爱华网娓娓道“铼”（下）
——浅谈航空工业的明星金属铼
一、后“铼”居上——铼在航空工业的应用
上文书说道，人们费尽移山心力，一年只得50吨左右的铼，用来做什么用呢？
石油和汽车：
首先，铼对很多化学反应具有高度选择性的催化功能。因此铼主要用作石油工业的催化剂，合成高辛烷值汽油。世界上铼在这方面的消耗量曾经占总消耗量的60％以上。美国和德国还获得了制造铼过滤器净化汽车尾气的专利技术。
仪器仪表：
铼的熔点和沸点都很高，又具有很高的电子发射性能，广泛应用于无线电、电视和真空技术中。铼是一种主要的高温仪表材料，可用来制造特种白炽电灯泡及高温电偶，比如钨铼热电偶在3100℃也不软化。铼钨合金用来制造电子管阴极，寿命比钨长100倍。铼用于制造电接触器，特别是制造海船永磁发电机接触器，经久耐用。
航天器部件：
铼和钨、铁形成合金，硬度很高。铼抗磨性和抗腐蚀性很强，可用于火箭、导弹等航天器的金属表面，宇宙飞船用的仪器和高温部件热屏蔽、电弧放电、电接触器，增加耐磨性能，同时用作高温涂层用。
航空动力：
近年来人们逐渐开始利用铼生产高性能单晶高温合金，进而生产先进航空发动机的叶片。以至铼在航空发动机工业中的应用达到了全部铼用量的80%。而这，才是本文需要进一步探讨的问题。
兵器迷是太关注发动机了。和这个话题有关的东西，都愿闻其详，呵呵。
大家知道，高温合金，是广泛应用于航空航天技术产品的一种高温结构材料。主要用于发动机的高温部分，如涡轮叶片、涡轮盘和燃烧室等。目前，高温合金在航空发动机中用量约重量的55%左右。从技术发展路径来看，高温合金已从传统铸造多晶高温合金、定向凝固柱晶高温合金和变形高温合金，向单晶合金、机械合金化高温合金、粉末冶金高温合金和细晶铸造合金等发展。这其中的重点，就是单晶合金。
采用单晶技术生产的新型单晶合金材料，用于制造航空发动机叶片，可显著提高发动机的工作温度和发动机功率，对航空工业产品的更新换代具有重要的意义。多年来人们在合金成分设计，冶金工艺，单晶制备，晶体缺陷及蠕变机制等方面进行了大量的研究工作，研究成果层出不穷。到目前为止，已经有五代单晶高温合金相继问世。而我们今天的主角，铼，与单晶合金的发展有着非常密切的关系。
早在1980年代，大多数航空工业大国已经认识到：铼有良好的塑性，在高温和低温情况下，都没有脆性，抗拉强度和抗蠕变强度优于钨W,钼Mo,铌Nb。向难熔金属钨、钼、铬添加铼，可以提高材料的强度、塑性和焊接性能，降低韧-脆转变温度，和再结晶脆性。W-Re和Mo-Re合金具有良好的高温强度和塑性。同时铼对单晶高温合金显微组织、力学性能、不稳定相及单晶缺陷等的影响显著，可以增强单晶合金的高温抗蠕变性能（所谓蠕变，英文creep，是指在一定的温度和较小的恒定外力（拉力、压力、扭力）作用下，材料的形变随时间的增加而逐渐增大的现象。蠕变是高温单晶合金是死敌，这将大大降低航空发动机的性能和效率，甚至带来严重的事故）
铼的这些现象称为“铼效应”，它对于航空发动机叶片的重要作用。
但是，铼在航空发动机工业却是一个地地道道的“后来者”，其原因有两个：
对了，第一一个原因，就是是太贵，比钛合金贵上百倍。产量论公斤，应用论克。
另一个原因，就是人们在研究铼的过程中，遇到了很大的困难。
铼对单晶合金元素扩散及合金元素再分布的影响机制和规律是什么？
铼对单晶合金的抗蠕变强化机理是什么？
铼与其他金属（特别是铷Ru）的协同强化作用机理是什么？
但在相当长的时间内，这些问题的进展并不明显。
例如，日本科学家H.Harada通过研究TMS-75和TMS82系列合金后认为，铼使得单晶合金的负错配增加，加速了合金内部γ′相筏排结构和细密位错网的形成。而正是γ′和γ两相界面位错网的细密程度，决定了单晶合金的抗蠕变性能。反之，宾夕法尼亚大学的科学家Caron.P却认为：错配度对于合金抗蠕变性能的影响并不清楚，单晶合金的错配度在一定温度和应力下的对金属蠕变性的作用和机理也很不清楚，因此日方的研究无因果关系。
这种相互矛盾的见解，在铼研究中比比皆是。这不仅仅反映出人们对铼的认识还有很大不足，也直接造成了铼在单晶合金中的应用受到了更多的局限。
现在，让我们来看看“铼”这个后来者，是如何追赶单晶合金的发展脚步的：
第一代单晶合金，以美国PWA1480（用于F100-220发动机）、ReneN4（用于F110-129CMF56-5发动机），英国SRR99（用于RB211RB199发动机）、法国AM3（用于M88-2发动机）和苏联ЖС32（用于АЛ31Ф发动机）为代表。这一代单晶合金，是不含铼的。
