航空界有句话,叫做推重比到了,板砖都能飞!这说明发动机对飞机性能的决定性影响。而航空发动机技术,恰恰是世界强国领先我们幅度比较大的一个重点领域之一。要追赶上世界先进水平,发动机的设计、材料、装配和工艺都要全面的提高,而发动机材料是否先进,是一切后续水平提高的基础。
如果把现代化的喷气航发拆开来看,无论是涡扇还是涡喷,其内部就像是大大小小十几级的叶片串联构成。实际上现代喷气发动机的原理就是古代的走马灯,只是一种复杂N倍的走马灯罢了。在当代喷气发动机内部层层叶片中,制造材料也是不一样的。一般分为风扇、低压压气机、高压压气机、高压涡轮和低压涡轮等多级。总的来看,分为冷端和热端两部分。冷端就是气流温度还比较低的进气和压缩的前端;而热端主要是高温高压的中后段叶片。当代的风扇和压气机段一般采用钛合金制造,也有的民航大推力发动机,用复合材料制造主风扇。
因此冷端材料多种多样。而热端材料,主要是涡轮部分的叶片,用材却大同小异,基本都是高温镍基合金。现在一说起先进航发涡轮叶片的制造,很多人必要提到铼金属。实际上金属铼只是增强这些涡轮叶片耐高温高压的特种添加剂。航发专用铼镍合金中,最多含有6%的铼,因此铼并不能作为制造涡轮叶片的主材。都知道做菜要加盐,加入适量的盐份菜才能好吃。但是盐本身却无法做菜。同样道理,加入适量的金属铼可以大大提升涡轮叶片的性能。但是制造叶片的基材却不是金属铼。而是金属镍。
镍是一种金属化学元素,符号Ni,原子序数28,原子量58.69。大多数人可能没有见过纯镍金属。但是镍本身并不罕见。第四套人民币的一元硬币的材料就是钢芯镀镍。也就是说,想看看镍金属是什么样子,找一枚一元硬币就行。从硬币的外观,就知道镍是一种银白色金属质感很强的材料。具有良好的机械强度和延展性,难熔耐高温,耐腐蚀,并具有很高的化学稳定性,在空气中不氧化等特征,因此是一种十分重要的有色金属原料。
多被用来制造不锈钢、高镍合金钢和合金结构钢,广泛用于飞机、雷达、导弹、坦克、舰艇、宇宙飞船、原子反应堆等各种军工制造业。镍在民用工业中最大的用途就是制造不锈钢,不锈钢的品质和耐腐蚀性,和添加的金属镍的多少直接有关。在航空工业中,喷气飞机高压高温涡轮段叶片和火焰喷嘴的制造基材就是镍基合金。
人类利用镍金属很早。古代曾经被叫做白铜。古埃及、巴比伦人都曾用含镍量很高的陨铁制作器物。1751年瑞典人克龙斯泰德用木炭还原红镍矿,首次制得比较纯的金属镍,其德文含义就是“假铜”。镍在地壳中的含量为万分之1.8,并不是特别高。但是当今人类利用的镍矿却非常的集中,而且含镍量往往高的惊人。这是什么原因呢?
镍是和铁关系非常近的两种金属元素。纯铁和纯镍很容易混合,两者的外观也非常接近。铁的原子序数是26,镍是28,可见是自古关系走的非常近的两个老伙计了。说白了都是类铁元素。他们两者都是恒星在内部核反应的后期,由碳元素聚变而成。而恒星到了这个反应阶段,也距离爆炸和崩溃的生命末期不远了。太阳系行星中的铁和镍元素,都不是太阳反应产生,而是在形成太阳系的原始星云中本来就存在。而这些原始星云,都是更老的一代超新星或者巨行星爆炸后的产物。行星上所有比铁更重的金属元素,都是上一代恒星产生的。
在当今的太阳系中,靠近太阳比较近的4大类地行星,他们的中间都有一个以铁和镍为主要材料凝聚成的一个金属核心球。包括水星、金星、地球和火星都一样,因此这四大行星的密度都比木星和土星等气体大行星高的多。在这几个类地大行星上,原则上是不缺镍的。但是像地球的地壳中,镍含量却不高。这是由于地球刚形成时,是呈现整体高温熔融状态的,重金属元素都向地核沉降。镍金属的沉降速率大于铁金属。因此留在地壳中的不多,大部分都下沉集中到地核中去了。
这种情况不光地球是这样,其他4大类地行星也差不多。这样一来,后来才出现的人类想找到丰富的镍金属,似乎就不是很容易。但是别急,千万别忘了,太阳系中,还有个著名的小行星带。其实受到木星引力的干扰,小行星带并不是仅仅存在火星和木星之间的轨道上,在其他方位和轨道面上还有一些小行星群。有些甚至比较靠近地球的轨道。这就造成这些小行星,就有可能在几十亿年间,受到地球的引力的吸引而最终砸到地球上。
现在发现的小行星,大体有土质和金属质两种。土质的一般密度低,甚至含有一些干冰或者水冰,很像地球的表面层;而有的小行星却几乎是由一整块的金属构成,就像一个铁球一样,他们的镍金属含量出奇的高,比地球地壳的平均含量高数千倍!
现在发现,小行星群中有一颗灵神星,几乎完全由铁镍合金构成,是一个直径在241公里的“不规则的纯铁镍合金球”,很多人怀疑,他本来就是一个更大的行星的金属地核,只是这个行星后来被不明原因撞碎了,碎片构成了现在的几个小行星群,而这个铁镍核心的地核,就成了一个单独的小行星!
甚至这个铁镍核心球也被撞缺了一大块,形成数以亿计的大大小小的碎片,分布在地球到木星之间的轨道上,有些最终砸到了地球上,为地球带来了丰富的镍矿资源。目前地球上发现的很多镍矿,本身就是陨铁。
在加拿大安大略省东南部,休伦湖北侧,有一个矿业城市萨得伯里。它是目前世界上最大的镍矿区,其产量占世界镍总产量的85%以上。
在萨德伯里镍矿体周围发现,有明显的陨石坑所特有的冲击构造,萨德伯里矿体就是个大型陨石坑,曾经有一块巨大的富含铁、镍的,直径在5公里以上的陨铁,击穿了萨德伯里的地壳,炽热的基性岩浆在上升过程中融合巨型陨铁本身丰富的铁镍金属,经过冷凝、形成了世界第一大镍矿。
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