小火箭 鈮：火箭導彈與飛機發動機的關鍵材料

小火箭出品

本文作者：邢強博士

本文共6916字，90圖。預計閱讀時間：45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4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。

在第3篇《錸：用於航空航天發動機的戰略級材料》中，小火箭和大家一起分析了錸的特性以及錸在發動機高溫合金中的應用。這種戰略級材料，目前有70%用在了航空發動機上。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%。

本文，小火箭將要和大家一起探討的，是鈮這種在火箭和導彈的發動機以及航空發動機上起著重要作用的金屬。

我們會聊到鈮的發現、鈮的貢獻，以及我們日常生活中能夠見到的美麗的絢麗的鈮。

傳奇身世

如今，我們提起鈮，讀過中學化學的好友們通常能夠在元素周期表中尋找到她的位置。

鈮，第41號元素。鈮的密度為8.57克/立方厘米。如果製成同樣大小的方塊的話，鈮塊要比鐵塊重一些，比銅塊輕一些。（工業純鐵的密度為7.87克/立方厘米，銅的密度為8.9克/立方厘米。）

鈮，這種密度介於銅和鐵之間的金屬，熔點為2477℃，沸點為4744℃。

她有著獨特的美麗。上圖右側為純度為99.995%的鈮晶體，左側為純度為99.95%的鈮金屬方塊。方塊的邊長為1厘米。表面的魅惑紫色是鈮經過陽極氧化處理後產生的效果。

鈮是漂亮的也註定會是傳奇的，然而就像美貌最怕時間，夢想最怕命運那樣，鈮被人類發現和應用的整個過程都是曲折的。

公元1469年，卡斯提爾公主伊莎貝拉與阿拉貢王子費迪南聯姻。

公元1492年1月2日，率大軍親征的伊莎貝拉一世和費迪南攻下了統治伊比利亞半島南部達700年之久的摩爾人的最後一個重鎮格拉納達。

從這一天起，西班牙這個國家的疆域開始有了雛形。

也就在公元1492年，御駕親征的伊莎貝拉公主和阿拉貢王子費迪南召見了克里斯托弗·哥倫布。

國家連年征戰，百廢待興，而哥倫布提出的大航海計劃實在是太過龐大了。

就在眾人議論紛紛準備第四次否決哥倫布的計劃時，伊莎貝拉公主沉思片刻，就毅然決然地答應了哥倫布的所有請求。

她深知國庫空虛，而遠征的艦隊又急需資助。於是，伊莎貝拉摘下了她的耳環、項鏈和服飾上的珠寶，放在一個小盒子里親手遞給了哥倫布。

如今，當我們感慨皇家馬德里足球俱樂部的富有時，不要忘記，在526年前，就在離俱樂部不遠處的宮殿里，一位征戰多年的位高權重的女人為了鼓勵探索精神而拿出了自己最為心愛的珠寶首飾。

