樣的火箭發動機，內部燃燒室最高溫度接近2200℃，而外側則是接近絕對零度的宇宙空間，溫差巨大。

由於採用了錸，R-4D-14發動機乾脆不用液膜冷卻了！就這樣干燒。

按目前的設計指標，干燒15小時，是沒有問題的。真是太省事了。（用錸合金做成鍋來做法的話，豈不是不怕忘記關火了？）

採用R-4D-14錸合金噴管發動機的休斯601衛星平台（當然，休斯公司的衛星業務被波音收購後，該平台現在的名字叫波音601了。）

在導彈上，錸金屬也是有應用的。

美國先進海基反導攔截彈項目的攔截彈，使用了錸合金製成的薄壁噴管。

另外，既然錸噴管這麼厲害，那麼傳統的帶液膜冷卻的發動機就可以被這樣的一種設想所替代：

用太陽能帆板獲取能量，加熱火箭燃燒室內的液氫，產生巨大的熱量。極熱的氫通過錸噴管噴出，產生高效能的推力。這種單組元火箭發動機的成功與否，直接依賴於錸噴管的耐熱性能。

蘊藏

錸的主要來源是作為銅礦副產品回收的輝鉬礦。實際上， 錸並不能從礦石中直接提取, 而是要從硫化銅礦或者輝鉬礦焙燒產生的煙塵中，先用浸出法，再用溶劑萃取法或離子交換法提煉而得。

輝鉬礦

產自加拿大魁北克的一塊石英上，生長著一大塊輝鉬礦（外接圓直徑15毫米）。

小火箭做了個圖。

全球錸的具體蘊藏量尚不明確，但從探明儲量上來看，全球有2500噸的錸。

大部分錸蘊藏在智利（1300噸），其次在美國（390.1噸），然後是俄羅斯（310.4噸）。

上圖那個其他國家中，秘魯和加拿大佔去了大多數。

說起俄羅斯的錸，就不得不提一個小島了。1994年，科學家在俄羅斯南千島群島的擇捉島上的庫德里亞維火山上發現了錸。原來，這座島上的火山每年都向外以二硫化錸的形式噴出一些錸。

擇捉島的火山噴出的二硫化錸長這樣：

從23年的觀測和統計來看，該火山每年最少噴出20公斤錸，最多的一年，噴出了60公斤錸。

包括擇捉島在內的四座島嶼（日方稱作「北方四島」）是日本與俄羅斯領土爭端的重要區域。

小火箭覺得，單純從擇捉島富產錸金屬這一個因素來看，俄羅斯也終將不會絲毫放鬆對該島的控制的。

上圖為第二次世界大戰期間，蘇聯對日本宣戰的官方文件的掃描件。

與小火箭之前講到的鈹不同，可惜的是，在錸資源方面，中國沒能有得天獨厚的條件。

在可預見的將來，到2030年，全球僅民航客機的新機交付量就會達到3.4萬架，因此發動機的需求在7萬台左右。即使是按新工藝中對錸的依賴程度較低的配方，發動機渦輪葉片也需要1700噸的錸。

考慮到錸的回收，綜合算來，僅在民航客機的生產上，未來對錸的年均新需求會在86噸左右。

這樣算來算去，可以發現，如果再加上軍用航空發動機和火箭發動機的需求的話，目前全球蘊藏的這些錸是不太夠用的。

另外，在催化領域，錸的需求量也是很大的。含有30%錸的錸鉑合金是催化重整過程中的一種重要催化劑。這種石油加工過程能夠提高石腦油的辛烷值。

在航空發動機大量應用錸合金之前，石油催化領域是錸的主要需求方。

當然，全力以赴爭取錸這種戰略物資的供應是一種解決方案，而在高溫合金中尋找減少對錸依賴的配方也是一種巧妙的解決方案。

北京航空航天大學的宮聲凱、鄧淞文、徐惠彬教授團隊曾在2007年就給出了一種不依賴於錸金屬添加的單晶高溫合金方案。

配方如下：

鎳+7.5%的鎢+7%的鉻+5%的鈷+6%的鋁+6%的鉭+0.75%的鈦

這樣的單晶合金能夠在1040℃下保持良好的性能，基本上能夠達到第二代單晶的水平。

這台CFM56渦扇發動機的渦輪葉片依然使用了含3%的錸的鎳基單晶高溫合金。而在後續的升級項目中，一個重要的目標就是在發動機性能不變甚至有所提升的前提下，將錸的用量從目前的3%降到1.5%。

小火箭相信他們有這個動力來這樣做，畢竟，每公斤的錸價值4575美元（每盎司142.30美元），也就是每公斤錸的價值約3萬元人民幣。在每個葉片中添加3%的錸，會讓葉片的成本提高72%。

但是，無論如何，把獲取和儲備錸資源作為一項長期戰略來加以實施是符合我們的發展需求的。

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