介绍

在现代社会中，钽和铌等金属以及其他金属的一些最重要和最有前途的用途是使用高温合金(钴、铬、铪、锆、钛、稀土、钼、钌、铱、铝、钨)。

高温合金主要依靠面心立方γ金属基体中相干L12γ’-奥氏体沉淀的分散来获得优异的高温机械性能。在高工作温度下，部件会形成耐腐蚀的氧化物涂层，从而增强耐腐蚀性。

高温合金所用金属的提取、供应、市场价格和回收利用是用系统动力学模型WORDEN 6模拟的。所作的资源估计导致对镍(URR=3亿吨)、钽(URR = 32万吨)、铌(URR = 8000万吨)、钨(URR = 3000万吨)、钼(URR=1亿吨)、钴(URR = 2800万吨)、铼(URR=0.02万吨)、钛(URR = 36亿吨)、锆(乌拉圭资源= 4.05亿吨)和铪(乌拉圭资源= 900万吨)的估计大大高于早先的研究。

高温合金在航空航天领域的应用范围迅速扩大；圆盘、螺栓、轴、箱、叶片、叶片、燃烧室、推力反向器。它们在民用发电厂中被大量使用；螺栓、叶片、烟囱气体再热器，用于高性能涡轮机，以提高能量转换的热效率，用于机动车辆的涡轮增压器和排气阀。由于其良好的耐腐蚀性和强度，它们在医疗部件中也变得越来越重要。在核能发电系统中，它们用于因辐射挑战而难以进行维修的地方，例如控制棒驱动装置、阀杆、弹簧、管道以及需要高强度和耐腐蚀性的地方。化学工业它用于化学反应容器、管道、阀门、螺栓和泵。它们用于航天器的空气动力学加热外壳、火箭喷嘴、涡轮泵、火箭发动机压缩机和服务涡轮机。

目标和范围

考虑到钼、铼、铌、钽、钴和镍在火箭、高性能涡轮和先进喷气发动机中的技术应用，目标是评估钼、铼、钽、钴和镍供应是否足以生产高温合金。

系统动力学建模

主要的建模方法使用系统分析和系统动力学。我们使用基于方框箭头符号的流程图来分析系统，因果循环图定义了质量平衡表示的微分方程，并使用STELLA系统动力学方法进行数值求解。

金属和金属用途

表显示了我们对未来20年民用飞机需求和高温合金需求的估计。这些数量取决于发动机重量、每架飞机的发动机数量以及发动机内高温合金部件的寿命。

表1 显示了高温合金的重要合金金属概述。

表2 未来20年军用飞机高温合金需求。估计总共需要24，000台新发动机。

表3 未来20年民用飞机需求和高温合金需求

该数量取决于发动机重量、每架飞机的发动机数量以及发动机内高温合金部件的寿命。假设每架新的民用飞机都是双引擎飞机，每个引擎的平均重量约为3吨。随之而来的是用于陆基发电的涡轮机和用于不同类型火箭的高温合金。数量以吨金属为单位。

表4 未来20年高温合金需求汇总，吨金属

高温合金成分的流动如图1所示.我们还指出了这些金属是软稀缺(通过更高的价格得到补偿)还是硬稀缺(通过更高的价格得到补偿，并且实际能够交付的数量有限)。

图1 解释金属流向每个喷气发动机的图表

导致金属需求的战略考虑

随着新的第五代喷气式战斗机和非常高性能的喷气涡轮发动机的出现，涡轮叶片将需要大量的高温合金。

典型现代喷气发动机中的超级合金重量稳定在发动机重量的40-50%。这可能导致特种金属的需求大于目前的实际供应。民用飞机的新一代高性能喷气发动机在涡轮叶片中使用高温合金(空客A360、A380、波音777、波音787和其他供应商的几款新机型)。

西雅图波音公司估计，(未来20年)，全球将有38，000架新的民用飞机投入使用(每年1，900架商用飞机)。这相当于在此期间需要30，000-60，000吨具有至少第四代性能的超级合金，或者每年需要1，500-3，000吨超级合金，钽含量为6%，相当于每年约90-180吨。表5显示了未来20年军用飞机对高温合金的需求。

表5 航空技术对单种金属的需求

结果

WORLD6模型运行的时间是1900-2400年，但对于一些图表，我们选择只显示过去和未来100年，即1900-2100年。根据模型模拟输出，我们选择显示铌和钽的时间段1900-2100。原因是大多数有趣的动态变化都发生在这个时间段。表6显示了未来20年民用飞机需求和高温合金需求，以及对供应充足性的评估。可见，未来铼、钽、钴、铪、铂存在稀缺风险。

表6 总结了所有技术对单种金属的需求