1. 铼的基本性质
金属铼（Re）呈银白色，位于元素周期表第75位，是第六周期的过渡元素，无放射性[1]。铼是1925年由德国科学家瓦尔特·塔克、伊达·塔克和奥托·卡尔·贝尔格发现的，是人类发现的最晚的稳定元素。铼在地壳中的含量仅为10-9，是一种稀有元素。根据美国地质调查局（USGS）公布的数据，全球已探明的铼储量不足2500吨，资源分布很不均匀。正是因为铼储量极其稀少，且没有独立的矿产，才导致金属铼比铂金还要昂贵，比钻石还要难获取。图1是自然界中典型元素的含量分布[2]。
铼金属具有六方密排（hcp）晶体结构，密度约为21.0 g/cm3，仅次于锇（Os）、铱（Ir）和铂（Pt），居第四位。纯铼质地柔软，延展性极佳。图2为常见的纯铼加工品。
铼的熔点为3180℃，是继钨（W）之后最难熔的金属元素，而镍的熔点仅为1455℃。因此，铼具有极强的耐热性，在高温下也比较稳定。铼的抗蠕变性能优于钨、钼（Mo）、铌（Nb）等难熔元素。还具有优异的耐磨性和耐腐蚀性，非常适合制备工作环境恶劣的航空发动机零部件[3-4]。
2.镍基高温合金
镍基高温合金是指以镍为基体，使用温度在600℃以上，能承受较大的复杂应力，在高温环境下保持稳定性的一类高合金金属材料。镍基高温合金具有较高的高温强度、塑性、良好的抗氧化、抗热腐蚀、抗热疲劳性能以及组织稳定性等特点，被广泛应用于航空发动机、燃气轮机等热端部件。[5-6]在先进发动机中，用该类材料制成的部件重量可达发动机总重量的60%。[7]
镍基高温合金按制备工艺可分为变形高温合金、铸造高温合金和粉末冶金高温合金。其中，铸造高温合金按凝固晶体结构又分为等轴晶、定向柱状晶和单晶高温合金[8]。图3为3种不同凝固晶体结构的镍基高温合金叶片。
随着对航空发动机性能要求的逐步提高，在定向凝固高温合金基础上发展起来的镍基单晶高温合金因完全消除了晶界而成为高推重比航空发动机涡轮叶片的主流材料，并逐步应用于先进地面燃气轮机热端部件。目前，镍基高温合金单晶叶片已成为先进航空发动机的标志性部件。
3. 铼的应用
镍基高温合金是基于Ni-Al二元相图发展起来的复杂体系。一般而言，镍基高温合金综合性能的提高主要通过成分调整和工艺改进。经过几十年的发展，镍基（单晶）高温合金因其成分特点和耐温性能等特点，已分为多个“代”。同时，以铼为代表的难熔元素的加入和以钌为代表的铂族元素的引入受到更多关注。美国地质调查局（USGS）发布的《2018年矿产商品概要》强调，全球铼产量的70%以上用于制造镍基高温合金涡轮叶片[9]。显然，铼作为稀有金属，对高性能涡轮叶片乃至航空发动机工业的发展都具有重要意义，因此成为航天强国竞相争夺的战略资源。
3.1单晶合金叶片
纵观镍基高温合金的发展历史，镍基高温合金作为叶片材料的使用温度已由上世纪四十年代的700℃提高到现在的1150℃，温度承受能力实现了大幅度的飞跃。图4为高性能军/民用发动机与单晶叶片。高温合金单晶生长技术的发展使得镍基高温合金的应用越来越广泛。迄今为止，单晶高温合金已发展了六代，典型单晶高温合金的成分如表1所示。
从第二代单晶高温合金开始，合金成分的一个显著特点就是添加了金属铼，添加量也由第二代合金的2.0%~3.0%（质量分数，下同）提高到第三代合金的4.5%~6.0%。以我国研制的单晶高温合金为例，第一代镍基单晶高温合金DD3未添加铼，而第二代单晶高温合金DD6和第三代单晶高温合金DD9分别添加了2.0%和4.5%的铼，其目的是为了改善合金的蠕变性能，这对于提高单晶高温合金的抗温性能至关重要。研究结果表明，在980 ℃/250 MPa试验条件下，第三代DD9合金的蠕变持久寿命达到568 h，而第二代DD6合金的蠕变持久寿命仅为275 h； 在1100 ℃/137 MPa试验条件下，第三代DD6合金的蠕变断裂寿命为148 h，而第二代DD9合金的蠕变断裂寿命达到274 h，几乎提高了一倍[10]。铼在单晶高温合金中的这种现象被称为“铼效应”。随着人们对铼作用机理认识的不断深入，铼已成为新开发的单晶高温合金不可或缺的合金元素。例如，美国开发的第四代单晶合金添加了5.95%的铼，日本国家材料科学与工程研究所（NIMS）开发的第六代合金TMS-238将铼含量提高到6.4%。但铼高昂的成本以及铼影响合金组织稳定性等因素也限制了铼在更高代数单晶高温合金中的应用。
3.2 作用机制
