航空发动机叶片的关键材料——高纯金属“铼”
原创 易爱飞
2021年7月1日，在庆祝中国共产党成立100周年大会活动现场，71架战鹰“米秒不差”飞过天安门广场上空，组成“100”和“71”字样，向我们伟大的中国共产党献上生日祝福。此次战鹰列阵，是歼-20战斗机目前为止规模最大的一次集体亮相，充分向世界展示了大飞机军机国产化的雄厚实力。值得一提的是，我国大飞机的重大发展离不开航空发动机技术的突破，而航空发动机技术的重大突破离不开一种关键的金属，那就是铼。
航空发动机涡轮叶片
铼是一种银白色的重金属，属于小金属范畴，但它在提升大飞机发动机涡轮叶片高温力学性能方面发挥着不可替代的作用。20世纪90年代以来，全球约80%的铼用于生产航空发动机，因而铼又被誉为“超级金属”“航空金属”。由于铼被广泛应用于大飞机、火箭引擎涂层、核反应堆内衬等材料中，在高温材料领域，形成了古往今“铼”的局面。
金属铼粒
铼的高温力学性能强大，但它却是地球上一种极为稀少的金属元素，平均含量估值为十亿份之一，在地球演化过程不形成或极少形成独立矿物，通常以类质同象方式“寄人篱下”。我国铼储量约250t，占全球总量的9.4%，居世界第四位，远远不能满足我国快速发展的航空航天事业的需求。同时，由于铼资源在全球的储量都非常有限，资源竞争也越来越激烈，因此针对有限的铼资源，发展高值化利用就变得非常重要。
铼资源高值化主要体现在哪？航空发动机叶片用镍基高温合金的添加剂铼金属。怎样在高温环境保持强大呢？严格控制高纯金属铼中杂质元素含量。铼金属中的低熔沸点痕量杂质在高温化学反应中易形成夹杂物核心，成为疲劳裂纹源，当微量杂质元素控制不合格时，会析出有害相（如σ、µ相）损害合金的强度和韧性，就像一张渔网状结构中凌乱的穿插着小木棒，应力结构受到破坏。若出现这些情况，生命和财产安全将受到极大的威胁。因而对铼金属中的痕量杂质元素要求极为严格。制备高纯铼金属的基础原料是铼酸铵，而铼酸铵的品质决定了铼金属的品质。
铼酸铵
我国铼对外依存度高达50%，但国产铼酸铵产品存在有价无市的现象，市场低迷，其部分原因在于铼酸铵精制存在技术瓶颈，已有的精制技术体系Re与微量杂质金属分离系数低，选择性分离能力还要提高。掌握铼酸铵精制技术，对于进一步保障我国航空航天事业发展的战略资源需求具有重要意义。
虽然前景很美好，但是铼酸铵精制难度较大。它的难点主要来源于两个方面，粗铼酸铵溶液中铼酸铵基质大，而微量杂质的浓度却非常低，每吨粗铼酸铵溶液（Re21g/L）中平均有60g杂质。
究竟是什么原因造成铼酸铵杂质超标呢？研究发现富铼液在冷冻结晶过程中，微量杂质离子与铼酸根离子形成比铼酸铵溶解度更低的杂质铼酸盐。该如何解决？一般是采用树脂吸附法，对少数微量杂质具有去除作用，得到的净化液浓缩后2~3次冷冻结晶得到合格的铼酸铵。铼酸铵产品控制程序复杂，需要控制26种金属杂质含量，如果能找到一种方法能够一步控制更多的杂质离子种类，那将大大降低铼酸铵精制成本。
第二十二届北京青年学术演讲比赛的选手、有研资源环境技术研究院（北京）有限公司的易爱飞（北京金属学会推荐）所在的团队根据离子间的荷电差异，找到能定向交换迁移杂质的离子交换剂。进一步将富铼液中的十多种微量杂质金属离子给去除掉，直接获得合格的Re与杂质金属质量比的溶液，从而实现一次结晶获得合格的铼酸铵产品，并用于制备合格的铼金属。
虽然在取得了一些进步，但是国产铼金属商业化依然任重而道远。在新的征程上以科学为器，以创意为魂，一定能够后“铼”居上，实现小金属的大“跨越”。
点击下方链接，观看精彩演讲内容
