近日，中南大學包括黃再旺教授、張利軍教授在內的研究團隊在ActaMaterialia上發表論文，公布了最新研究動態：通過用鋨(Os)代替錸(Re)來提高鎳基單晶高溫合金的抗蠕變性和相穩定性。那么，鋨(Os)取代錸(Re)成為鎳基單晶高溫合金中最重要的強化元素在現實生產應用中有多大可能性呢？下面我們先來讀懂該論文的核心意義。

錸(Re)是鎳基單晶高溫合金中最重要的強化元素，因為它具有低擴散系數、高熔點和高γ相和γ'相之間的分配系數。然而，其對相穩定性的不利影響仍然是一個長期存在的有待解決的問題。本文報告了一種新的設計策略，通過用鋨(Os)代替錸(Re)來提高鎳基單晶高溫合金的抗蠕變性和相穩定性，這與普遍的看法相矛盾。新設計的CSU-Os-2合金在980°C/200MPa/100h下的蠕變速率低于商用CMSX-4合金。此外，與CMSX-4合金相比，CSU-Os-2合金在1100℃暴露1000小時后還具有更好的相穩定性。

鎳基單晶高溫合金具有典型的顯微組織，具有高比例的共格沉淀γ'（有序fcc-L12結構）立方體，由γ基體的薄通道（無序fcc-A1結構）隔開，具有優異的機械性能并且在高溫下具有高抗蠕變性和抗疲勞性，被廣泛用作高壓渦輪葉片的基本材料。為了滿足渦輪入口溫度不斷提高的要求，Ni基單晶高溫合金需要更高的抗蠕變變形能力和顯微組織穩定性。在過去的幾十年里，人們一直致力于在Ni基單晶高溫合金中不斷引入更高比例的難熔合金元素，如Mo、W、Ta、Re等，以提高其抗蠕變性和相穩定性。例如，W+Mo+Ta+Re的總量從第二代的16.4wt.%增加到第三代鎳基單晶高溫合金的20.1wt.%。其中，Re（錸）是增強蠕變變形能力最有效的改性劑，因為它具有極低的擴散系數、高熔點和對γ相的強分配行為。盡管具有誘人的好處，但在新一代Ni基單晶高溫合金中添加更高量的Re可能會引發脆性拓撲密排(TCP)相的析出，從而加速合金的失效。

因此，全世界都在努力解決TCP降水的問題。一種可行的措施是引入合金元素Ru（釕），因為它的添加可以逆轉分配行為，增加Re和W在γ基體相中的溶解度,降低TCP/γ界面能和γ/γ'失配應變能。不幸的是，Ru的添加也可能導致拓撲反轉的發生，尤其是在高溫下，這反過來會影響鎳基單晶高溫合金的蠕變斷裂壽命。因此，有動力尋找其他可能的元素來替代Re或Re/Ru，旨在探索新型鎳基單晶高溫合金。一種有效的策略是在Ni基單晶高溫合金的γ-基體中尋找互擴散系數與Re相當甚至低于Re的元素。通過將HitDIC軟件與擴散耦合/多重技術相結合，可以有效地確定一系列二元、三元和多組分γNi基合金中與溫度和成分相關的相互擴散系數。γNi-X和Ni-Al-X（X=Co、Cr、Ir、Mo、Nb、Os、Pt、Re、Rh、Ru、Ta、Ti和W）合金中相互擴散系數的綜合比較1423∼1573K表明，Os的相互擴散系數與Re一般相當，在較高溫度（即≥1300°C）下甚至更低。就γ基體中的互擴散系數而言，Os可能是Ni基單晶高溫合金中Re的一種潛在替代元素。

