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为什么钨不用于航空发动机?

钨是世界上熔点最高的单一金属,其熔点高达3380℃。相比之下,铁的熔点只有1538°C,镍的熔点是1455°C。因此,我们通常在白炽灯泡中使用钨作为灯丝,因为只有这种金属才能承受电流通过产生的巨大热量。
在耐高温方面,航空发动机需要耐高温材料的地方更多。航空发动机需要通过极其剧烈的燃烧产生大量的能量来驱动飞机飞行,导致燃烧室后面的温度高达2000℃甚至更高。
但我们很少在航空发动机的主要结构中看到钨,甚至没有含钨的化合物。为什么?

1 材料不仅关注某个参数

高熔点是钨金属的优点,但一种材料远不是“熔点”参数,而是包括硬度、强度、密度、价格、可加工性等等,当我们选择时,我们需要考虑各种因素。
例如,航空发动机中的材料应注重材料的刚性、强度和密度。刚度大的材料在结构受力时不会产生大的变形。高强度意味着材料可以承受更大的力而不会断裂。材料的密度在航空发动机中也非常重要。除了减轻航空发动机本身的重量外,更重要的是,航空发动机需要飞上天空。因此,降低材料的密度可以更容易地获得更好的性能。
因此,尽管钨金属具有高熔点,但钨金属的密度为19g/cm3,是钢的两倍,是钛合金的四倍。所以很难在航空发动机中应用如此大的密度。

2 钨不适合铸造

钨具有高熔点,这是一个优势,但它也表明,我们使用的许多材料加工方法不适合钨,例如,与“铸造”相关的技术很难应用于钨。
同时,钨具有较高的硬度和脆性,因此它经常用于制造加工工具头,这也表明钨钢是一种非常难加工的材料。因此,加工问题也限制了钨在航空发动机中的使用。

3 高熔点并不意味着它可以在高温下使用

金属的熔点意味着它在一定温度下会融化成液体。具有高熔点的金属意味着它可以在高温下保持固态。但保持固体并不意味着金属可以具有必要的机械性能。
虽然钨的熔点高达3380℃,但温度超过1000℃,材料的性能大大下降,更不用说惊人的密度了。因此,钨的高熔点正是“中间无用”。

4 铼可能更适合于航空发动机

铼具有非常高的熔点(3180℃),略低于钨,但与钨相比,这种金属不是那么“脆”,而且在高温下具有更好的抗蠕变性能,高温下的机械性能不如钨下降那么严重。
因此,尽管铼的熔点比钨低,密度比钨高(铼的密度高达21.04g/cm3),加工性能也不比钨好多少,但它仍然是一种超重金属,最初应用于航空航天领域,因为它在高温下仍具有可接受的材料性能。
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