钨耐高温比铼强得多，为什么发动机叶片不用钨，却用稀有金属铼？

 说起航空发动机的叶片，那个工作环境一个恶劣，比如F22的御用发动机F119涡前温度是1703℃，这个高温将融化我们常见的金属，因此大家首先就想到了熔点奇高的金属钨，它的熔点高达3422 ℃，对付1703 ℃绰绰有余，但从来都听说过发动机叶片中使用了钨合金，为什么会这样？

涡轮发动机的工作条件到底有多恶劣？

现代飞行器的发动机种类繁多，比如活塞式发动机（运动飞机）、涡轴发动机（直升机），涡轮喷气和涡轮风扇发动机（战斗机），涡扇发动机（不带加力，无人机和轰炸机以及客机等）！

每种发动机工作条件与状态都不一样，本文就着重讨论涡喷和涡扇，因为这两种发动机结构类似，工作条件也类似，但前途却大相径庭的发动机！

发动机的结构

喷气式发动机和其他类型的发动机结构有些不一样，乘坐过客机的朋友能发现，从发动机前部向后张望，能看到后面的景物，当然这并不是说喷气式发动机前后是贯通的，我们看到的只是从外涵道叶片缝隙看到的后半部分！

涡扇发动机结构

涡扇发动机结构一般外涵道和内涵道两部分组成，外涵道就是一个大风扇和整流叶片构成，说的简单点就是一个转速超级快、叶片很多的大风扇！

而整台发动机的核心结构则是内涵道，从前到后有低压压气机，、高压压气机以及高压涡轮和低压涡轮等结构组成，从前到压力和温度都是逐渐上升的，到燃烧室和高压涡轮部分，高温和高压达到最高，最后在低压涡轮膨胀最后做工后从发动机后方喷出！

涡喷发动机的差异是没有外涵道，而战斗机的涡喷和涡扇发动机差别则还有一个加力燃烧室，客机和无人机则不需要加力燃烧室！

没有外涵道的涡喷

发动机叶片的耐温要求

从发动机的结构来看，我们可以很清楚的知道发动机的叶片从前到后的温度是不一样的，对耐温要求最低的是外涵道的风扇叶片，那个几乎没有高温要求，高强度碳纤维叶片都能满足要求，比如波音787的罗罗（罗尔斯罗伊斯）GEnx涡扇发动机，这是三转子高涵道比的涡轮风扇发动机，它有一个直径2.7米的外涵道风扇直径！

它的外涵道风扇就是复合材料，因为复合材料叶片生产比金属材料更方便，重量也更轻，比如GEnx发动机的外涵道风扇叶片为18片，每片能减轻1千克，减重效果也不小！当然这个位置的叶片没有高温要求，也就是一个超级大电扇的工作环境

高温开始则是在低压压气机，大家都知道随着压力增加，气体内能增加，温度升高，比如波音787的另一款引擎瑞达1000（罗罗公司出品）的总压比52:1，升温非常可观！但在高压涡轮前还有一个燃烧室，这里才是真正恶劣的环境，比如F22御用发动机的涡前温度为1703℃（客机涡扇发动机涡前温度没有那么高），绝大部分金属在这里就傻眼了！

发动机叶片的为什么不用超级耐高温的金属钨？

在发动机使用的金属材料中，我们从来都只听过来金属铼，却很少听说过金属钨，但铼的熔点只有3180℃，远低于钨的3422℃，为什么宁可用不耐高温的铼却不用更高熔点的钨呢？

钨

除了耐高温外，发动机叶片还有什么要求？

除了高温外，首先就是发动机叶片的超高转速，涡扇发动机1.5-1.5万转/分，涡轴的转速则更高，所以这些叶片受到的离心力是非常强的，另外很多涡扇发动机装配对象是军用飞机，这些飞行器有一个机动性要求，过载能达到10G以上！

铼

有很多朋友可能认为飞行员能承受的极限不超过9G，但这并不表示战斗机只能飞9G，它只会比这个过载更高，首当其冲的就是这个比陀螺转的还快的发动机风扇，这些叶片保持上万转速度时还能高过载使用！

最后发动机叶片和机匣之间的气密密封，发动机静止状态时从前到后气流除了叶片稍微阻挡外，就是“穿堂风”，但发动机一启动气流只能从前到后，无法反着回来，这个关键就是叶片和机匣之间的间隙只有0.1mm，一旦涡轮高速转动后，就构成了一道空气墙，从前到后经过多级压气机，气压越来越高，最后送到燃烧室喷入燃油，点燃，再推动高温涡轮、低温涡轮，为整机提供动力！

在这些压缩机叶片中，温度越来越高，而发动机叶片与机匣的间隙却只可能小，不可能变得更大，那么很简单，这些发动机叶片一点点温升变形，就会和机匣摩擦打火，发动机就爆了！

当然还有一个要求则是高温下氧化以及抗蠕变性能，其中抗蠕变性能是材料在恒载下（外界载荷不变）的情况下，变形程度随时间增加的现象，而钨在高温下的抗蠕变性能不及铼，不过有一点要提醒一下的是，发动机叶片从来都不是单质金属，而是高温合金！

一般的发动机叶片都是单晶镍基合金，属于高温合金。这种合金里含有钨、钼、钌、钽、钴、铼这些稀有金属，加入金属铼，会提升这些合金的高温抗蠕变性能，特别是发动机启动后很快就从环境温度上升到1600-1800度，熄火后又从这个高温冷却到室温，只有极少数合金才能对抗如此环境。

变态的散热方式

尽管这些合金非常耐高温，但为了提高发动机的效率和推重比，还是会不断提高燃烧室的温度，因此这会导致发动机高温涡轮叶片工作条件越来越恶劣，尽管距离融化还早，但发动机叶片工作温度恶化，它的各项性能降低是必然的！

当然有两种选择，一种是使用更耐高温的合金，另一种就是用技术来给发动机叶片散热，即使更高的涡前温度，也能让叶片工作在合适的温度范围内，一般就会利用气膜冷却孔来辅助散热，而叶片本来就已经是空心，在上面开孔难度很大，早期用纳秒或者电火花、电液束加工技术，但现在都是用飞秒激光来加工！

气膜冷却的涡轮叶片的内部结构

现代航空发动机技术难度，甚至比火箭发动机更难！你看全世界造火箭的一大堆，但真正能生产高性能涡轮涡扇发动机的国家屈指可数！