從固溶強化、抗蠕變性和顯微組織穩定性方面對鎳基單晶合金中鋨替代錸的可能性進行了詳細的理論分析。在得到肯定證實的情況下，中南大學粉末冶金國家重點實驗室張利軍團隊通過將商業CMSX-4合金中的Re替換為Os設計了一種名為CSU-Os-2的新型無Re鎳基高溫合金，然后成功制備成單晶棒。通過適當的固溶和時效熱處理，偏析幾乎得到緩解，并像商業合金一樣產生了典型的γ/γ'微結構。在1100℃/1000h暴露條件下，CSU-Os-2合金的γ'析出物的聚結比CMSX-4合金慢，沒有觀察到TCP相。在980°C/200MPa/100h蠕變變形后，CSU-Os-2合金的蠕變速率低于CMSX-4合金。所有吸引人的特性/性能都可以通過γ和γ'相之間更高的分配系數以及很可能在γ相中Os的擴散系數低于Re來解釋。新型無錸含鋨鎳基單晶高溫合金的成功開發，具有增強的抗蠕變性和顯微組織穩定性，無疑為下一代鎳基單晶高溫合金開辟了新方向。

論文結尾這句話“新型無錸含鋨鎳基單晶高溫合金的成功開發，具有增強的抗蠕變性和顯微組織穩定性，無疑為下一代鎳基單晶高溫合金開辟了新方向”，揭示了論文的核心意義?？赐暾撐?，再回到本文開篇所提問題：鋨(Os)取代錸(Re)成為鎳基單晶高溫合金中最重要的強化元素在現實生產應用中有多大可能性？要回答此問題，我們先從錸(Re)和鋨(Os)在地球上的可開采資源量、提取冶煉工藝成本、目前市場價格和生產供應能力三個基本面來分析闡述一下筆者的觀點。

1、資源儲量

鋨(Os)的密度是22.59g/cm³ ，是地球上 密度最大的金屬元素。鋨是鉑族金屬的一種，全球的鋨年產量只有約500kg，不到黃金的1/5000。根據《2022年美國地質調查-礦物概要-鉑族金屬》透露的數據，全球鉑族已探明儲量為7萬噸，其中鉑大概占50%的份額，鈀大概占35%的份額，其它為釕、銥、銠，而鋨卻又是鉑族中最稀少的元素，在鉑族中含量份額還不到1%，也就是全球儲量估計大約在700~1000噸左右。

錸(Re)密度是21.03g/cm³，也是地球上的稀散元素。錸的全球已探明儲量約為2500噸，資源保有量不低于1萬噸，不到黃金的1/10，全球的錸年產量約100噸，目前大約50%以上的錸產量用在生產鎳基高溫合金。

從以上資源儲量和產量的對比可以知道，錸的儲量豐度是鋨的10倍以上，產量是鋨的200倍以上，在資源供應保障和產能產量上，錸完勝鋨。

2、提取冶煉工藝成本

錸通常是銅、鉬的伴生礦，在冶煉銅和鉬的過程中，大部分作為有價值的冶煉副產物得到回收，因此提取冶煉的工藝成本比較低；鋨一般是和銥伴生，由于在鉑族礦中品位含量極低，再加之鋨的氧化物四氧化鋨 OsO4 有劇毒，導致鋨在提取冶煉生產過程中的工藝成本較高。

3、市場價格和生產供應能力

鋨的產量只有500kg，美元國際價格接近20美元/克，約合人民幣150元/克，15萬/公斤；而錸的產量是100噸，市場價格是人民幣170元/克，1.7萬/公斤。產量方面，錸是鋨的200倍；價格方面，錸僅是鋨的十分之一。

鋨和錸的價格對比

綜上所述，在鎳基單晶高溫合金現實生產應用中，要想讓鋨(Os)完全取代錸(Re)成為關鍵強化元素，似乎遠沒有那么簡單，但在傳統鎳基高溫合金中引入鋨元素，作為一種新的科學研究方向，值得業界借鑒和參考。

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*相關研究成果以題“A novel Re-free Ni-based single-crystal superalloy with enhanced creep resistance and microstructure stability”發表在增材制造頂刊Acta Materialia上。

*論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359645422007157