導讀：錸作為一種稀有難熔金屬，在自然界中一般與鉬、銅等金屬礦物相伴而生。錸具有高熔點、高強度、良好的塑形和機械穩定性，并且由于錸添加會產生“錸效應”，因此被廣泛應用于航空發動機渦輪葉片用單晶高溫合金中。此外，金屬錸儲量稀少、加工獲取困難，導致其價格昂貴，各國都視其為戰略元素。而當前高溫合金行業是錸最大的消費領域，約占錸總消費量的80%，并且隨著人類航空航天事業的飛速發展，消費市場對錸資源的需求以每年5％的速度增長，導致錸的應用越來越受到重視。為緩解日益增長的錸資源緊張局面，當前已逐步發展出了多樣化富集分離手段和使用替代元素，低錸以及錸回收利用等新興技術使金屬錸獲得更為充分的應用。

錸的基本性質

Basic Properties

金屬錸 (Re) 呈銀白色，在元素周期表中位列第75，屬于第6周期過渡元素，不具備放射性。錸于1925年被德國科學家沃爾特·諾達克 (Walter Noddack)、伊達·諾達克 (Ida Tacke-Noddack)、奧托·伯格 (Otto Carl Berg) 發現，是人類最晚發現的穩定元素。錸在地殼中的含量僅為10^-9，是一種稀有元素。根據美國地質調查局 (USGS) 發布的數據，全球探明的錸儲量不足 2500t，并且資源分布十分不均。

自然界中典型元素的含量分布

金屬錸呈密排六方(hcp)晶結構，其密度為21.0g/cm³，僅次于鋨 (Os) 銥 (Ir) 和鉑 (Pt)，排在第4位。純錸質地柔軟，具有極佳的延展性。 

錸的熔點高達3180 ℃，是僅次于鎢 (W) 的難熔金屬元素，而金屬鎳的熔點僅為1455 ℃，所以錸具有極強的耐熱性能，在高溫下比較穩定；錸的蠕變抗力優于鎢(W)、鉬 (Mo) 和鈮 (Nb) 等難熔元素，兼具優良的耐磨性以及抗腐蝕性，非常適用于制備工作環境苛刻的航空發動機零部件。

常見的純錸加工制品：錸錠、 錸條、 錸粉

鎳基高溫合金

Nickel-based superalloy

鎳基高溫合金是指以鎳為基體，溫度在600 ℃ 以上，承受較大復雜應力，并且具有高溫環境穩定性的一類高合金化金屬材料，因具有較高的高溫強度、塑性，良好的抗氧化、抗熱腐蝕性能，良好的熱疲勞性能和組織穩定性等綜合性能，被廣泛的應用在航空發動機及燃氣輪機等設備中的熱端部件上。目前在先進發動機中，使用該類材料制備的部件重量可達到發動機全部重量的 60%。

鎳基高溫合金按制備工藝可分為變形高溫合金、鑄造高溫合金和粉末冶金高溫合金。其中鑄造高溫合金按凝固結晶組織又分為等軸晶、定向柱晶和單晶高溫合金。

不同凝固結晶組織的鎳基高溫合金葉片：(a) 等軸晶；(b) 定向柱晶；(c) 單晶

隨著對航空發動機能力要求的逐步提升，在定向凝固高溫合金基礎上發展而來的鎳基單晶高溫合金由于完全消除晶界使得其承溫能力進一步提高，成為了高推重比航空發動機渦輪葉片的主流選材，并逐步應用到先進地面燃氣輪機的熱端部件上。目前，采用鎳基高溫合金制備的單晶葉片已成為先進航空發動機的標志性部件。

錸的應用

Application of Rhenium

鎳基高溫合金是基于Ni-Al二元相圖發展起來的復雜體系。通常情況下，提高鎳基高溫合金的綜合性能主要是通過成分調整和工藝改進。經過幾十年的發展，鎳基 (單晶) 高溫合金因成分特點和承溫能力被劃分了多“代”次，同時以錸為代表難熔元素的添加和以釕為代表鉑族元素的引入受到更多關注。美國地質調查局 (USGS) 發布的《2018 年礦產品摘要》中強調，全球錸產量的 70% 以上用于制造鎳基高溫合金渦輪葉片。顯然，錸作為一種稀有金屬，對于高性能渦輪葉片的研制乃至航空發動機工業的發展具有重要意義，因而也成為航空航天強國競相搶奪的戰略資源。

