常見高溫合金

　　我國這些年在武器裝備方面發(fā)展速度很快，一些新型武器裝備的技術(shù)水平已經(jīng)可以和歐美媲美。但是在航空發(fā)動機領(lǐng)域，我國不但長期落后于歐美，而且也趕不上俄羅斯。而導(dǎo)致航空發(fā)動機落后的原因除了基礎(chǔ)較差、經(jīng)驗不足等之外，還有一個重要原因就是材料不行。我們知道，航空發(fā)動機工作時，一些關(guān)鍵部件，如渦輪葉片、渦輪盤和燃燒室等要承受很高的溫度。如果高溫結(jié)構(gòu)材料不過關(guān)，那么發(fā)動機的性能也就不會好到哪里去。高溫結(jié)構(gòu)材料主要是指各種高溫合金，目前高溫合金在航空發(fā)動機中用量約占總重量的55%左右。

　　從世界范圍看，高溫合金已從傳統(tǒng)鑄造多晶高溫合金、定向凝固柱晶高溫合金和變形高溫合金，向單晶合金、機械合金化高溫合金、粉末冶金高溫合金和細晶鑄造合金等發(fā)展，其中單晶合金是高溫合金的發(fā)展重點，因為采用單晶技術(shù)生產(chǎn)的新型單晶合金材料制造的航空發(fā)動機葉片，可顯著提高發(fā)動機的工作溫度和發(fā)動機功率，對航空工業(yè)產(chǎn)品的更新?lián)Q代具有重要的意義。而單晶合金的發(fā)展，又與一種名為錸的金屬元素有著非常密切的關(guān)系。

　　錸是人類發(fā)現(xiàn)最晚的天然元素，熔點3180℃，沸點5627℃，純錸質(zhì)軟，外表與鉑相同，具有良好的機械性能。在上世紀80年代，航空工業(yè)大國認識到，錸有良好的塑性，在高溫和低溫情況下，都沒有脆性，抗拉強度和抗蠕變強度優(yōu)于我們比較熟知的難熔金屬鎢、鉬、鈮。如果向鎢、鉬、鉻添加錸，可以提高材料的強度、塑性和焊接性能，降低韌-脆轉(zhuǎn)變溫度和再結(jié)晶脆性。

　　同時錸對單晶合金顯微組織、力學(xué)性能、不穩(wěn)定相及單晶缺陷等的影響顯著，可以增強單晶合金的高溫抗蠕變性能（所謂蠕變，是指在一定的溫度和較小的恒定外力作用下，材料的形變隨時間的增加而逐漸增大的現(xiàn)象。蠕變是高溫單晶合金是死敵，這將大大降低航空發(fā)動機的性能和效率，甚至帶來嚴重的事故）。錸的這些特點，使其很快成為單晶合金的重要添加元素，同時也讓單晶合金越來越多地被用來制造航空發(fā)動機的渦輪葉片、渦輪盤和燃燒室等。到目前為止，單晶合金已經(jīng)發(fā)展了五代，其中從第二代開始都有錸的參與，而且含量也從2-3%增加到5-6%。

　　不過，錸在地殼中的含量僅十億分之一。根據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局報告，全球已探明的錸儲量僅為2500噸左右，價格跟白金的價格相仿，1克大概需要300元。因此，添加錸之后的單晶合金價格會猛漲，例如第二代單晶合金的錸含量為2-3%，但價格卻上漲了70%。所以，雖然現(xiàn)在單晶合金已經(jīng)發(fā)展到第五代，但實際用的最多的還是第二代，例如美國F-22戰(zhàn)斗機用的F119渦扇發(fā)動機的葉片就是用第二代單晶合金制造的。而由于錸的稀少性以及對航空發(fā)動機性能的重要性（現(xiàn)在全球約80%的錸用于生產(chǎn)航空發(fā)動機），使得錸成為極其重要的戰(zhàn)略物資。

　　中國直到上世紀末都沒有發(fā)現(xiàn)錸礦，也就缺少對含錸高溫合金和單晶葉片鑄造技術(shù)的相關(guān)研究。加上西方國家一直對中國實施技術(shù)封鎖，這項技術(shù)成為中國航空發(fā)動機研制發(fā)展的一大“瓶頸”。而據(jù)《央視》報導(dǎo)，2010年，成都航宇超合金技術(shù)有限公司在其下屬的陜西省洛南縣黃龍鋪鉬礦區(qū)礦山中斟探到錸，儲量達到176噸，約占全球儲量的7%，僅次于智利、美國、俄羅斯和哈薩克斯坦。

　　之后，該公司又與湖南有色研究院的合作，攻克了技術(shù)難題，實現(xiàn)了錸的提純，打破了國外的技術(shù)壟斷。2015年7月22日，該公司生產(chǎn)出了可用于航空發(fā)動機的第一批單晶渦輪葉片。2016年，國際權(quán)威第三方檢測機構(gòu)出具的檢測報告表明，該公司送檢的單晶葉片在高溫拉伸性能、高溫持久性能等方面的測試結(jié)果均符合歐美標(biāo)準。今后，國產(chǎn)航空發(fā)動機如果采用這種含錸的單晶葉片，那么性能將會得到大幅提升。