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铼:显著提高合金蠕变强度

作者:宋丹

铼,元素周期表第75号元素。

1869年,门捷列夫预言锰元素的后面还应该有两种元素,分别为43号和75号,于是人们在锰矿附近寻找这两种元素,但都没有结果。直到1925年,德国化学家才首次在辉钼矿中发现了75号元素,通过艰难提取从大约660千克辉钼矿中仅获取1克样品。至此,75号元素成为人类发现最晚的元素。

早期由于制取困难、地壳中也非常稀少,铼元素一直只是实验室里的样品,工业应用很少。铼元素首次应用于20世纪60年代。雪佛龙公司发明了用于石油加工的含铼催化剂。这种催化剂能提高石油催化重整反应深度,增加汽油、芳烃、氢气等产品的产出率,还可用作汽车尾气净化的催化剂,但这并不是铼元素的主要用途。

铼有很好的机械性能,熔点3184℃,仅次于钨、钼,金属中位居第三,沸点5627℃,是金属中沸点最高的。正是由于较高的熔沸点,铼非常耐高温,当加至钨、钼、铬等合金时,含量仅3%~5%就能显著提高这些合金的强度和塑性。这种现象被称为“铼效应”。铼钨和铼钼合金,可以加工成各种结构材料,具有高硬度、高强度、耐高温等特性,可用于制造高速旋转的X光管靶材、微波通信的长寿命栅板、高温炉发热体、高温热电偶等,是高温技术、电真空工业、原子能工业中必不可少的材料。

作为高温合金之一,铼镍合金则更为重要,加入铼后能显著提高这类高温合金的蠕变强度。蠕变,是在长时间受到应力影响条件下,固体材料出现缓慢永久性的移动或变形的趋势。固体材料长时间处于加热或熔点附近时,更会加剧固体材料蠕变。

涡轮叶片在长时间运转过程中,极易变形而接触到外壳,导致叶片失效,而当叶片材料中添加铼元素后,就能使涡轮叶片在更高温度下工作,承受更大的压力,减少叶片蠕变,延长涡轮机的使用寿命。因此,这种材料被广泛用于制造喷气式飞机发动机的燃烧室、涡轮叶片及喷气嘴,是现代喷气式飞机重要结构件的核心材料,是航空产品“第一关键”零件。全球80%的铼,都用在了航空发动机工业中,在军事上具有非常重要的战略意义。

铼是稀少金属,比稀土、黄金更珍贵的四大核心金属之一,在自然界里没有独立的铼矿,总是分布在辉钼矿、稀土矿和铌钽矿中。

(作者系湖北省武汉市第二十中学化学教师、武汉市科学家科普团成员)

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