美國是最大的錸金屬消費(fèi)國，控制著全球銷售市場，一直處于壟斷地位。前不久，一則中國突破國外封鎖，探測到儲量達(dá)176噸的錸，并成功攻克錸的提純技術(shù)，生產(chǎn)出了高質(zhì)量的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)單晶渦輪葉片的新聞刷爆網(wǎng)絡(luò)，一時(shí)間，錸這種金屬元素成為各媒體熱議的話題。
錸被廣泛應(yīng)用于噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，全球約80%的錸用于生產(chǎn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)，其在軍事戰(zhàn)略上的意義不言而喻。那么，有了錸就能生產(chǎn)出先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)了嗎？接下來我們逐一分解。
（金屬錸）
（一）原“錸”如此，這種超級金屬比鉆石還珍貴
錸，是一種極為稀有的金屬元素。
1872年，門捷列夫根據(jù)元素周期律預(yù)言，在自然界中存在一個(gè)尚未發(fā)現(xiàn)的，原子量為190 的“類錳”元素。直到 1925 年，德國化學(xué)家諾達(dá)克用光譜法在鈮錳鐵礦中發(fā)現(xiàn)了這個(gè)元素，取萊茵河稱謂將其命名為“錸”。
錸在地殼中的含量約為十億分之一，僅僅大于鏷和鐳。這種金屬熔點(diǎn)為 3180 ℃，是僅次于鎢（3308 ℃）的第二難熔金屬，而且它不形成固定礦物，通常與其他金屬伴生，是自然界最后被發(fā)現(xiàn)的稀有元素。
除高熔點(diǎn)外，錸還有強(qiáng)度高、塑性好等特點(diǎn)，因此，在高溫、急速冷卻或急速升溫并同時(shí)有劇烈機(jī)械沖擊和振動(dòng)等極端惡劣的條件下，它也能夠長時(shí)間工作，抵御變形和開裂。此外，特殊的電子構(gòu)型使錸及其化合物都具有優(yōu)異的催化活性。
錸的這些特性使得它很快進(jìn)入了科學(xué)家們的視野，并在工程界得到了大量運(yùn)用。
（二）航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)溫度達(dá)1600多度，唯有錸不會被熔化
在世界上所有的機(jī)械設(shè)備中，航空發(fā)動(dòng)機(jī)毫無疑問是最為復(fù)雜的一種，它被譽(yù)為現(xiàn)代工業(yè)的“皇冠”，而在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的所有零部件中，渦輪葉片是其關(guān)鍵部件，也被譽(yù)為“皇冠上的明珠”。
（國產(chǎn)先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的代表之一——渦軸9發(fā)動(dòng)機(jī)）
在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，渦輪葉片不僅需要同時(shí)承受約1600攝氏度高溫、數(shù)十個(gè)大氣壓和每分鐘數(shù)萬的轉(zhuǎn)速，還要承受強(qiáng)大離心力的持續(xù)作用。面對這樣嚴(yán)苛的條件，發(fā)動(dòng)機(jī)所用材料必須滿足不能熔化、不能變形、不能斷裂的要求，而錸的一系列特性，使其成為極佳選材之一。
我國在大飛機(jī)制造技術(shù)上與西方發(fā)達(dá)國家仍存在較大差距，最明顯的短板就在于航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能不佳。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和制造涉及現(xiàn)代工業(yè)的無數(shù)個(gè)領(lǐng)域，不可能一蹴而就，在我國現(xiàn)有的工業(yè)基礎(chǔ)上如何設(shè)計(jì)制造出性能優(yōu)良的航空發(fā)動(dòng)機(jī)也就成為我國科學(xué)家和工程師們孜孜不倦的追求。
1、渦輪前溫度直接影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)壽命
說到航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，首先離不開基本理論。上圖是航空發(fā)動(dòng)機(jī)典型的熱力循環(huán)過程，在圖中最右邊是T-S（溫-熵）曲線，在1-2-3-4四個(gè)工作點(diǎn)中圈出的面積即代表了發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中產(chǎn)生的有用功，即對外輸出能量的能力。由圖中可以看出，在其他點(diǎn)不變的情況下，第3點(diǎn)在縱坐標(biāo)上的高度越高，那么圈出的面積越大，而這第3點(diǎn)就是航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)——渦輪前溫度，渦輪前溫度越高，通常發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率越高，推力越大。
