超级金属厉害了？航空发动机不会单靠铼就有大突破

9月初，一则《中国发现超级金属“铼”》的消息引起热议，称这一稀有金属能突破航空发动机研制的瓶颈。

“铼”是个什么金属？其与航空发动机的关系是什么？有了“铼”，我国航空发动机就能有质的飞跃？9月11日，北京天骄航空产业投资有限公司创新研究院副院长、国家“人才计划”专家王光秋在接受科技日报记者采访时称，航空发动机研制是一个系统工程，不会单靠“铼”就有大的突破，其仅是增加发动机材料性能的因素之一。

稀有、高溶点、结实难开裂

先看看“铼”的前世今生。

铼，一种金属元素，是高熔点金属之一。根据权威专业书籍《兰氏化学手册》，铼是仅次于钨（3308摄氏度）的第二难熔金属，熔点为3180摄氏度。

百度百科查询，铼还是一个真正的稀有元素，在地壳中的含量仅仅大于镤和镭。再加上它不形成固定矿物，通常与其他金属伴生，使它成为自然界最后被发现的稀有元素。

1982年，门捷列夫根据元素周期律预言，在自然界中存在一个尚未发现的，原子量为190的“类锰”元素。直到1925年，德国化学家诺达克用光谱法在铌锰铁矿中发现了这个元素，取莱茵河称谓将其命名为“铼”。

据《兰氏化学手册》，除高熔点外，铼有极高的强度且塑形很好（俗称“既结实又难以开裂”），在高温、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，“铼”也具备极佳的长时间工作抵御变形和开裂能力。

增加涡轮叶片合金材料性能的元素之一

涡轮叶片为现代航空发动机中一个关键部件，在发动机工作时不仅需同时承受约1600度高温、数十个大气压和以每分钟数万的转速，还要承受强大离心力的持续作用。

“如此严苛的工作条件，发动机所用材料仍需做到不能熔化，不能变形，不能断裂。而铼的一系列特性，使之成为极佳选材之一。”王光秋说，比起上一代航空发动机采用的定向结晶的普通叶片，新一代则普遍采用单晶叶片，这可增加200摄氏度左右的涡轮燃烧温度，有铼加入单晶叶片，可以增强材料各方面的性能。

铼加入单晶叶片的历史或有20年左右。但由于“铼”量少且提纯成本高，使其价格十分昂贵，不可能大范围用于航空发动机研制。据《南方财富网》援引自美国地质调查局报告称，全球探明的铼储量仅为2500吨左右，其价格跟白金价格相仿，一克大概需要两三百块钱。另据资料显示，2010年，中国陕西某矿山勘探到176吨。

“航空发动机有上万个零部件，涡轮叶片是其中一个关键部件，即使有铼加入，需要在合金中怎么加，加多少，这些都是要认真研究的课题。”王光秋说。

新一代发动机总效率

是热效率和推进效率之积

“航空发动机是一个综合的系统工程，其总效率是热效率和推进效率之积。”王光秋说，增加航空发动机的效率来自两个部分，分别是热效率和推进效率。目前最新一代发动机的热效率大约是50%，推进效率约为80%。

王光秋告诉记者，以目前最先进的波音787和空客350为例，其使用的发动机总效率即略高于40%。

“通过使用含有铼元素的单晶涡轮叶片，提高燃气温度增加热效率，是实现提高发动机总效率的路径之一。另一方面，当今航空发动机也通过增加推进效率达到提高总效率的目标。”王光秋说。

两种效率各占多少，也是研制航空发动机的难点。“通过提高燃气温度，相应也增加了氮氧化物的排放；温度高又增加空气流速，噪声也加大了。”王光秋说。

航空发动机工作原理显示，一台航空发动机包括低压压气机、高压压气机、高压涡轮和低压涡轮，中间还有一个环形燃烧室。“这些结构，工作的温度、压力环境都不一样，其使用的材料也不同。而金属铼，则主要是针对主压涡轮叶片。”王光秋认为，由于物理条件的限制，通过增加温度提高热效率比较困难，现代航空发动机，主要是通过增大涵道比提高推进效率，从而达到提高发动机总效率，并实现节能减排的目标。

注：文中图片除注明外均来自网络

编辑：王小龙

审核：管晶晶

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