ZF-小矿工

一款材料能不能用在航空发动机里面需要考虑的因素是非常多的。

这些因素包括材料本身的物理性质，最重要的是材料本身的刚度、强度和密度。

刚度大的材料在结构受力较大的情况下不会产生很大的变形，要知道，航空发动机里面的转子每分钟可能要转动数万转，这这么高的速度下，如果结构有很大的变形，那么就容易发生故障。强度大的材料在结构受力较大的情况下不会发生断裂，比如说下面这张图就是金属的静强度试验。

而材料的密度在航空发动机中同样是非常关键的，除了本身航空发动机需要减重之外，更重要的是发动机的转子转速太快了，密度越大的材料产生的离心力就越大，所以说降低材料密度就可以获得更高的转速。比如说钛合金本身的刚度和强度性能本身不是很亮眼，但是架不住钛合金的密度很低，所以这种材料会被广泛运用在航空发动机中。下面就是钛合金的整体叶盘结构。

相比较之下，金属钨的缺点就很明显了，因为金属钨的密度足足有19g每立方厘米，是钢的两倍，钛合金的四倍。所以说这么大的密度根本就没办法在航空发动机中使用。

此外，金属钨虽然熔点高，但是不意味着就可以在高温下使用金属钨。

一种材料熔点高，只是说在很高的温度下这种材料不会融化，但是不融化不代表这种材料就是可以在高温下使用的。正如刚刚所说的刚度和强度，温度如果过高，即便材料不融化，其刚度、强度的下降也是不可接受的。

下面这张图中的蓝色线就是金属钨的抗拉强度，可以看到，温度超过1000℃之后，金属钨的强度性能下降的非常多，所以说让钨承受更高的温度没有意义。既然总是要通过冷却系统让材料维持在较低的温度（再下面的图就是涡轮叶片的冷却结构），为什么不用其他高温性能差不多、但是密度更轻的金属呢？

另外，一款材料不仅仅是性能好就可以用在航空发动机中。

有些材料性能好，但是加工性能差（也就是说加工不了）、价格昂贵，或者说不能保证供应，那么这款材料就不会被用在航空发动机中——除非这些问题能够有效的解决。

典型的例子就是钛合金，虽然说很早科学家就发现钛合金的性质很好，但是其真正应用却花了很长的时间，就是因为钛合金的加工性能在很长时间内得不到有效的解决。

SilentTurbine

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。

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，比如导弹、炸弹、穿甲弹，这些地方可以很好的发挥钨材料的优点。

胡侃军事

除了耐热，航空发动机叶片还需要考虑耐疲劳性能，高温蠕变性能（航空发动机需要在1000多度高温运行）。现在使用的航空发动机叶片，特别是在燃烧室使用的叶片大多是镍基单晶高温合金。镍基单晶高温合金是通过定向凝固和螺旋选晶法得到的。由于只有一个晶粒，材料的抗蠕变性能非常好。在镍合金里面还大量添加Al，Cr，Ti，W，Mo，以及现在的第四代第五代及以上添加的贵金属铼和钌等，这样材料的强度才能抗住高温下的蠕变。国内做得比较好的单位有中科院金属研究所，北京航空材料所（621），钢铁研究总院等。

因此并不是熔点高就可以做叶片材料，因为需要综合考虑各种因素。比如材料的密度，塑性，强度，耐蠕变和疲劳性能。钨的熔点高，约3410度，但是密度也大，为19.35g/cm3，是铁和镍的两倍多。由于是在空中飞行，整体重量越轻，越是节能。另外，钨合金的塑性还是不如镍基合金，也就是比较脆，飞机是载人的，如果在空中飞着发动机叶片就断了那就危险了。

钨是一种很好的元素，在耐热钢，工具钢里经常可以见到，但用量不会超过3-10wt%。太多一是价格太贵，二是塑性或韧性不足。

汽车材料达人

钨在地壳中的含量为0.001%。已发现的含钨矿物有20种。钨矿床一般伴随着花岗质岩浆的活动而形成。经过冶炼后的钨是银白色有光泽的金属，熔点极高，硬度很大。钨是熔点最高的金属。

全世界钨的贮藏总量估计为700万吨，其中约30%是黑钨矿，70%是白钨矿。但是目前大多数这些矿藏无法经济性地开采。按照目前的消耗量这些矿藏只够使用约140年。另一个获得钨的方法是回收。回收的钨比钨矿含量高，事实上非常有利润。

上述两段文字是网上的资料。因为储量小，这类稀有金属不能大量大量使用，只能作为添加材料制作合金钢使用。

航空科普

航空材料，第一考虑的性能是什么？答：比强度！也就是材料的强度极限比上密度，比值越大越好！而高温性能，只在涡轮部分，需要很高要求！显然，钨合金显然达不到比强度大这个前提条件，所以航空材料，在第一关就会把它淘汰！另外，目前发现的比强度最大的金属材料是钛合金，非金属材料是碳纤维。高温性能最好高温陶瓷，用在高压涡轮叶片和燃烧室的大部分是高温陶瓷，而且高压涡轮叶片是需要很多气孔，通气进行气膜冷却的！

GENX

航发的得使用铼，钨合金用在汽轮机上可以的500多摄氏度。航空的一整1700-2200百度就是用了铼合金散热不好也烧蚀，感觉有些机械有难度不能硬整。想想法子走一走创新的路子就能把问题简化，譬如说：涡扇发动机使用空心轴就能给单晶叶片提供很好的散热条件把温度降下来再使用钨金叶片就好玩多了。问题是中国现在不认可非职务发明的专利，国企军工排斥外部技术。我的技术方案只能存在电脑里，之前的专利被外国人借鉴了。

用户5361292213左撇子

看过一些科普材料，航空发动机除了耐高温，还要求在高温之下保持原机械特性没有大改变。我们看到它发热发红了，但是还要保持很强的机械特性。那螺旋页都是稀有金属的复合材料。单钨不能满足所有。

關鍵字: 发动机 航空 材料