單晶合金葉片  縱觀鎳基高溫合金的發展歷程，鎳基高溫合金作為葉片材料的使用溫度從20世紀40年代的700 ℃已提高到現在的1150℃，承溫能力實現了極大的跨越發展。高溫合金單晶生長技術的發展又使鎳基高溫合金得到了更為廣泛的應用，到目前為止，單晶高溫合金已經發展到了六代。

高性能軍/民用發動機及單晶葉片：(a) 軍用發動機 (b) 民用發動機 (c) 單晶葉片

典型鎳基單晶高溫合金成分(質量分數，%)

從第二代單晶高溫合金開始，在合金成分上一個突出特征便是金屬錸的添加應用，添加量也從第二代合金中的 2.0%~3.0%(質量分數，下同)增加到第三代合金的 4.5%~6.0%。以國內研制的單晶高溫合金為例，第一代鎳基單晶高溫合金DD3未添加錸，而第二代單晶高溫合金DD6和第三代單晶高溫合金DD9分別添加了2.0%和 4.5%的錸，其目的為提高合金的蠕變性能，這對于單晶高溫合金耐溫能力的提高至關重要 。研究結果顯示在 980 ℃/ 250MPa測試條件下，第三代DD9合金的蠕變斷裂壽命達到568h，而第二代DD6合金僅為275 h；在1100 ℃/137MPa測試條件下，第二代DD6合金的蠕變斷裂壽命為148h，而第三代DD9合金達到了274h，幾乎是其2倍。錸在單晶高溫合金的這一作用現象被稱為“錸效應”。隨著人們對錸的作用機理認識不斷深入，錸成為了新研單晶高溫合金不可或缺的合金元素，如美國研制的第四代單晶合金EPM102添加了5.95%的錸，日本國立材料研究所 (NIMS) 研制的第六代合金TMS-238更是將錸的含量提高到6.4%。但是昂貴的成本及錸影響合金的組織穩定性等也使得錸在更高代次單晶高溫合金的應用受到了一定限制。

錸的作用機理  錸是鎳基單晶高溫合金中最有效的固溶強化元素之一。錸強化固溶體的原因是其傾向于在 γ 基體 中集中， 形成的錸原子團約1 nm，且短程有序，這種原子團簇的強化能力較傳統固溶強化手段更為突出。由于位錯運動需要通過原子團簇并對錸原子有序區域進行破壞，增加了運動阻力使得合金強度提升。錸的加入還能起到降低其他合金元素的擴散速率，抑制 γ′強化相長大，提高 γ/γ′錯配度的作用。此外，錸的加入可以減少單晶鑄件的晶粒缺陷和表面再結晶，對合金的抗熱腐蝕性能也有明顯的改善作用。

不過，錸也是有害的拓撲密排相 (TCP) 的重要形成元素，加入過量的錸對合金的組織穩定性不利。此外，過量的錸，使合金經過高溫長期服役后，在涂層下面和合金內部形成由P相和γ相組成的次生反應區(SRZ)，從而降低合金的持久性能；加上錸因更高的密度與葉片輕質設計思想相互矛盾，所以需要嚴格控制錸的加入量。

錸作為一種稀貴元素，在單晶合金的添加而產生的“錸效應”到目前還沒有被明確解釋，添加適量的錸及釕 (Ru) 等其它合金元素的協同強化作用機理尚缺乏深度研究。為發揮錸元素的最大作用，設計出承溫能力更高、綜合性能更優異的新型單晶合金，仍需要科研人員在該領域持續投入關注。

錸元素的回收與再利用

Recycling and reuse of Rhenium

錸資源與價格 根據美國地質調查局(USGS) 發布的《2020年礦產品摘要》，近兩年全球錸產量 (表2) 基本保持穩定，并沒有隨著高溫合金年產量和應用的逐年擴大而增加。這主要有三方面的因素：其一錸的生產難度仍然很大；其二各國對錸戰略礦產資源進行更為有力的保護；其三錸回收利用技術取得了進步。