小火箭風格：女王除了把貼身珠寶資助給了哥倫布之外，還承諾了讓哥倫布和他的後人擔任新大陸總督，並在所有斬獲中提取一成作為收入這兩個史無前例的條件。

1492年10月12日，哥倫布到達美洲大陸。從此，大西洋兩岸不再有分隔的文明。

美洲大陸的豐饒讓老歐洲的人嘆為觀止，對美洲的研究從此一發不可收拾。

哥倫布向伊莎貝拉和費迪南帶回了黃金和新的地理大發現。

公元1588年，英國皇家海軍在格瑞福蘭大海戰中一舉擊潰擊敗西班牙無敵艦隊，這標誌著英國的崛起。最終，大英帝國成為了人類歷史上繼西班牙之後的第二個日不落帝國。

而大英帝國的科學家們和博物學家們也早早地啟動了探索美洲大陸的計劃。

公元1620年，100餘名英國清教徒乘五月花號來到新大陸。美洲從此有了新的意義。這幅畫是歐洲畫家威廉·哈爾索爾在1882年畫的。

1734年，一塊在北美洲發現的外形奇特的礦石被送往大英帝國博物館。

博物學家們對這塊礦石有一種奇妙的直覺，但是卻又說不出這塊石頭有什麼獨特的地方。

就這樣，那塊石頭在大英帝國博物館一躺就是67年。

直到1801年11月的一個狂風大作的清晨，在大英帝國博物館工作的裹著厚重大衣的英國科學家查爾斯·哈切特沒法出去散步，百無聊賴中，他翻找出了一塊外形奇特的礦石。

簡單分析後，他發現，這裡面極有可能有新元素！

小火箭在這裡要特別指出的是，查爾斯·哈切特此時36歲，而元素周期表的發明人門捷列夫老爺子此時還未出生。

門捷列夫生於1834年2月8日，這是大英帝國博物館裡36歲的查爾斯發出興奮的喊叫聲之後33年的事情了。

用現在的話說，就是您的好友門捷列夫還有33年上線。

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。

1801年，大英帝國博物館的查爾斯·哈切特對於元素周期律還沒有太多想法。不過，他在那塊礦石里找到的元素的確不是人類已知的金銀銅鐵錫。

1801年11月26日，查爾斯·哈切特在英國皇家學會宣讀了他的論文《在北美一塊礦石中發現了一種金屬》。

考慮到那塊礦石是從北美洲發現的，查爾斯將這種新的金屬命名為鈳 columbium，元素符號為Cb。這是向哥倫布致敬的做法。

當然，在大英帝國博物館裡做出紀念對西班牙無敵艦隊有重要意義的哥倫布的決定需要面臨太多阻礙。這些自不必說。

但是，為什麼我們在現在的元素周期表中，找不到鈳元素呢？

小火箭把故事講完。

鈮的身世，往前追溯到西班牙皇室、哥倫布大航海和大英帝國皇家海軍對西班牙無敵艦隊的勝利，直到大英帝國博物館的偶然發現，只完成了一半。

1802年，安德斯·古斯塔夫·埃克貝格在瑞典發現了鉭元素。

1809年，英國化學家威廉·沃拉斯頓認為鉭和鈳是同一種元素。

科學家們並未對此形成共識，這一爭論，整整持續了37年。

1846年，德國化學家海因里希·羅澤提出了新觀點。他認為鉭礦石中通常伴生著一種新的元素。

根據希臘/羅馬神話中，宙斯之子坦塔羅斯有個女兒叫尼俄伯（淚水女神）。於是，他把這種伴生的新元素起名為鈮 Niobium，符號為Nb。

後來，隨著技術的發展，測量設備越來越精密，人類終於發現，鈮和鉭是不同的。而鈮和鈳實際上則是同一種元素。

1949年，鈮成為正式名稱。而出於對哥倫布和哥倫比亞的尊重，美國的冶金學家們拒不使用鈮，而依然用鈳這個叫法。

當然，隨著時代的發展，全球科學家和工程師已經對鈮這個名字擁有越來越多的共識了。

重要應用

早在上世紀20年代，人類工程師就發現了鈮的重要性能。她是鋼鐵中的鋼鐵，是錚錚鐵骨中的不屈女神。雖然人類以淚水女神的名字命名了鈮，但是鈮一旦加入鋼鐵之中，就能賦予鋼鐵神力。

