Порошковый рений высокочистый

Рений (Re) — редкий тугоплавкий металл серебристо-белого цвета с высокой плотностью. Относится к VII группе периодической системы, атомный номер 75, атомная масса 186,207. По температуре плавления (3186 °C) уступает только вольфраму, а по плотности (21,03 г/см³) занимает четвёртое место среди элементов — после осмия, иридия и платины. Содержание рения в земной коре составляет около 7·10⁻⁸ % по массе, что делает его одним из наиболее редких и дорогих промышленных металлов. Мировое производство рения составляет порядка 50–60 тонн в год; крупнейшие страны-производители — Чили, США, Польша и Узбекистан.

Физические свойства рения

Рений обладает гексагональной плотноупакованной (ГПУ) кристаллической решёткой с параметрами a = 0,276 нм, c = 0,446 нм. Чистый металл пластичен при комнатной температуре, однако вследствие высокого модуля упругости (около 460 ГПа) после механической обработки его твёрдость значительно возрастает из-за наклёпа. Для восстановления пластичности рений отжигают в водороде, инертном газе или вакууме при 1200–1500 °C в течение 1 часа.

При температурах до 1200 °C прочность рения превышает прочность вольфрама и значительно превосходит прочность молибдена. Удельное электросопротивление рения примерно в четыре раза выше, чем у вольфрама и молибдена. Металл выдерживает многократные циклы нагрева и охлаждения без потери механических характеристик, что важно для деталей, работающих в условиях термоциклирования.

Химические свойства металлического рения

Электронная конфигурация валентных оболочек атома рения — 5d⁵6s² (семь внешних электронов). Рений проявляет степени окисления от −1 до +7; наиболее устойчивое состояние — Re⁷⁺.

Компактный рений устойчив на воздухе при комнатной температуре. Окисление с образованием оксидов (ReO₃, Re₂O₇) начинается при температуре выше 300 °C и протекает интенсивно выше 600 °C. Высший оксид Re₂O₇ обладает высокой летучестью — температура его кипения составляет всего 362 °C. Это исключает применение рения на воздухе при высоких температурах без защитной атмосферы, однако именно это свойство обеспечивает самоочищение рениевых электрических контактов.

С водородом рений не реагирует вплоть до температуры плавления — порошок лишь адсорбирует водород на поверхности. С азотом рений также не взаимодействует. В отличие от других тугоплавких металлов (вольфрама, молибдена, тантала) рений не образует карбидов. При нагревании реагирует с фтором и хлором, образуя ReF₆ и ReCl₅. Рений практически не растворяется в соляной и плавиковой кислотах, слабо реагирует с серной кислотой даже при нагревании, но легко растворяется в азотной кислоте с образованием рениевой кислоты HReO₄.

Сырьевые источники и получение порошка рения

Рений — рассеянный элемент, не образующий собственных промышленно значимых месторождений. Основным сырьём для его извлечения служат молибденовые и медные сульфидные концентраты, в которых содержание рения составляет 0,01–0,04 %. В общем балансе мирового производства на молибденовое и медное сырьё приходится более 80 %, остальное — на вторичную переработку.

Стадии извлечения рения из концентратов

При окислительном обжиге молибденита рений переходит в газовую фазу в виде летучего оксида Re₂O₇. Из отходящих газов его улавливают промывкой водными растворами и переводят в перренат-ионы (ReO₄⁻). Для концентрирования и очистки последовательно применяют сорбцию, ионный обмен и жидкостную экстракцию. На заключительном этапе получают промежуточные соединения — чаще всего перренат аммония (NH₄ReO₄) или перренат калия (KReO₄), которые затем восстанавливают до металлического порошка.

Восстановление водородом — основной метод

Наиболее распространённый промышленный способ получения порошка рения — восстановление перрената аммония водородом при температуре около 800 °C. Метод позволяет получать мелкодисперсный порошок с размером частиц 3,0–7,5 мкм (метод Фишера) и высоким содержанием основного вещества.

Восстановление перрената калия водородом также применяется, однако остаточное содержание калия в порошке может затруднять спекание штабиков и снижать пластичность заготовок. Для получения рения особо высокой чистоты (до 99,99 % и выше) применяют электролитическое осаждение на катоде и термическую диссоциацию галогенидов рения.

Формы поставки рения металлического

Металлический рений поставляется в нескольких формах, каждая из которых предназначена для конкретных технологических задач.

Рениевый порошок — характеристики и назначение

Порошок рения — мелкодисперсный материал чёрного или тёмно-серого цвета (оттенок зависит от дисперсности). Средний диаметр частиц по методу Фишера — от 3,0 до 7,5 мкм. При просеве через капроновую сетку №55–64 не должно быть отсевов. Порошок является основным полуфабрикатом порошковой металлургии рения: из него прессуют и спекают штабики, а также вводят как легирующую добавку в жаропрочные сплавы на основе никеля, вольфрама и молибдена.

