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涡扇15关键材料被美国全球垄断,全中国储量曾不到240吨

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几年前写的文章,发现公号里没有,搬回来。

具体铼的储量数字有一定幅度的变动,但是整体形势没有显著的变化,结论依旧适用。

在国内与欧美的发动机研制差距中,材料问题确实带来了很大的困扰。这其中除了材料本身的研究积累差异以外,一些极为稀少、但又能带来至关重要的元素资源本身在各国分布不均,也是非常关键的因素。

而最典型的例子,就是铼。

针对铼,可以提出三个问题:首先,铼是种什么样的玩意,为何对发动机如此重要?其次,这东西稀少到什么程度?最后,中国因为铼而在发动机材料上吃过什么亏?


图:纯铼金属样品

第一个问题。铼是钨的邻近元素,熔点达到3180摄氏度,是仅次于钨(3308摄氏度)的第二难熔金属。而除了难熔以外,铼还同时具备多种优异、乃至于在其他金属材料上往往自相矛盾、无法同时存在的性能。

比如铼的强度非常高而又塑形很好——既结实又难以开裂;即便是高温、急速冷却和猛烈加热并带有强烈机械冲击和振动的条件下,它也具备极佳的长时间工作抵御变形和开裂能力。

当然铼性能也存在弱点,极易被氧化——因此也不耐硝酸等氧化性酸,氧化以后就发脆,抵抗硫酸盐酸的能力倒是非常好。


图:现在先进发动机在高温区域工作的叶片,对于铼极度依赖

这些性质,使得发动机在性能越来越好、部件工作条件越来越残酷(温度、压力、冲击等因素)的同时,燃气涡轮材料的研发,越来越倚重与铼元素等关键成分。

现在铼的用途中,除了20%用作化工生产的催化剂,剩下80%几乎全部用在航空航天的超耐热合金里。

现阶段航空发动机的镍基单晶材料叶片中的先进产品,普遍含有3-7%以上的铼;每一次新的单晶涡轮叶片高温指标和寿命性能大幅度提升,背后都离不开铼的含量提升——包括这些年美国和日本交替刷新的那些世界纪录。


图:红圈中就是俄罗斯声称发现纯铼矿的地方

第二个问题。铼元素不仅在地壳中含量非常少,而且最要命的是这东西极其分散。

俄罗斯近两年宣布,在俄日争议岛屿(伊图鲁普岛/择捉岛)上发现世界首个纯铼矿;但此前全世界都从未发现过以铼为主的矿物,现有的理论也不支持这样的矿物存在,具体是真是假还未可知。

除了俄罗斯这一目前还无法证实的消息以外;现有的铼主要是以极低的含量伴生在斑岩铜钼矿床的辉钼矿中,开采成本极高。

根据美国地质调查局的估算,全球铼储量,已探明的只有2500吨,总资源量在7300-10300吨之间,全球年产量吨25-30吨。而根据昆明贵金属研究所在2013年发表的论文《铼的回收技术研究进展》,我国目前铼的保有储量仅有237吨。



图:美国铼金属缺口增大的过程,和F119(F22用)、GE90(波音777等客机用)等先进发动机产能攀升有着直接关系

第三个问题。铼矿主要分布在美洲和欧洲,开采和销售又绝大部分被美国所控制。但即便如此,根据美国矿产局的统计,美国的铼金属短缺一直在越来越严重;2002年缺口就达到30%。

2003-2005年间,美国铼金属的年缺口从20吨增加到35吨。这个时间段,恰好是美国进入21世纪后的新一代高性能发动机,开始大批量交付军事、民用航空的历史进程,两者的高度同步根本不是巧合。

而中国在高温合金的发展上,虽然成分设计紧跟国外的发展步伐,已经发展到第四代单晶;但是由于铼资源严重短缺,实际批量生产产品受到的限制比美国远远大得多得多。

太行、涡扇20、涡扇15等发动机性能和寿命,都不同程度的受限于这个问题。

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