近日，中南大学包括黄再旺教授、张利军教授在内的研究团队在ActaMaterialia上发表论文，公布了最新研究动态：通过用锇(Os)代替铼(Re)来提高镍基单晶高温合金的抗蠕变性和相稳定性。那么，锇(Os)取代铼(Re)成为镍基单晶高温合金中最重要的强化元素在现实生产应用中有多大可能性呢？下面我们先来读懂该论文的核心意义。

铼(Re)是镍基单晶高温合金中最重要的强化元素，因为它具有低扩散系数、高熔点和高γ相和γ'相之间的分配系数。然而，其对相稳定性的不利影响仍然是一个长期存在的有待解决的问题。本文报告了一种新的设计策略，通过用锇(Os)代替铼(Re)来提高镍基单晶高温合金的抗蠕变性和相稳定性，这与普遍的看法相矛盾。新设计的CSU-Os-2合金在980°C/200MPa/100h下的蠕变速率低于商用CMSX-4合金。此外，与CMSX-4合金相比，CSU-Os-2合金在1100℃暴露1000小时后还具有更好的相稳定性。

镍基单晶高温合金具有典型的显微组织，具有高比例的共格沉淀γ'（有序fcc-L12结构）立方体，由γ基体的薄通道（无序fcc-A1结构）隔开，具有优异的机械性能并且在高温下具有高抗蠕变性和抗疲劳性，被广泛用作高压涡轮叶片的基本材料。为了满足涡轮入口温度不断提高的要求，Ni基单晶高温合金需要更高的抗蠕变变形能力和显微组织稳定性。在过去的几十年里，人们一直致力于在Ni基单晶高温合金中不断引入更高比例的难熔合金元素，如Mo、W、Ta、Re等，以提高其抗蠕变性和相稳定性。例如，W+Mo+Ta+Re的总量从第二代的16.4wt.%增加到第三代镍基单晶高温合金的20.1wt.%。其中，Re（铼）是增强蠕变变形能力最有效的改性剂，因为它具有极低的扩散系数、高熔点和对γ相的强分配行为。尽管具有诱人的好处，但在新一代Ni基单晶高温合金中添加更高量的Re可能会引发脆性拓扑密排(TCP)相的析出，从而加速合金的失效。

因此，全世界都在努力解决TCP降水的问题。一种可行的措施是引入合金元素Ru（钌），因为它的添加可以逆转分配行为，增加Re和W在γ基体相中的溶解度,降低TCP/γ界面能和γ/γ'失配应变能。不幸的是，Ru的添加也可能导致拓扑反转的发生，尤其是在高温下，这反过来会影响镍基单晶高温合金的蠕变断裂寿命。因此，有动力寻找其他可能的元素来替代Re或Re/Ru，旨在探索新型镍基单晶高温合金。一种有效的策略是在Ni基单晶高温合金的γ-基体中寻找互扩散系数与Re相当甚至低于Re的元素。通过将HitDIC软件与扩散耦合/多重技术相结合，可以有效地确定一系列二元、三元和多组分γNi基合金中与温度和成分相关的相互扩散系数。γNi-X和Ni-Al-X（X=Co、Cr、Ir、Mo、Nb、Os、Pt、Re、Rh、Ru、Ta、Ti和W）合金中相互扩散系数的综合比较1423∼1573K表明，Os的相互扩散系数与Re一般相当，在较高温度（即≥1300°C）下甚至更低。就γ基体中的互扩散系数而言，Os可能是Ni基单晶高温合金中Re的一种潜在替代元素。

从固溶强化、抗蠕变性和显微组织稳定性方面对镍基单晶合金中锇替代铼的可能性进行了详细的理论分析。在得到肯定证实的情况下，中南大学粉末冶金国家重点实验室张利军团队通过将商业CMSX-4合金中的Re替换为Os设计了一种名为CSU-Os-2的新型无Re镍基高温合金，然后成功制备成单晶棒。通过适当的固溶和时效热处理，偏析几乎得到缓解，并像商业合金一样产生了典型的γ/γ'微结构。在1100℃/1000h暴露条件下，CSU-Os-2合金的γ'析出物的聚结比CMSX-4合金慢，没有观察到TCP相。在980°C/200MPa/100h蠕变变形后，CSU-Os-2合金的蠕变速率低于CMSX-4合金。所有吸引人的特性/性能都可以通过γ和γ'相之间更高的分配系数以及很可能在γ相中Os的扩散系数低于Re来解释。新型无铼含锇镍基单晶高温合金的成功开发，具有增强的抗蠕变性和显微组织稳定性，无疑为下一代镍基单晶高温合金开辟了新方向。

论文结尾这句话“新型无铼含锇镍基单晶高温合金的成功开发，具有增强的抗蠕变性和显微组织稳定性，无疑为下一代镍基单晶高温合金开辟了新方向”，揭示了论文的核心意义。看完论文，再回到本文开篇所提问题：锇(Os)取代铼(Re)成为镍基单晶高温合金中最重要的强化元素在现实生产应用中有多大可能性？要回答此问题，我们先从铼(Re)和锇(Os)在地球上的可开采资源量、提取冶炼工艺成本、目前市场价格和生产供应能力三个基本面来分析阐述一下笔者的观点。

1、资源储量

锇(Os)的密度是22.59g/cm³ ，是地球上 密度最大的金属元素。锇是铂族金属的一种，全球的锇年产量只有约500kg，不到黄金的1/5000。根据《2022年美国地质调查-矿物概要-铂族金属》透露的数据，全球铂族已探明储量为7万吨，其中铂大概占50%的份额，钯大概占35%的份额，其它为钌、铱、铑，而锇却又是铂族中最稀少的元素，在铂族中含量份额还不到1%，也就是全球储量估计大约在700~1000吨左右。

铼(Re)密度是21.03g/cm³，也是地球上的稀散元素。铼的全球已探明储量约为2500吨，资源保有量不低于1万吨，不到黄金的1/10，全球的铼年产量约100吨，目前大约50%以上的铼产量用在生产镍基高温合金。

从以上资源储量和产量的对比可以知道，铼的储量丰度是锇的10倍以上，产量是锇的200倍以上，在资源供应保障和产能产量上，铼完胜锇。

2、提取冶炼工艺成本

铼通常是铜、钼的伴生矿，在冶炼铜和钼的过程中，大部分作为有价值的冶炼副产物得到回收，因此提取冶炼的工艺成本比较低；锇一般是和铱伴生，由于在铂族矿中品位含量极低，再加之锇的氧化物四氧化锇 OsO4 有剧毒，导致锇在提取冶炼生产过程中的工艺成本较高。

3、市场价格和生产供应能力

锇的产量只有500kg，美元国际价格接近20美元/克，约合人民币150元/克，15万/公斤；而铼的产量是100吨，市场价格是人民币170元/克，1.7万/公斤。产量方面，铼是锇的200倍；价格方面，铼仅是锇的十分之一。

锇和铼的价格对比

综上所述，在镍基单晶高温合金现实生产应用中，要想让锇(Os)完全取代铼(Re)成为关键强化元素，似乎远没有那么简单，但在传统镍基高温合金中引入锇元素，作为一种新的科学研究方向，值得业界借鉴和参考。

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*相关研究成果以题“A novel Re-free Ni-based single-crystal superalloy with enhanced creep resistance and microstructure stability”发表在增材制造顶刊Acta Materialia上。

*论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359645422007157