Штабик рения — полуфабрикат порошковой металлургии

Штабик — заготовка в форме прямоугольного бруска, получаемая методом порошковой металлургии. Типичные сечения — 5,5×5,5 мм и 9,5×9,5 мм при номинальной длине 350 мм. Допускается поставка штабиков меньшей длины в количестве не более 10 % от массы партии; отклонение от прямолинейности — не более 1 % длины.

Технология изготовления штабика включает: прессование рениевого порошка, вакуумное предварительное спекание при ~1200 °C и окончательное спекание в среде водорода при ~2700 °C. Полученные штабики служат исходной заготовкой для дальнейшей деформационной обработки — проката, ковки, волочения проволоки.

Таблетка рения

Таблетка рения — компактная прессованная заготовка цилиндрической формы. Используется как шихтовой материал при выплавке жаропрочных сплавов, а также в качестве навесок для аналитической химии и научных исследований.

Прокат из рения: лист, лента, проволока, фольга

Из спечённых штабиков методами горячей и холодной деформации получают листы, ленты, фольгу, проволоку и прутки. Рений хорошо деформируется при комнатной температуре, однако из-за высокого коэффициента наклёпа между проходами деформации требуется промежуточный отжиг в водороде при ~1700 °C (1–2 часа).

Горячая обработка рения на воздухе невозможна — летучий оксид Re₂O₇ проникает по границам зёрен и вызывает горячеломкость. Поэтому горячую деформацию проводят в защитной атмосфере или вакууме. Рений может быть раскатан в тонкую фольгу и протянут в проволоку. Также рений допускает сварку, пайку и соединение пайкой твёрдыми припоями.

Сплавы рения с тугоплавкими металлами

Рений обладает уникальной способностью повышать одновременно прочность и пластичность тугоплавких металлов — явление, получившее название «рениевый эффект». Это делает его незаменимой легирующей добавкой в ряде стратегически важных материалов.

Вольфрам-рениевые сплавы и термопары

Сплавы вольфрама с рением (содержание Re от 3 до 27 %) отличаются повышенной пластичностью по сравнению с чистым вольфрамом. Из вольфрам-рениевой проволоки изготавливают электроды термопар для измерения температур до 2200–2500 °C (термопары типа ВР-5/ВР-20). Такие термопары применяются в металлургии, аэрокосмической технике и ядерной энергетике.

Молибден-рениевые сплавы

Добавка рения к молибдену повышает температуру рекристаллизации, улучшает свариваемость и пластичность. Молибден-рениевые сплавы применяют для изготовления деталей, работающих при высоких температурах в вакууме или инертной среде: электроды, тепловые экраны печей, элементы конструкций вакуумных установок.

Жаропрочные никелевые суперсплавы с рением

В авиадвигателестроении рений входит в состав монокристаллических жаропрочных никелевых суперсплавов второго и третьего поколений с содержанием Re от 3 до 6 %. Эти сплавы применяются для лопаток газовых турбин, камер сгорания и сопловых аппаратов реактивных двигателей. Авиакосмическая отрасль является крупнейшим потребителем рения в мире.

Области применения рения и его сплавов

Авиакосмическая техника

Основная доля мирового потребления рения приходится на жаропрочные суперсплавы для газотурбинных двигателей. Легирование рением позволяет повысить рабочую температуру турбинных лопаток, увеличивая мощность и КПД. Рений также используется в деталях ракетной техники — соплах, камерах сгорания, конструктивных элементах, работающих при экстремальных термических нагрузках.

Нефтехимия и катализ

Второе крупное направление — биметаллические платинорениевые катализаторы для каталитического риформинга нефтепродуктов. Они обеспечивают получение высокооктанового бензина и ароматических углеводородов. Доля рения, направляемая на катализаторы, в последние десятилетия значительно выросла.

Высокотемпературные термопары

Термопары на основе вольфрам-рениевых сплавов (типы ВР-5/ВР-20) обеспечивают измерение температур до 2200–2500 °C в вакууме и инертных средах. Область применения: металлургические печи, стекольная промышленность, ядерные реакторы, космические испытания.

Электрические контакты и электроника

Летучесть оксида Re₂O₇ обеспечивает рениевым контактам способность к самоочищению: при электрическом разряде оксидная плёнка испаряется, восстанавливая чистую металлическую поверхность и обеспечивая стабильную работу контактов на протяжении длительного времени. Рений используется также в нитях накала, катодах электронных ламп, рентгеновских трубках и мишенях масс-спектрометров.

Хранение и транспортировка порошка и штабиков рения

Порошок рения хранят в герметичной таре, исключающей контакт с влагой и агрессивными средами. Штабики и таблетки устойчивы на воздухе при комнатной температуре и не требуют специальной защитной атмосферы. Упаковка должна обеспечивать сохранность продукции при транспортировке и предотвращать механические повреждения заготовок.