Ren - pierwiastek przyszłości cz. 3/4 | Chemia Portal

(fot. Fotolia)

Metale, obok polimerów i materiałów ceramicznych stanowią podstawową bazę materiałową dla wszystkich gałęzi techniki. Jednym z aktualnie najciekawszych obszarów badań nad nimi stanowią nadstopy (superalloys). Są to stopy różnych metali, najczęściej na bazie żelaza, niklu, kobaltu, molibdenu i szerokiej gamy metali rzadkich. Nadstopy utrzymują znakomite właściwości mechaniczne w bardzo wysokich temperaturach i nie ulegają w widoczny sposób korozji w ekstremalnych warunkach. Wykorzystywane są głównie w przemyśle lotniczym (turbiny silników) oraz rakietowym i kosmicznym. Dodatek kilku % renu poprawia praktycznie wszystkie istotne z punktu widzenia techniki własności nadstopów, toteż pierwiastek ten na stałe zagościł w lotnictwie. Udało się wyjaśnić, że to dobroczynne działanie polega na hamowaniu rekrystalizacji ziaren stopu i zwiększania średniego rozmiaru ziaren, co skutkowało wzrostem kruchości stopu, zwłaszcza podczas starzenia w wysokich temperaturach. Dzieje się tak prawdopodobnie dzięki dużej skłonności tego metalu do tworzenia klasterów, które mając jeszcze rozmiar ‘’nano’’ pozwalają hamować migrację innych atomów nie niszcząc jednorodności stopu na pozomie mikro.

Ten pozytywny wpływ skłonił nawet inżynierów do wprowadzenia pojęcia ‘’efektu renu’’. Z nadstopów z jego dodatkiem wytwarza się głównie monokrystaliczne (sic!) łopatki turbin najnowocześniejszych samolotów, głównie bojowych, takich jak F-15 Eagle, F-16 Fighting Falcon, F-22 Raptor czy F-35 Lightning II. Skorzystano z tego jednak także w przypadku maszyn cywilnych, np. Boeing-777 czy Airbus A-320. To efekty prac badawczo-rozwojowych takich jak chociażby Rolls-Royce, General Electric czy Pratt&Whitney. W innej funkcji (jako precyzyjne, niezawodne i trwałe termopary) używa się stopów Re do kontroli temperatury spalin opuszczających silniki samolotów wykonanych w technologii ‘’stealth’’, więc są to zapewne F-117 Nighthawk oraz B-2 Spirit. Te fakty pozwalają już zrozumieć, dlaczego USA pochłania prawie całą pulę renu wytwarzaną na świecie, oraz dlaczego cena tego pierwiastka jest tak związana z kondycją przemysłu lotniczego.

Przemysł rakietowy z kolei chętnie wykorzystuje nadstopy z dodatkiem 3-6% Re do produkcji komór spalania i dysz wylotowych rakiet z uwagi na wytrzymałość termiczną, nawet po wielu cyklach ogrzewania i chłodzenia. Niektóre spośród wielu nadstopów z dodatkiem Re mają następujące oznaczenia: CMSX-4, CMSX-10, CM186LC, CMSX486, PW1484, Rene N5, Rene N6, TMS-75, TMS-138, TMS-162. Warto tu jeszcze nadmienić o materiałach wielowarstwowych (TMS-82, CMSX-84), które cechuje wyjątkowa odporność na korozję i fantastyczne własności barierowe względem gazów. Co ciekawe, o ile nadstopy drugiej generacji zawierały stosunkowo dużo renu (nawet 5-6%), to obecnie udało się utrzymać ich właściwości przy zastosowaniu dodatku zaledwie 1,5% Re, i tego skoku dokonano tylko, i wyłącznie ze względu niezwykle szczupłe zasoby tego pierwiastka [5]. Super stopy są stosowane także w energetyce atomowej – stanowić mogą elementy koszulek, w których jest zamknięte właściwe paliwo jądrowe. Tutaj stosuje się akurat stop Nb-Re. W przyszłości reaktory nowej generacji pracujące na ciekłym licie będą być może zawierać stop Mo-Re, który praktycznie nie ulega korozji w tym środowisku. Stopy W-Re z dodatkiem ThO₂ zastosowano w termojonowych konwertorach energii montowanych w sondach i aparatach kosmicznych.