第二代单晶合金，以美国PWA1484（用于PW4000发动机）、CMSX-4（用于EJ200发动机），英国RenaN5（用于GE90发动机）、俄国ЖС36为代表。
部分第二代单晶合金，开始采用了铼。比如ЖС36，采用了2%的铼。CMSX-4（合金成分为Ni-9Co-6.5Cr-6W-6.5Ta-5.6Al-3Re-1Ti-0.6Mo）采用了3%的铼。
第三代单晶合金，以美国ReneN6、CMSX-10为代表，两种牌号铼的含量最高分别达5.6%和7%，难熔元素的总含量(Re、TaW Mo)高达20%。日本的TMS-75也是第三代，含铼5%。
第四代单晶合金，以日本的TMS-138和MC-NG为代表。二者分别含铼5%和含铼4%，同时加入Ru
第五代单晶合金，以日本的TMS-162为代表。含铼6%。
从上述情况看，含铼成分增加，正在成为单晶合金化学成分的主要特征和发展趋势之一。第二代单晶合金终于加入了铼，并成功用于航空发动机，这说明人们对于铼的强化机理终于有了一定的了解。
相比艰难的理论研究，实践的对比分析更加明朗化的展现了铼的应用优势：美国第三代单晶合金CMSX－10与CMSX－4相比：拉伸性能相当，高温蠕变性能比CMSX-4高出30℃。至1163℃，CMSX－10仍比CMSX－4强得多。前者的可用温度可达1204℃。如果按蠕变到１%的时间来比较，应力为207MPa时，CMSX－10仍比CMSX－4高出36℃；应力为138Mpa时，高25℃。CMSX－10在980℃/248MPa条件下，蠕变到１％的时间比其他合金长4.6-80倍。CMSX－10尽管其Ｃr含量低，但其抗氧化抗腐蚀性能仍与CMX-4相当。
当然，我们也应该看到铼的应用依然存在很多不确定性。一方面：大量难熔元素(尤其是贵金属Re，Ru)的加入在提高合金性能的同时也提高了合金的成本。据估算，第二代单晶高温合金元素加入了3%的Re之后成本提高了70%。另一方面，尽管多国的第三代甚至日本的第五代单晶合金都有了正式合金牌号，但目前的资料尚未表明其大规模应用在型号发动机上（F119用的还是二代单晶）。这进一步说明了理论研究和生产工艺的难度和风险。
如果有朋友知道三代单晶合金大规模用于型号发动机的消息，拜托告知兵器迷，多谢了！
这位看官说了：兵器迷你先别说谢，中国航空发动机究竟用上铼没有啊？
二、继往开“铼”——铼在中国航空工业的应用
根据网上的公开报道：北京航空材料研究所在“九五”期间，开始对铼的强化机理进行了初步探索。
这个起步比发达国家晚了10-15年。
二十多年后的今天：
DD3第一代单晶合金（无铼）
20世纪80年代初，中航工业航材院在国内率先开始了单晶合金及叶片技术的研究，首先研制成功了我国的第一代单晶高温合金DD3，低密变、低成本，可以达到1020℃的工作温度。现已推广到太行发动机等多个机种，成为我国真正用于航空的第一代单晶合金。同时，DD3为我国涡轴发动机提供了关键材料，亦为国内首次应用。北京航空材料研究院(BIAM)和美国普拉特惠特尼公司(Pratt Whitney)对DD3单晶合金的成本、主要力学性能指标和单晶铸造性能进行的评估。评估认为:DD3合金有优良的力学性能和良好的铸造性能,与美国第一代单晶合金PWA1480合金相当，且适合低成本生产,是一种很有推广应用价值的航空发动机单晶涡轮叶片材料。
DD6第二代单晶合金（含铼2%）
20世纪90年代，北京航材院研制出的单晶高温合金DD6，在1100℃/100h持久强度达140Mpa，适合制作具有复杂内腔的燃气涡轮工作叶片，和在高温、高应力、氧化及腐蚀条件下工作的高温零件。1050-400℃下完全抗氧化，850-1000℃／100h条件下腐蚀速度≤0.18／平方米。DD6的拉伸、持久、抗氧化和耐热腐蚀性能达到或部分超过国外第二代单晶合金。由于含铼只有2%，性能却达到甚至在某些方面超过了国外含铼3%的第二代单晶合金，因而具有低成本优势。这也是我国目前承温最高，综合性能最好的单晶高温合金。
特别的，由该合金制造的我国第一台份单晶涡轮空心叶片近期已装备某型先进航空发动机，并进行了试车考核。
WS-10G? WS15? 考验想象力啊。兵器迷最恨“某型”两个字，比恨马赛克还恨！ 说笑了，呵呵。正经的，个人估计是高推.
