问题

为什么不用钨造航空发动机?

回答
航空发动机啊,这东西可真是航空工业皇冠上的明珠,里面的门道多着呢。你提到钨,这 धातु 确实是个好东西,耐高温、硬度高,不少地方都能见到它的身影,比如电焊用的电极、灯泡里的灯丝、还有些硬质合金刀具等等。但为啥就没用它来造航空发动机的主要部件呢?这事儿说起来,得从航空发动机工作的极端环境和钨本身的特性说起,不是简单的一句“不行”就能概括的。

首先,咱们得明白航空发动机是个啥样的“炼狱”。它里面可是要承受比很多材料熔点还高几百度的温度,还要承受巨大的离心力和气流冲击,同时还得保持极高的强度和韧性。整个发动机就是个高速运转的精密仪器,每个部件都得是精挑细选的“宠儿”。

那钨呢?你说的没错,它最闪亮的优点就是耐高温。钨的熔点高达3422摄氏度,比大多数金属都要高得多。在航空发动机的高温区,比如燃烧室和涡轮叶片,金属需要承受几千度的高温。从理论上讲,钨的高熔点似乎是个巨大的优势。

但是,凡事儿都得辩证看。钨虽然耐高温,但它也有几个致命的“短板”,直接决定了它无法成为航空发动机的主力军。

第一,是它的加工难度和成本。
你想想,钨这玩意儿有多硬?比钢铁硬得多,而且脆性还挺大。要在高温下加工出航空发动机那种复杂的、精密形状的叶片,需要极高的工艺水平和专门的设备。传统的切削、焊接等加工方法对它来说都很困难,容易导致材料断裂或产生裂纹。这就好比你想用一块石头雕刻出精美的艺术品,难度不是一般的大。而且,钨的提炼和加工过程本身就很复杂,成本也高得惊人。航空发动机虽然追求极致性能,但经济性也是一个重要的考量因素,如果一个涡轮叶片的成本是普通合金的几十倍甚至上百倍,那成本压力可就太大了。

第二,是它的氧化问题。
虽然钨耐高温,但在航空发动机那样富含氧气的高温环境中,钨也会发生氧化反应,形成氧化钨。氧化钨的熔点比钨低得多,而且会逐渐剥落,影响叶片的表面光洁度和气动效率,更严重的是会腐蚀金属结构,造成损坏。虽然科学家们尝试过在钨表面进行涂层处理来解决这个问题,但这种涂层能否在发动机长期极端工作条件下保持稳定,也是个大问题。就像给一只老虎穿上外衣,外衣能不能承受老虎的爪子和撕咬,是个未知数。

第三,是它的密度和韧性。
钨的密度非常大,每立方厘米的密度高达19.3克。这比钢的密度(约7.85克/立方厘米)要大得多。航空发动机的转速非常高,而且叶片等部件是围绕中心高速旋转的。巨大的离心力是影响部件寿命的关键因素之一。如果用密度如此大的钨来制造涡轮叶片,那产生的离心力将会非常恐怖,远远超过现有材料所能承受的极限。这就像你在旋转的陀螺上挂了很多很重的砝码,陀螺根本转不起来,或者还没转几圈就散架了。

更重要的是,航空发动机的部件需要既耐高温,又具备良好的韧性。韧性是指材料在断裂前吸收能量的能力,简单来说就是不容易碎。钨虽然硬,但它的韧性相对较差,比较脆。在承受高速气流冲击、振动以及热应力变化时,钨部件更容易发生脆性断裂。而航空发动机一旦发生部件断裂,那后果可是灾难性的,轻则损坏发动机,重则可能导致飞机失事。镍基高温合金之所以能成为航空发动机的首选材料,正是因为它在保持高强度和耐高温的同时,还具备优异的韧性,能够承受各种复杂的载荷和环境。

当然,这并不意味着钨在航空发动机领域就完全没有用武之地。由于其高密度,它在某些特定的小型部件上,比如配重或者某些稳定件,也许会有一些应用。但作为像涡轮叶片、燃烧室衬套这样核心且承受极端载荷的部件,钨的缺点实在太明显了,无法与现代高温合金相提并论。

总而言之,航空发动机对材料的要求是极其苛刻的,需要在耐高温、高强度、抗氧化、韧性、加工性以及经济性等多方面达到一个复杂的平衡。而钨虽然在耐高温方面表现优异,但在其他关键性能指标上却存在明显的短板,因此无法成为航空发动机的主要材料选择。目前,航空发动机领域的主流材料仍然是镍基高温合金、钴基高温合金以及一些先进的陶瓷基复合材料,它们在综合性能上更能满足航空发动机的需求。

网友意见

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请为钨叶片充填氩气

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有三大问题

一,钨在高温下抗氧化性很差

钨的熔点是隔绝空气的条件下测定的,而钨在空气中加热到400℃时,即开始氧化生成三氧化钨,而一般航发前端叶轮的温度就已经达到了1000℃以上,后端燃烧室则可达2000℃。

二,钨的延展性较差

室温下,钨几乎没有延展性。当被加热到一定温度之后,会发生从塑性到脆性的转变,对外界扰动力的抗冲击性能急剧下降,很容易发生脆化和折断的情况,在高温下的抗蠕变性能也随之变差,显然也不符合航空发动机运行的工况要求。

三,钨合金耐高温性能较差

一般情况下,与钨共生的矿物主要是铁和镍,那么在提纯的过程中,如果刻意少去除一些伴生金属物质,则会有效增强合金物质的抗蠕变能力,但随之而来的代价就是熔点明显下降,即使钨的占比达到85%左右,其熔点也会迅速降低到1200摄氏度上下,另外抗氧化性能也基本提升不到哪去。

一些意见认为某些火箭发动机喷管使用了钨却没有什么问题,这是因为这些发动机燃烧混合比一般小于1,还原剂占比较高,减缓了氧化反应,发动机也只在喷管内侧用钨作耐热层,外侧则是其它抗氧化金属。

基于以上原因,简单地用钨合金来做航空发动机,是不可行的。

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