为什么不用金属钨做航空发动机?
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。