DD9 第三代单晶合金（含铼？）
21世纪初，中国研制了第三代单晶合金DD9。《第十二届中国高温合金年会论文集》载文：北京航空材料研究院研制的DD9 合金， 含有Ta、Hf等元素，科学平衡W、Mo、Ta、Re等高熔点合金元素的含量，，DD9单晶高温合金的熔化温度范围为1360℃-1411℃。拉伸性能与持久性能等达到了国外第三代单晶高温合金的水平。合金热处理后组织均匀稳定、工艺性能良好，可用于制造具有复杂结构的薄壁空心涡轮叶片。与国外第三代单晶高温合金相比，CMSX-10和TMS-75在1100℃/137MPa下的持久寿命分别为220h和224h，DD9为达226小时。且合金铼Re含量低于国外第三代单晶高温合金，具有比较成本的优势。应用方面，采用DD9浇注了具有复杂结构的某型发动机单晶空心涡轮工作叶片。结果表明，叶片壁厚均匀，尺寸稳定，单晶完整性良好，DD9合金具有优良的铸造工艺性能。
DD22 第四代单晶合金（含铼4.5-6%）
网载：第四代单晶高温合金：DD22 合金、中国科学院金属研究所发明一种高强度且组织稳定的第四代单晶高温合金，其特征在于:按重量百分比计，该合金的化学成分为:Cr3～5%，Co5～12%，W6～8%，Mo0.1～2%，Re4.5～6%，Ru2 ～4%，Al5.5 ～6.5%, Ta 6 ～10%，其余为Ni。另，某型号国产四代单晶X3含铼5%，含钌3%。
第五代高温单晶合金材料（含铼？）
成都航宇超合金技术有限公司( 母公司为陕西炼石有色资源股份有限公司)正在研制第五代单晶合金及单晶涡轮叶片。
网上关于中国第五代单晶含铼合金的信息非常少——正常，最高端的东西，不会轻易上网的。值得注意的是宇超的母公司——炼石有色。
报载：炼石有色主营钼精矿的钼铼矿业公司,依托丰富的铼资源储量，炼石有色发力建设含铼高温合金叶片项目，意欲进军航空高端材料及零部件制造行业。
2011年初，炼石有色与湖南有色金属研究院签署协议，共同研发从钼铼精矿中分离钼和铼的方法并获得相关专利。
2013年，炼石有色公告显示，航空发动机含铼高温合金叶片项目总投资8.97亿元，其中拟投入募资资金6亿元，项目将新建一条80吨/年含铼高温合金生产线 和一条5.5万片/年单晶叶片生产线，建设期为2013年4月至2015年6月。该项目将由公司控股80%的子公司成都航宇实施。
2013年5月31日与双流县人民政府签署了《航空发动机含铼高温单晶合金叶片生产、维修及研发总部项目框架协议》,公司拟投8亿元人民币,在西南航空港经济开发区高端装备制造产业园建设含铼高温合金、叶片生产、维修及研发总部，建设期为2013年4月至2015年6月。
三、总结：
从资源上说，中国在世界上，有一定的铼资源，但品位一般，规模不及三甲，只有智利的20%,因此算不上铼资源大国。
中国的铼矿本来就很少，可是河南栾川钼矿这个铼储量大矿，却依然前途不明。联想起中国稀土和黑钨矿的悲惨遭遇，兵器迷虽痛心疾呼，但人微言轻，也只有扼腕叹息。
从开采上说，中国的铼开采和分离技术与世界先进水平相比，仍有差距。比如目前世界领先的高级萃取法和离子交换法，国内应用工业化推广的程度还不够高。特别是离子交换法，不危害人体，不污染环境，工艺简单，操作方便。但离子交换树脂的选择性差、再生困难，对树脂合成技术和树脂解析技术提出了很高的要求。中国成都某厂采用大孔型阴离子交换树脂D296从冶铜废液中直接提取铼酸铵的新工艺方法。新工艺先进实用，铼提取率可达99%，是一个让人欣喜的进步。希望能够听到更多更好的消息。
