鎢耐高溫比錸強得多,為什麼發動機葉片不用鎢,卻用稀有金屬錸?

2021-01-08 星辰大海路上的種花家

說起航空發動機的葉片，那個工作環境一個惡劣，比如F22的御用發動機F119渦前溫度是1703℃，這個高溫將融化我們常見的金屬，因此大家首先就想到了熔點奇高的金屬鎢，它的熔點高達3422 ℃，對付1703 ℃綽綽有餘，但從來都聽說過發動機葉片中使用了鎢合金，為什麼會這樣？

渦輪發動機的工作條件到底有多惡劣？

現代飛行器的發動機種類繁多，比如活塞式發動機（運動飛機）、渦軸發動機（直升機），渦輪噴氣和渦輪風扇發動機（戰鬥機），渦扇發動機（不帶加力，無人機和轟炸機以及客機等）！

每種發動機工作條件與狀態都不一樣，本文就著重討論渦噴和渦扇，因為這兩種發動機結構類似，工作條件也類似，但前途卻大相逕庭的發動機！

發動機的結構

噴氣式發動機和其他類型的發動機結構有些不一樣，乘坐過客機的朋友能發現，從發動機前部向後張望，能看到後面的景物，當然這並不是說噴氣式發動機前後是貫通的，我們看到的只是從外涵道葉片縫隙看到的後半部分！

渦扇發動機結構

渦扇發動機結構一般外涵道和內涵道兩部分組成，外涵道就是一個大風扇和整流葉片構成，說的簡單點就是一個轉速超級快、葉片很多的大風扇！

而整臺發動機的核心結構則是內涵道，從前到後有低壓壓氣機，、高壓壓氣機以及高壓渦輪和低壓渦輪等結構組成，從前到壓力和溫度都是逐漸上升的，到燃燒室和高壓渦輪部分，高溫和高壓達到最高，最後在低壓渦輪膨脹最後做工後從發動機後方噴出！

渦噴發動機的差異是沒有外涵道，而戰鬥機的渦噴和渦扇發動機差別則還有一個加力燃燒室，客機和無人機則不需要加力燃燒室！

沒有外涵道的渦噴

發動機葉片的耐溫要求

從發動機的結構來看，我們可以很清楚的知道發動機的葉片從前到後的溫度是不一樣的，對耐溫要求最低的是外涵道的風扇葉片，那個幾乎沒有高溫要求，高強度碳纖維葉片都能滿足要求，比如波音787的羅羅（羅爾斯羅伊斯）GEnx渦扇發動機，這是三轉子高涵道比的渦輪風扇發動機，它有一個直徑2.7米的外涵道風扇直徑！

它的外涵道風扇就是複合材料，因為複合材料葉片生產比金屬材料更方便，重量也更輕，比如GEnx發動機的外涵道風扇葉片為18片，每片能減輕1千克，減重效果也不小！當然這個位置的葉片沒有高溫要求，也就是一個超級大電扇的工作環境

高溫開始則是在低壓壓氣機，大家都知道隨著壓力增加，氣體內能增加，溫度升高，比如波音787的另一款引擎瑞達1000（羅羅公司出品）的總壓比52:1，升溫非常可觀！但在高壓渦輪前還有一個燃燒室，這裡才是真正惡劣的環境，比如F22御用發動機的渦前溫度為1703℃（客機渦扇發動機渦前溫度沒有那麼高），絕大部分金屬在這裡就傻眼了！

發動機葉片的為什麼不用超級耐高溫的金屬鎢？

在發動機使用的金屬材料中，我們從來都只聽過來金屬錸，卻很少聽說過金屬鎢，但錸的熔點只有3180℃，遠低於鎢的3422℃，為什麼寧可用不耐高溫的錸卻不用更高熔點的鎢呢？

鎢

除了耐高溫外，發動機葉片還有什麼要求？

除了高溫外，首先就是發動機葉片的超高轉速，渦扇發動機1.5-1.5萬轉/分，渦軸的轉速則更高，所以這些葉片受到的離心力是非常強的，另外很多渦扇發動機裝配對象是軍用飛機，這些飛行器有一個機動性要求，過載能達到10G以上！

錸

有很多朋友可能認為飛行員能承受的極限不超過9G，但這並不表示戰鬥機只能飛9G，它只會比這個過載更高，首當其衝的就是這個比陀螺轉的還快的發動機風扇，這些葉片保持上萬轉速度時還能高過載使用！

最後發動機葉片和機匣之間的氣密密封，發動機靜止狀態時從前到後氣流除了葉片稍微阻擋外，就是「穿堂風」，但發動機一啟動氣流只能從前到後，無法反著回來，這個關鍵就是葉片和機匣之間的間隙只有0.1mm，一旦渦輪高速轉動後，就構成了一道空氣牆，從前到後經過多級壓氣機，氣壓越來越高，最後送到燃燒室噴入燃油，點燃，再推動高溫渦輪、低溫渦輪，為整機提供動力！

在這些壓縮機葉片中，溫度越來越高，而發動機葉片與機匣的間隙卻只可能小，不可能變得更大，那麼很簡單，這些發動機葉片一點點溫升變形，就會和機匣摩擦打火，發動機就爆了！

當然還有一個要求則是高溫下氧化以及抗蠕變性能，其中抗蠕變性能是材料在恆載下（外界載荷不變）的情況下，變形程度隨時間增加的現象，而鎢在高溫下的抗蠕變性能不及錸，不過有一點要提醒一下的是，發動機葉片從來都不是單質金屬，而是高溫合金！

一般的發動機葉片都是單晶鎳基合金，屬於高溫合金。這種合金裡含有鎢、鉬、釕、鉭、鈷、錸這些稀有金屬，加入金屬錸，會提升這些合金的高溫抗蠕變性能，特別是發動機啟動後很快就從環境溫度上升到1600-1800度，熄火後又從這個高溫冷卻到室溫，只有極少數合金才能對抗如此環境。

變態的散熱方式

儘管這些合金非常耐高溫，但為了提高發動機的效率和推重比，還是會不斷提高燃燒室的溫度，因此這會導致發動機高溫渦輪葉片工作條件越來越惡劣，儘管距離融化還早，但發動機葉片工作溫度惡化，它的各項性能降低是必然的！

當然有兩種選擇，一種是使用更耐高溫的合金，另一種就是用技術來給發動機葉片散熱，即使更高的渦前溫度，也能讓葉片工作在合適的溫度範圍內，一般就會利用氣膜冷卻孔來輔助散熱，而葉片本來就已經是空心，在上面開孔難度很大，早期用納秒或者電火花、電液束加工技術，但現在都是用飛秒雷射來加工！

氣膜冷卻的渦輪葉片的內部結構

現代航空發動機技術難度，甚至比火箭發動機更難！你看全世界造火箭的一大堆，但真正能生產高性能渦輪渦扇發動機的國家屈指可數！

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