Tech & News Come Along with You: 專家：航空發動機研發不會單靠"錸"就有大突破

9月初，一則《中國發現超級金屬"錸"》的消息引起熱議，稱這一稀有金屬能突破航空發動機研製的瓶頸。"錸"是個什麼金屬？其與航空發動機的關係是什麼？有了"錸"，我國航空發動機就能有質的飛躍？9月11日，北京天驕航空產業投資有限公司創新研究院副院長、國家"千人計劃"專家王光秋在接受科技日報記者采訪時稱，航空發動機研製是一個係統工程，不會單靠"錸"就有大的突破，其僅是增加發動機材料性能的因素之一。

稀有、高溶點、結實難開裂

先看看"錸"的前世今生。

錸，一種金屬元素，是高熔點金屬之一。根據權威專業書籍《蘭氏化學手冊》，錸是僅次於鎢（3308攝氏度）的第二難熔金屬，熔點為3180攝氏度。

百度百科查詢，錸還是一個真正的稀有元素，在地殼中的含量僅僅大於鏷和鐳。再加上它不形成固定礦物，通常與其他金屬伴生，使它成為自然界最後被發現的稀有元素。

1872年，門捷列夫根據元素周期律預言，在自然界中存在一個尚未發現的，原子量為190的"類錳"元素。直到1925年，德國化學家諾達克用光譜法在铌錳鐵礦中發現了這個元素，取萊茵河稱謂將其命名為"錸"。

據《蘭氏化學手冊》，除高熔點外，錸有極高的強度且塑形很好（俗稱"既結實又難以開裂"），在高溫、急速冷卻和猛烈加熱並帶有強烈機械衝擊和振動的條件下，"錸"也具備極佳的長時間工作抵禦變形和開裂能力。

增加渦輪葉片合金材料性能的元素之一

渦輪葉片為現代航空發動機中一個關鍵部件，在發動機工作時不僅需同時承受約1600度高溫、數十個大氣壓和以每分鍾數萬的轉速，還要承受強大離心力的持續作用。

"如此嚴苛的工作條件，發動機所用材料仍需做到不能熔化，不能變形，不能斷裂。而錸的一係列特性，使之成為極佳選材之一。"王光秋說，比起上一代航空發動機采用的定向結晶的普通葉片，新一代則普遍采用單晶葉片，這可增加200攝氏度左右的渦輪燃燒溫度，有錸加入單晶葉片，可以增強材料各方麵的性能。

錸加入單晶葉片的曆史或有20年左右。但由於"錸"量少且提純成本高，使其價格十分昂貴，不可能大範圍用於航空發動機研製。據《南方財富網》援引自美國地質調查局報告稱，全球探明的錸儲量僅為2500噸左右，其價格跟白金價格相仿，一克大概需要兩三百塊錢。另據資料顯示，2010年，中國陝西某礦山勘探到176噸。

"航空發動機有上萬個零部件，渦輪葉片是其中一個關鍵部件，即使有錸加入，需要在合金中怎麼加，加多少，這些都是要認真研究的課題。"王光秋說。

新一代發動機總效率是熱效率和推進效率之積

"航空發動機是一個綜合的係統工程，其總效率是熱效率和推進效率之積。"王光秋說，增加航空發動機的效率來自兩個部分，分別是熱效率和推進效率。目前最新一代發動機的熱效率大約是50%，推進效率約為80%。

王光秋告訴記者，以目前最先進的波音787和空客350為例，其使用的發動機總效率即略高於40%。

"通過使用含有錸元素的單晶渦輪葉片，提高燃氣溫度增加熱效率，是實現提高發動機總效率的路徑之一。另一方麵，當今航空發動機也通過增加推進效率達到提高總效率的目標。"王光秋說。

兩種效率各占多少，也是研製航空發動機的難點。"通過提高燃氣溫度，相應也增加了氮氧化物的排放；溫度高又增加空氣流速，噪聲也加大了。"王光秋說。

航空發動機工作原理顯示，一台航空發動機包括低壓壓氣機、高壓壓氣機、高壓渦輪和低壓渦輪，中間還有一個環形燃燒室。"這些結構，工作的溫度、壓力環境都不一樣，其使用的材料也不同。而金屬錸，則主要是針對主壓渦輪葉片。"王光秋認為，由於物理條件的限製，通過增加溫度提高熱效率比較困難，現代航空發動機，主要是通過增大涵道比提高推進效率，從而達到提高發動機總效率，並實現節能減排的目標。

（原標題：超級金屬厲害了？航空發動機不會單靠"錸"就有大突破）

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9月初，一則《中國發現超級金屬"錸"》的消息引起熱議，稱這一稀有金屬能突破航空發動機研製的瓶頸。 "錸"是個什麼金屬？其與航空發動機的關係是什麼？

2017-9-13
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