钼及其合金在航空工业上的应用

陈昌麒

在航空工业的发展过程中遇到了各种各样的“障碍”，前不久克服了“音障”，而近几年来主要的障碍则是“材料障”。这个问题之所以提出来是因为飞机的飞行速度越来越快，发动机的工作温度也在不断增加，例如目前用的燃气涡轮的工作温度就达到了1100℃左右，而这个温度尚远远不能满足发动机设计工程师的要求，因而迫使冶金学家及工程技术人员寻求新的耐高温的材料，来代替目前所使用的钴铬镍及镍铬钛基的合金。

寻求高级的耐热合金的方法之一就是以熔点高的金属作为合金的基体。大家都知道，金属越接近熔点，强度越低，达到了熔化温度当然也就谈不上什么强度了。所以如果金属的熔点越高，比较起来能使用的温度也就越高。现在能找到的高熔点金属有钒、铬、铌、钼、钽、钨等。

钼的熔点是2622℃。钨的熔点是3410℃。这两种元素在我国的储藏量都很丰富，尤其是钨。但是钨的比重很大(19.3克/公厘3)，而钼的比重是10.22，所以钼在航空工业中运用的现实性更大，下面就简单的介绍一下钼和钼合金。

在很早的时候，古希腊人就发现了钼矿(辉钼矿MoS2)。但他们却错误的把它当作方铅矿(PbS)而用来做铅笔。这是因为方铅矿、石墨及辉钼矿彼此都很相像，不易区分。有意思的是直到如今希腊语中还把铅笔叫做钼。

纯钼是银白色的金属。钼粉则是深灰色，钼粉是先由辉钼矿制成MoO3然后再用氢还原而得到的。钼粉在高温下压缩，烧结就成为金属钼块了。不过这样得到的钼块尺寸和重量不会很大，一般是2公斤，少数情况可达到28公斤。要想得到更大更重的钼锭就要用电弧熔炼法制取。电极是用钼粉压制成的，为了避免氧化，电弧炉的炉膛内要抽成真空或充满惰性气体(如氩、氦等)。用这种方法炼出的钼锭，其重量可达450公斤(个别情况能达到1000公斤)。

钼最初是用来作为合金元素加入到特殊合金及特殊钢中的。钢中加入钼后硬度和强度都增加很多。钼丝及钼带在真空电气工业中用得很多，也用作电阻炉的加热体和热电偶，这种电阻炉需在真空中或在保护气体下工作。

但是，人们对钼的主要兴趣是在于把它运用到航空工业上去。前面已经说过，钼的高温性能比现在最好的耐热合金(镍基及钴基合金)还要好。此外还由于钼的导热性很好，这就更有利于用钼来制作高温下工作的零件。因为喷气发动机中的燃烧室、涡轮等部件经常是处于冷热不均匀的情况下，如果材料的导热性不好，往往就会由于热应力而使零件破裂。

如果在钼中加入少量其他金属元素而形成钼合金，则其强度会更进一步提高。目前曾研究过在钼中加入铌、钛、钒、铬、釸、钽、钨等元素。

还有人在钼中加入过渡族元素的氧化物如二氧化锆、二氧化钛、三氧化二铬效果也很好。但不能加的太多，否则会使钼合金变得很脆而无法加工。

钼及钼合金虽然有许多优点，但目前还不能把它正式用于生产中。这是因为钼在540。以上氧化得非常利害。在高温下钼表面形成一种氧化钼(MoO3)。最坏的是这种氧化钼具有挥发性。钼在540。以上，形成的MoO3不断挥发，基体就不断氧化，温度越高，氧化就越剧烈。

如何防止钼合金在大气中的氧化，已成为各国有关科学工作者的研究中心了。十几年来，经过科学家们的努力，寻求了许多避免钼氧化的办法，其中也有些比较有效，在这些方案中，大致可以归为两类：

i)从基体着手，就是在钼中加入适当的元素使合金变得有抵抗氧化的能力。曾经在钼中加入过铬、镍、钙、镤、釸、钛等。这里以加入镍和钙比较见效。大约可以使钼的氧化速度降低100倍左右。然而，要想使钼合金能在实际生产中应用，至少要使钼的氧化速度减低1000倍以上。另外现在所加入的防止氧化的金属元素的量很大(通常在30%左右)，这就使得钼原有的优良性能大大减色了。所以用加强钼合金基体抗氧化能力的办法尚需改进。

ii)另一种办法就是在钼表面上制造一层抗氧化的保护层，目前用来得到保护层的办法有：

a)包层方法：用轧制的办法把具有高温耐氧化的金属如镍、铁铬、铁铬镍合金，包在钼的外表。包层的厚度小于零件厚度的15%。这种方法的缺点是在1200℃以上的抗氧化性能尚不够好，而且对于形状复杂的零件很难使用这种办法。

6)渗透法：就是把钼合金制的零件放在要渗透的金属粉中，加高热。这些能抗氧化的金属粉就会渗透到钼合金的表层中去。这里以渗锆、釸、铬、铝较好。用这种方法可使零件在1000℃下4000小时内不会氧化，1700℃下30小时内不会氧化。渗透法所获得的高级抗氧化保护层效果比前一种好。可是在室温下，表面层很脆，经不起热冲击和机械冲击。

除了上述的方法外，尚有把具有抗氧化性能的材料，用电镀、喷镀、蒸气凝结及浸入等办法覆盖在零件表面上。所有这些方法，到目前为止，有些结果不能令人满意。有些太昂贵或手续太麻烦。

总起来说，钼合金是一种很有希望的高级耐热材料，只要能解决抗氧化问题，就有可能用钼合金来制造在1200℃以上工作的零件。

把这种材料用在喷气发动机上，就可提高它的工作温度，因而也就加大了它的推力。这样就可使喷气飞机飞的更快更高了。