铼是镍基单晶高温合金中最有效的固溶强化元素之一。铼之所以能强化固溶体，是因为它往往富集在γ基体中，形成1nm左右、短程有序的铼原子团簇，这种原子团簇的强化能力比传统的固溶强化方式更加突出。由于位错运动需要穿过原子团簇，破坏了铼原子的有序区域，增加了运动阻力，提高了合金的强度。铼的加入还能降低其他合金元素的扩散速度，抑制γ′强化相的生长，增加γ/γ′失配度。此外，铼的加入还能减少单晶铸件的晶粒缺陷和表面再结晶，也能显著提高合金的抗热腐蚀性能[11]。
但铼也是有害拓扑密排相（TCP）形成的重要元素，添加过多的铼对合金的结构稳定性不利[12]。此外，过量的铼会导致合金在高温下长期服役后在涂层下和合金内部形成由P相和γ相组成的二次反应区（SRZ），从而降低合金的耐用度；另外，铼的密度较大，与叶片的轻量化设计理念相矛盾，因此需要严格控制铼的添加量[13-14]。
铼作为一种稀有元素，在单晶合金中添加铼所产生的“铼效应”至今尚未得到清晰解释，添加适量铼与钌（Ru）等其他合金元素的协同强化机理研究还不深入。为最大限度发挥铼的作用，设计出耐高温、综合性能更优的新型单晶合金，科研人员仍需继续关注这一领域。
4. 铼的回收再利用 4.1 铼资源及价格
根据美国地质调查局（USGS）发布的《2020年矿产商品摘要》，近两年全球铼产量（表2）基本保持稳定[15]，并未随着高温合金生产和应用的逐年扩大而增长。这主要得益于三个因素：第一，铼的生产仍然十分困难；第二，各国更加有效地保护了战略性铼矿产资源；第三，铼回收技术取得了进展。
铼除了用于制备高温合金涡轮叶片外，还用于石油催化剂领域。在催化剂领域，铼的消耗量一度高达60%以上。后来随着涡轮发动机叶片单晶高温合金中加入铼，其消耗量逐年增加，目前约占80%。推测原因一是高温合金叶片制造工序长，检验标准苛刻，导致材料综合利用率较低，回料量大；二是发动机大修或报废后，产生大量高温合金废件，也产生大量回料。因此，对回料进行回收利用意义重大。
图5是近5年来铼珠的价格变化，可以看出铼的价格总体呈下降趋势，2020年为12500元/kg，2021年上半年最低价格仍为11500元/kg。虽然呈下降趋势，但由于需求增加，储量不足，铼的价格仍然很高，这使得含铼单晶高温合金的价格非常昂贵。例如第二代含铼单晶高温合金的母合金价格为200~300万元/t，第三代含铼单晶高温合金的价格达到300~400万元/t。
目前，我国已开始采用第二代单晶高温合金制造航空发动机、燃气轮机单晶叶片，势必加大制造成本压力。加之我国铼资源极其匮乏，如何科学高效实现铼资源综合利用成为我国亟待解决的难题。
4.2 铼的回收利用
铼是战略金属，考虑到该资源的稀缺性及其对国防军工发展的重要性，回收后充分利用铼金属成为世界各国控制军费的重要途径。合理利用回收物可以达到充分利用资源和降低生产成本的双重目的。近年来，全球铼回收产业发展迅速，美国、德国是铼资源回收的主要国家。2020年全球回收铼约20~25吨，其中美国占1/3。
铼的回收技术难度很大，成本也很高，针对不同形态的铼废料有不同的回收方法。目前，从高温合金废料中回收铼的主要工艺有氧化升华法、电化学处理法、高温碱熔法、电解溶解法等[16-17]，每种方法都有各自的优缺点。国内金属研究机构采用“电化学溶解法”多步分离提取高温合金废料中的铼，对高温合金废料的电化学溶解、沉淀分离、萃取分离、离子交换分离、金属化合物重结晶提纯、金属化合物气体还原等环节中的关键科学技术问题进行了探索，初步实现了从高温合金废料中分离回收铼的目标[18]。
值得注意的是，当前铼回收面临的主要问题是如何利用技术手段实现高效低成本、节能环保，因此加大高效、低成本、环境友好的下一代回收技术开发是科研人员迫切需要攻克的重要研究课题。
5. 展望
铼作为高价值的战略稀缺资源，对国防科技工业和国家产业升级具有重要的战略意义，特别是在航空航天工业领域，其不可替代性十分突出。面对迅速增长的应用需求和有限的探明储量，如何最大限度地实现铼资源的综合利用，将是全球科技工作者不断攻关的课题。一是技术创新是破解资源综合利用难题的首要途径，要不断提高铼开发、应用和回收利用技术，实现铼资源的闭环再生；二是要节约使用铼元素，开展低铼或无铼单晶高温合金研发；三是要优先从铼资源富集国家进口，加大对国内铼资源的战略保障。
随着我国航空航天事业的发展和持续重视，铼的战略价值和意义将更加凸显。借鉴欧美铼资源利用先进模式，加大铼资源回收利用技术，提高铼资源保障能力，助力我国先进航空发动机、燃气轮机自主研发和可持续发展。