此外，随着中国航空工业中越累越多的使用铼，从这些含铼废件中二次提取也应当成为获取铼的重要途径，希望引起中国航空工业的重视。就是财大气粗的美帝，在铼的回收上也是精打细算。GE航空发动机公司从2008年就开始研究含铼镍基合金制造的高压涡轮叶片的再循环使用。该公司在其七个维修中心，通过废弃叶片回收计划也收回了数千磅的高温合金，其中最重要的目标就是铼。
家业越大，越会过日子，这才是帝范儿。中国某些人刚有几个钱，还不一定是正道儿来的，就到处炫富，恨不能换肤成钞票才好呢。兴许是以前没富过，觉着特新鲜。浑身嘚瑟，站都站不住啊。
从应用上说，中国与美国和日本的差距还是很大的：
从型号研制看，中国第四代单晶合金有了合金牌号，但第五代尚未公布。而日本的TMS-162单晶合金已经有成熟产品和合金牌号。中国第三代单晶合金DD9在1100℃/137MPa下的持久寿命为226小时，第四代单晶合金的数据未知。而TMS-162的寿命高达959小时。估计这方面差距至少是一代。
从工程应用看：中国的DD6含铼单晶合金叶片在航空发动机试车的同期，美国研制成功第三代单晶高温合金CMSX-10和RenéN6，也通过了先进航空发动机的试车考核。从这个角度看，我们在单晶高温合金上与美国的应用差距也是一代。
从工业应用看，美国第二代单晶合金已经大规模应用，而我国只实现了第一代单晶合金的大规模应用，差距也是一代以上吧。
当然，我们也需要认识到，由于中国镍资源不足，镍基单晶合金的研发受到一定影响。师昌绪大师曾领军研制铁基的高温合金，耐高温性能稍差，但是同等情况密度低、重量轻、成本低，也是国情现实下的无奈之举。
看到这里，我们大概明白了，为什么美国人在《航空和空间技术周刊》撰文，详细分析中国正在询价购买大量铼的目的。美国人的心思有两条：
第一：美国人担心：从中短期期看，从2016年起中国的进口需求将达到每年4.5吨到5吨。虽然美国直接和间接控制了接近80%的全球铼资源，但中国此举将抬高铼的市场价格，间接影响美国军机的用铼成本。
第二：也是美国人最担心的，从长期来看，大量铼采购的背后，是否说明中国已经掌握铼的强化机理和生产工艺，并具备大批量生产高性能单晶高温合金叶片的能力，进而突破高性能航空发动机的生产瓶颈，从而为缓解中国动力心脏病找到了一味对症之药？亦或只是进行一定的战略物资储备，为未来可能的技术突破和应用需求做好物质准备基础？
答案是什么?
美国军方想知道，这很自然。
中国军迷也想知道，这是另一种自然。
或许，我们还看不清未来——因为，无论是前方的道路，还是我们的心里，都还有高山，有雾霾。
那就让我们回过头，看看过去，看看中国铼工业，乃至中国军工的发展历程。 如同钛合金，如同碳纤维。小小的铼，再一次的像一面镜子，反映出这个行业发展的艰难历程:镜子的一面，让我们看到中国五代高温合金，层出不断，屡有新成；镜子的另一面，也让我们看到中国资源的先天不足和后天发展上与世界先进水平的巨大差距。
最要紧的，无论从哪一面，都能看到一样东西，这就是中国军工人的坚韧和执着——困扰和风险依然很多，而唯一清晰的，是他们走过的坚实足迹，踏平坎坷，风雨兼程。
无论别人如何猜测，都不重要。因为，历史的创造者们，只会用行动，去书写未来。
这就是我们今天要讲的故事：
路在脚下，鉴往知“铼”
注：所有资料来自于互联网公开报道和公开出版物，如：
《铼在高温合金中强化机理的研究》
《单晶高温合金在航空工业中的应用》
《第十二届中国高温合金年会论文集》
《第三代单晶高温合金DD9》
《中国航空工业材料手册》
《中国产业信息网》
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