鋼鐵中僅需加入0.03%的鈮，就可以讓強度提升30%以上。

通常，中碳鋼的屈服強度為250MPa，而加入很少的鈮之後，屈服強度可以提升為350MPa以上。

像上圖那樣的世界貿易中心雙子座大廈，就大量應用了含鈮的鋼鐵。

當然，這僅僅是鈮的早期應用形式。

1957年，美國全年工業用鈮的總量為10噸。

而到了1967年，美國全年工業用鈮的總量飆升為200噸！

這十年期間，發生了什麼？

答：人類要登月。阿波羅計劃在推動人類材料科學大發展的過程中，發現了鈮的神秘力量。

當我們感慨土星5號重型運載火箭起飛瞬間的磅礴之時，或許應該拿出一些精力來致敬當年的工程師們。

阿波羅計劃中的登月艙，總重14.696噸，其發動機要完成登月過程中的減速和從月面自主起飛的全過程的點火任務。

考慮到僅下降段就需要長達1000秒的點火，普通材料製成的噴管是不行的。

鈮是難熔金屬，擁有2477℃的高熔點，而其密度比銅還要小，是咱們詳細了解過的錸金屬的2.5分之一。

又輕又耐熱，咱們一下子就想到了火箭發動機和航空發動機。

當年的工程師們也想到了。

於是，大名鼎鼎的C-103鈮合金問世。

阿波羅飛船服務艙的噴管擴張段、阿波羅登月飛船的主發動機噴管，就採用了C-103鈮合金。

小火箭風格，C-103鈮合金的成分：

89%的鈮 Nb +10%的鉿 Hf + 1% 的鈦 Ti

錸合金和C-103鈮合金在飛船上的大量應用保證了阿波羅計劃的成功實施。

通過阿波羅計劃，人類完成了首次登陸月球，並且安全採樣返回的壯舉。

宇航員塞爾南正在駕駛阿波羅17號飛船帶上月球的月球車。

迄今為止，人類留在月球上的物品足足有170噸之多，

而人類從月球取回的月壤和月球岩石則為382公斤。

這382公斤當中，有110.5公斤是阿波羅17號這一艘飛船帶回來的（佔總量的28.9%）。

當時，蘇聯在做什麼呢？

他們也想要完成登陸月球並從月球取樣返回的任務。可惜受制於火箭運載能力（詳見小火箭的公號文章《承載蘇聯載人登月夢想：N-1火箭》），他們只好採用無人登月的方式，把希望寄托在機器人身上。