而以往我國的航空發(fā)動(dòng)機(jī)由于技術(shù)水平相對落后，為了使發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到足夠的推力，只能提高渦輪前溫度。但渦輪前溫度并不是無限提高，最終需要渦輪葉片來承受，渦輪前溫度越高，渦輪葉片的工作環(huán)境就越惡劣，在臨界條件下，甚至每提高10℃，就會讓渦輪葉片的壽命降低一半，使得發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性大幅下降。
2、錸讓渦輪葉片在更高溫度下工作
在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、制造水平不可能迅速全面提升的現(xiàn)實(shí)情況下，提高單項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的水平也就成為國產(chǎn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)實(shí)的選擇，而如何讓渦輪葉片能夠在更高溫度下工作，也就成為了關(guān)鍵中的關(guān)鍵。
比起上一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)采用的定向結(jié)晶的普通葉片，新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)普遍采用單晶葉片，這可增加 200 ℃左右的渦輪前溫度。而有錸加入單晶葉片，可以增強(qiáng)材料各方面的性能。因此可以說，沒有錸，就不可能有先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)。
正是看到了單晶高溫合金葉片對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的提升，我國也在一直進(jìn)行著單晶高溫合金葉片的研發(fā)工作。但此前由于錸資源控制在其他國家手中，中國獲取錸的途徑非常有限，價(jià)格高昂且不能保證供應(yīng)量（截至9月4日，一千克國產(chǎn)錸在市場上的售價(jià)達(dá)37000-45000元左右，不足進(jìn)口價(jià)的一半），很顯然，如果沒有足夠的錸供應(yīng)，那么即使研發(fā)出了單晶高溫合金葉片，研發(fā)投入也很難轉(zhuǎn)換為實(shí)際產(chǎn)品，這使得國內(nèi)單晶葉片的研發(fā)進(jìn)度舉步維艱。
（三）航空發(fā)動(dòng)機(jī)是綜合的系統(tǒng)工程，錸雖然重要但并非萬能
近年來，合金研發(fā)人員試圖將錸的含量增加到大約6%, 來改善單晶合金葉片的高溫性能。
不過，在單晶葉片中增加錸的比例也不是萬能的，單晶高溫合金葉片制造的難度極大，首先是發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，不僅外形為復(fù)雜曲面，而且在內(nèi)部布滿了精密氣冷通道，這使得葉片鑄造過程中難以保證不偏離設(shè)計(jì)狀態(tài)。更為困難的是，單晶葉片制造過程中會出現(xiàn)雜晶、小角晶界、取向偏離、再結(jié)晶、型殼反應(yīng)、表面疏松、熱裂紋等多種不同類型的缺陷，每種缺陷的產(chǎn)生都可以造成葉片嚴(yán)重超差，往往只能報(bào)廢處理，合格率很低。
錸的加入使得葉片在顯微組織上的穩(wěn)定性問題變得突出，在高溫下暴露時(shí)葉片內(nèi)部會形成不希望產(chǎn)生的拓?fù)涿芘糯嘈韵啵═CP，可以看做是一種缺陷），TCP相的存在有時(shí)會引起力學(xué)性能的降低。當(dāng)錸元素含量高時(shí)易產(chǎn)生 TCP相的析出，在單晶葉片制造中就易生成晶粒缺陷、斑點(diǎn)及偽晶等問題。
針對單晶葉片制造的技術(shù)難題，我國的科學(xué)家和工程團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)開展了單晶葉片缺陷形成機(jī)制的基礎(chǔ)研究，通過在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、蠟?zāi)３尚汀⒃现苽洹⑷勰＞T以及性能測試后，將研究成果在制造廠進(jìn)行生產(chǎn)驗(yàn)證。鑄造單晶葉片是一個(gè)精益求精的過程。只有每一個(gè)環(huán)節(jié)做到近乎百分之百的完美，才能保證一個(gè)相對較高的產(chǎn)品合格率。
結(jié)語
這次探測到錸并成功攻克錸的提純技術(shù)，讓國產(chǎn)渦輪葉片的原材料供應(yīng)得到保障。在這之后，我國新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的高壓渦輪轉(zhuǎn)子單晶葉片也順利通過了發(fā)動(dòng)機(jī)的試車考核，性能優(yōu)良的葉片使該發(fā)動(dòng)機(jī)的耗油率、壽命等指標(biāo)都達(dá)到了國際先進(jìn)水平，填補(bǔ)了國內(nèi)空白。錸供應(yīng)量的穩(wěn)定，大大促進(jìn)了新型發(fā)動(dòng)機(jī)的研制和批產(chǎn)，也必將幫助國產(chǎn)飛機(jī)早日擺脫“心臟病”的困擾。
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