文/航小北的日常科普
金屬鎢是世界上熔點最高的金屬單質,熔點高達3380℃,相比較之下,鐵的熔點隻有區區1538 °C,鎳的熔點更是隻有1455℃。所以我們常用的白熾燈泡裡面用的金屬鎢做的燈絲,因為隻有這種金屬能夠承受電流通過時産生的巨大熱量。
△金屬鎢是熔點最高的金屬△
而說起來耐高溫,可能很少有比航空發動機更需要尋找耐高溫材料的地方了,畢竟航空發動機需要通過極其劇烈的燃燒來産生大量的能量、驅動飛機飛起來,導緻在燃燒室後的溫度需要高達2000℃乃至于更高。
△燃燒室會産生高溫氣流(大家注意到渦輪方向轉反了沒有?)△
但是我們偏偏沒有在航空發動機的主要結構裡見到金屬鎢,甚至于連含有鎢的化合物都沒有,這是為什麼呢?
熔點高是金屬鎢的優點,但是一款材料可是遠遠不隻是“熔點”這一種參數,而是包括了剛度、強度、密度、價格、可加工性……等等很多參數,這些參數隻有一個亮眼可不行,而是要綜合考慮各種因素。
比如說航空發動機裡面的材料就要重點考慮材料的剛度、強度和密度。
剛度大的材料在結構受力較大的情況下不會産生很大的變形,要知道,航空發動機裡面的轉子每分鐘可能要轉動數萬轉,這這麼高的速度下,如果結構如果剛度不足,那麼在如此大的載荷下會有很大的變形,很容易導緻發動機功能不正常。
△物體受力會發生變形,所以材料剛度很重要△
強度高的則表示材料能夠承受更大的力卻不發生斷裂,比如說下面這張圖就是金屬的靜強度試驗。通過不斷增加拉力直到把試驗件拉斷來測試材料的強度。
△材料的靜強度試驗△
材料的密度在航空發動機中同樣是非常關鍵的,除了本身航空發動機需要減重之外,更重要的是航空發動機是要飛上天的、時刻處在高速運動中,内部的轉子也會處于高速轉動狀态下,所以密度越大的材料産生的慣性力就越大,因此降低材料密度就可以更容易獲得更好的性能。
這些因素無不限制着各種材料在航空發動機中的使用,比如說碳纖維雖然密度小、具有極高的強度,但是剛度不行,所以在航空發動機裡面應用的很少;比如說钛合金剛度、強度、密度都不錯,但是偏偏不耐高溫,所以在高溫部件中钛合金沒辦法使用……等等。
△GE90上的碳纖維葉片需要加裝钛合金包邊△
△钛合金一般隻用在溫度較低的部件中△
因此,即便金屬鎢即便具有很高的熔點,但是缺點同樣明顯,那就是金屬鎢的密度足足有19g每立方厘米,是鋼的兩倍,钛合金的四倍。所以說這麼大的密度很難應用在航空發動機裡。
一種材料性質再好,也要能夠加工成我們需要的零件才能使用。所以一種材料的加工性能也在很大程度上限制了這種材料的使用範圍。
鎢的熔點很高,這固然是一種優點,但是這也表示了很多我們已經習以為常的材料加工方法不适用于鎢,比如說“鑄造”相關的技術就很難應用到鎢上。
△鑄造是一種很常見的加工技術△
同時,鎢的硬度大、脆性高,所以經常被用來制造機加工的刀頭,這也代表了鎢鋼是一種非常難加工的材質。你就想:機加工的刀頭是鎢鋼做的,那麼鎢鋼要用什麼來加工呢?所以以上的加工難題也限制了鎢在航空發動機中的使用。
△鎢鋼制的刀頭△
所謂金屬的熔點,就是指金屬在某一溫度下會融化成液态,熔點高的金屬意味着這種金屬可以在高溫下保持固态狀态。但是保持固态不代表這種金屬能夠具有必要的力學性能。
比如說钛合金,雖然我們說這種金屬不能用在高溫環境中(600℃就無法使用了),但是實際上钛合金的熔點也往往高達1600℃。所以熔點這麼高的钛合金怎麼隻能用在低溫環境中了?
答案就是钛合金在高溫下雖然保持固體狀态,但是力學性能已經下降太多了。下面這張圖就是钛合金的比強度,可以看到,溫度過了200℃之後钛合金的性能就開始斷崖式下降。
△钛合金力學性能(灰色)随着溫度升高快速下降△
而鎢也有同樣的問題。雖然熔點高達3380℃,但是溫度過了1000℃,其材料的性能就已經下降的很厲害了,更加不用說那驚人的密度了。所以鎢的高熔點準确說是“中看不中用”。
△鎢的高溫性能其實并不是那麼美好△
铼這種金屬元素同樣有着很高的熔點(3180℃),略低于鎢,但是相比較于鎢,這種金屬沒有那麼“脆”,也有更好的抗高溫蠕變性能,高溫下的力學性質也不像鎢掉落的那麼厲害。
所以即便铼的熔點比鎢低、密度比鎢大(铼的密度高達21.04g/cm³)、加工性能比鎢也好不了太多,但是就是因為在高溫下依然保持着還算可以接受的材料性質,所以依然是現在已經在航空航天領域得到初步應用的超重金屬。
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