協調世界時公元1970年9月20日05點18分，蘇聯研製的5.6噸重的月球16號登月飛船軟著陸月面成功。

1970年9月24日05點26分，月球16號飛船帶著從月球自動抓取的101克月壤成功返回地球。

這是人類第一次使用機器人在月球軟著陸並成功取樣返回。同時，這也是繼阿波羅11號和阿波羅12號之後，第3艘成功在月面軟著陸的人類飛船。

美國的阿波羅飛船，考慮到火箭發動機長時間工作情況下的工況，採用了鈮合金噴管。那麼，蘇聯工程師是怎樣解決了這個問題的呢？

答：蘇聯工程師也同樣採用了鈮。但是，他們沒有用C-103鈮合金，而是用了鈮-鈦多層結構。

這是蘇聯爆炸焊接技術製造的鋁-鈦多層結構。

爆炸焊接，就是藉助爆炸的力量，讓金屬在一瞬間結合在一起的焊接技術。

上圖：1為包覆層。 2為再固化區。 3是靶底。 4為爆炸瞬間。 5是爆炸殘餘粉末。 6為等離子射流。

鈮和鈦，使用普通的焊接技術是較難結合在一起的。為了保證結構強度和結合效果，蘇聯工程師對月球16號飛船的發動機關鍵部件使用了爆炸焊接技術。

為了直觀展示，小火箭專門向好友借用了相關設備和設施，給力的好友給出了鈮金屬和鈦金屬在爆炸焊接之後的精細結構：

爆炸發生之後，在鈮和鈦的結合面，鈮被捲起的鈦旋渦裹挾住，形成了漂亮的圖畫，同時也構成了牢固的連接。

在軍事領域，鈮合金也開始大展身手。

C-103，這種含鈮89%的合金開始出現在多種導彈武器身上。

三叉戟潛射洲際彈道導彈的第三級發動機的擴張段就是用C-103鈮合金製成的。

美國唯一在役的陸基洲際彈道核導彈民兵系列，其第三級發動機的伸縮噴管擴張段同樣也是C-103鈮合金製成的。

公元1977年8月20日，一枚大力神IIIC運載火箭將帶著人類衝出太陽系的巨大期望的旅行者2號深空探測器送入太空。

大力神系列運載火箭AJ-10系列火箭發動機的噴管，同樣大量採用了鈮合金。

小火箭風格：

大力神運載火箭的某發動機的噴管擴張段，採用輻射冷卻的方式，其溫度高達1176℃！

工程師們用C-103鈮合金製成0.76毫米厚的鈮合金擴張段，然後再用鈦合金製成0.81毫米厚的後段，最後將鈮合金與鈦合金製成的兩段焊接在一起。

除了C-103鈮合金之外，Inconel 718鎳基合金中也有鈮的身影。

小火箭風格，718的成分為：

鎳50%+鉻18.6%+鐵18.5%+鈮5%+鉬3.1%+鈦0.9%+鋁0.4%+其他

這種含鈮在5%到6.5%之間的鎳基高溫合金大量應用在航空發動機和火箭發動機、燃氣輪機等領域。

718合金在雙子座載人飛船計劃中得到了大量應用。

在航空發動機領域，718含鈮 鎳合金也是明星材料。

實際上，如果按照重量來說的話，現代航空發動機有三分之一的關鍵部件是由718系的合金製成的。

火箭發動機要求能夠耐受高溫，是理所應當的。那麼，航空發動機為什麼也要對耐高溫性能如此重視呢？

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也是比較有效的方法了。

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。

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。

鈮，則是在錸之外，另外需要非常重視的戰略級材料。

可沉澱析出強化相的不鏽鋼材料的力學性能，在高溫條件下的穩定性不夠理想。而含鈮的718合金表現得則非常好。

通用電氣的TF39系列渦扇發動機在C-5大型軍用運輸機上得到了大量應用。

按照機匣、壓氣機葉片、輪盤等零部件對應的毛坯材料的重量來說，製造這樣的一台發動機，39%的材料是718含鈮鎳合金。

噢，對了。F-117隱身飛機的發動機噴管是用含鈮6.5%的鎳合金製成的。

1986年，美國空軍和洛克希德公司聯合資助匹茲堡大學，對鈮鋁合金的抗氧化機理進行研究。由此誕生了對鈮合金高溫氧化情況的新流派，這些咱們以後詳細說吧。

回到火箭身上，我們大家最近經常能夠看到的SpaceX公司的獵鷹1號和獵鷹9號運載的二級發動機的噴管，同樣也是鈮合金製成的。（含鈮比例非常高。）

曼妙身姿

美國宇航局NASA噴氣推進實驗室JPL和加州理工學院聯合研製的一種新型放大器，用於增強電信號。這個漂亮的雙螺旋線圈是由超導鈮氮化鈦製成的。

內含鈮超導合金的3特斯拉臨床核磁共振成像掃描儀。

對鈮進行陽極氧化後，這位淚水女神的曼妙就展示出來了。

上圖為陽極氧化後的鈮。

鈮的氧化層可以產生很好的保護作用，而這種變幻莫測的顏色也是非常妙的。

2003年，奧地利鑄幣廠發明了鈮銀雙金屬幣。

從那以後，奧地利每年都會發行一枚以陽極氧化的鈮為內核，以銀為外圈的雙金屬25歐元硬幣。

上圖為可再生能源系列鈮銀雙金屬幣。

這是2009國際天文年紀念硬幣，同樣也是鈮銀雙金屬幣。中間部分就是陽極氧化處理後的鈮。

這還是奧地利鑄幣局發行的鈮銀25歐元紀念幣。這枚硬幣的主題是紀念人類的仿生學科技。

整枚硬幣重15.5克，中間是6.5克純度為99.8%的鈮，外側是9克純度為90.0%的銀。

帶有軌道動力學公式的鈮銀幣。

加拿大也擁有製作鈮銀幣的技術。

很多看起來顏色多種多樣的首飾，其實也是陽極氧化後的鈮金屬。

高壓鈉燈

我們日常生活中見到的路燈和建築景觀照明，很多都是由高壓鈉燈來實現的。

這種帶有暖意的黃光成為了在太空中辨識人類文明的一種重要方式。

鈉被電離、激發後會發射出589nm的黃色光線，這些光線直接用於照明，而不是像熒光燈那樣激發熒光物質發出白色的可見光。

而如果沒有鈮的話，高壓鈉燈是很難獲得理想的壽命的。

鈮或者摻入1%的鋯的鈮合金是高壓鈉燈電弧管的關鍵密封材料。鈮的熱膨脹係數與經燒結的弧光燈陶瓷材料非常相近。

鈮在幫助高壓鈉燈抵禦侵蝕的同時，能夠與高壓鈉燈內的高溫鈉蒸汽和平共處。

儲量分布

鈮在地殼中的含量為百萬分之二十，在所有元素中排名第33位。

而鈮的分布情況比較有趣，鈮礦主要以燒綠石的形態出現：

90%以上的鈮礦探明儲量在巴西，另有7%的鈮礦在加拿大，世界上其他國家和地區的總蘊藏量加起來只佔3%。

《黑豹》中的振金由於隕石墜落，大部分存在於瓦坎達。而巴西對鈮資源的佔有率為什麼能夠達90%以上，的確是個值得研究的事情。

鈮，這種身世坎坷，一開始得名鈳，與哥倫布、無敵艦隊和日不落帝國都有關聯的金屬，為阿波羅登月計劃和其他大量火箭發動機提供了耐高溫的擔當，為現代航空發動機的不斷進化提供了幫助。

核磁共振設備、高壓鈉燈和紀念幣上，都能夠找到淚水女神鈮的身影。

本文結束！

版權聲明：

本文是邢強博士原創文章，騰訊獨家刊發。

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