近期世界錸產量與儲量

錸除了用于制備高溫合金渦輪葉片，還應用于石油催化劑領域。在催化劑領域，錸的消耗量一度高達60%以上， 后來隨著在渦輪發動機葉片用單晶高溫合金中添加錸，其消耗量逐年增加，目前其占比達到約 80%。推測其原因一是高溫合金葉片制造流程長、檢驗標準苛刻，造成材料的綜合利用率相對較低，產生大量的返回料；二是發動機大修或到壽命后產生了大量的高溫合金報廢零件，也會產生大量返回料。因此，返回料的循環利用具有重要意義。

由近五年錸的價格變化可見，錸的價格總體呈下降趨勢，在2020年時為12500元/kg，2021 年上半年最低仍達到11500 元/kg。雖然呈現下降趨勢，由于需求增加和儲量不足，錸的價格仍然很高，這使得含錸的單晶高溫合金價格十分昂貴。如含錸第二代單晶高溫合金的母合金為200~300萬元/t，含錸的第三代單晶高溫合金的價格則達到300~400萬元/t。

錸的價格變化

目前，我國已開始采用第二代單晶高溫合金制造航空發動機及燃氣輪機單晶葉片，這必將加大制造成本壓力，而且我國錸資源極為稀少，如何科學高效實現錸資源的綜合利用成為我國亟待解決的難題。

錸的回收利用  錸作為一種戰略金屬，考慮到該資源的稀缺性及對國防軍工事業發展的重要性，對錸金屬回收后充分利用已成為世界各國控制軍工成本的重要方式。合理使用返回料，可以達到充分利用資源和降低生產成本的雙重目的。近年來，全球錸的回收產業在快速發展，美國和德國是錸資源回收的主要國家。2020年，全球大約回收20~25t的錸，其中美國占1/3。

錸的回收利用技術難度非常大，成本也很高。針對不同形式的錸廢料，有著不同的回收處理方法。目前，從高溫合金廢料中回收錸的工藝主要有氧化升華法、電化學處理法、高溫堿熔法、電解溶解法等方法。幾種方法各有利弊，國內金屬所采用“電化學溶解法”多步分離提取高溫合金廢料中的錸，探索了高溫合金廢料電化學溶解、沉淀分離、萃取分離、離子交換分離、金屬化合物重結晶提純、金屬化合物氣體還原等環節的關鍵科學與技術問題，初步實現了從高溫合金廢料中分離回收錸元素的目標。

值得注意的是，目前在回收錸面臨的主要問題是如何利用技術手段實現高效率、低成本和節能環保。因此，加大開發高效、低成本和環境友好的下一代回收技術是科研工作者亟待攻克的重要研究課題。

錸作為一種高價值的戰略性稀有資源，對國防科技工業和國民產業升級具有重要的戰略意義，特別在航空航天行業領域，更具有不可替代性。面對快速增長的應用需求和有限的探明儲量，如何實現錸資源綜合利用的最大化將是全球科技工作者持續攻關的課題。首先，技術創新是破解資源綜合利用的首要方式，不斷完善錸開發、應用以及回收再利用技術，實現錸資源的閉環再生；二是節約利用錸元素，開展低錸或無錸單晶高溫合金的研發；三是優先從富錸國家進口，加大對國內錸資源的戰略保護。隨著我國航空航天事業的發展和持續關注，錸的戰略價值和重要意義將更加凸顯。在參考歐美錸資源利用先進模式的基礎上，應加大錸資源的回收利用技術，提升錸資源保障能力，助力我國先進航空發動機及燃氣輪機的自主研制和持續發展。

湖南錸因錸合金材料有限公司在錸及錸合金的研發、生產及制造技術方面與全球主要應用終端接軌，持續14年為航空航天、武器裝備、核工業、催化劑、半導體和微電子領域用戶服務，致力于先進錸及錸合金材料在中國航空、航天技術中的創新開發與應用拓展。錸因合金專注于含錸高溫合金制造領域，公司具有全球最大年產量100噸金屬錸的生產加工線，可提供純度高達99.999%的錸單質金屬，是航空發動機專用鎳基單晶高溫合金的優質錸原料供應商。同時也是粉末冶金法制備高溫合金材料和關鍵構件、零部件、高性能制品的國內知名生產商，我們期待著與您一起推動中國中國高溫合金事業的發展，歡迎來電垂詢！  

*本文轉載自《金屬世界》，作者王鈺、趙巍，空軍裝備部駐北京地區第六代表室。