为什么不用金属钨做航空发动机?

小黎枝 2024-05-31 01:59:33
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缺点太多,太重、太硬、太耐磨、反而限制钨的使用。航发专业人员为你解答,顺便普及发动机叶片材料知识。钨这种金属是一种优点和缺点都很明显的金属。密度大,硬度大,熔点高。熔点3410℃是所有非合金金属中熔点最高的;非常硬,莫氏硬度达到7.5;密度也非常高,达到了19.25。钨这种金属在军工领域应用非常广泛,但是在航空发动机领域应用甚少。密度太大,限制了使用。这一条很好理解,航空发动机领域,千方百计要提高的指标就是推重比,提高推重比有两条途径,重量不变的前提下提高推力,或者推力不变的情况下减小重量。减小发动机自身重量所带来的收益,甚至强于提高推力。钨的密度是铁的2.5倍,是钛的5倍,用上这种材料,重量将成倍增加,显然很不合适。发动机叶片更是不能用密度大的材料,发动机高速旋转时,叶片产生的离心力都将达到十几吨。如果用钨这种密度大的金属,产生的离心力估计都可以达到上百吨,将没有什么材料能够承受这么大的离心力,一转起来,发动机马上解体。熔点高是一项非常好的优点,但是目前发动机还远远用不到这么高熔点的材料。拿发动机最关键的指标,涡轮前温度t4来说,目前主流发动机的涡轮前温度在1700k左右,比如我国的涡扇10发动机t4温度就是在这个水平。美军f119发动机领先我们一代,t4温度为1900k,推重比已经达到11。t4温度每提高200k,就可以诞生新一代发动机,而这个过程大概需要耗时20年,以人类目前的科技水平能做到2300k已是极限。熔点太高,看起来并没有什么实际的意义。至于硬度,太硬了,反而不好。与大多数人的理解不同,发动机叶片的材料,需要的是韧性好,甚至是易磨损的材料。发动机叶片在工作时不但承受巨大的径向拉力,气流还对叶片施加巨大的轴向力,叶片甚至会被气流轻微的掰弯,所以需要较好的韧性。同时叶片尖端与内涵道壁板的缝隙只有发丝大小,在热胀冷缩的影响下,叶片尖端会与壁板发生刮蹭,此部位一般会使用易磨材料。即使受到刮蹭,也不会产生脆性断裂。涡轮叶片为了保护内部气路的完整,甚至直接预留了不小的磨损层。图涡轮叶片端部预留一定高度的磨损余量
叶片还需要应对随时可能发生的外物打伤。如果韧性不好,一打就掉一块。发动机叶片马上就会被打得稀巴烂,韧性好的材料,如果发生异物打伤,打弯或者打变形,问题都不大。图打伤的叶片
钨这种材料还有一个缺点,在高温的情况下,容易与空气中的氧气或者氮气发生化学反应,变得更脆。总而言之,航空发动机所用的材料,要求耐高温、轻质,柔韧,钨显然不具备这些特点。虽然在航空发动机上用的少,但是钨仍然用于很多军工领域,比如**、**、**,这些地方可以很好的发挥钨材料的优点。 20210311
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