钨元素耐高温比金属铼强的多，为何国产航空发动机叶片不用耐高温的钨，却改用缺乏稀少性能的铼？
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铼于1925年在德国被发现，是最后一种被发现的天然元素，铼是地球上最稀有的金属之一。它在自然界中不会以化合物的形式出现。然而，它广泛分布在地壳各处，达到百万分之0.001的程度。铼不是游离的未化合金属，也没有发现可开采的矿石。氧化钆和辉钼矿中可能含有少量铼，铼是通过钼冶炼厂的烟尘提取出来的。世界年产量约为5吨，铼的估计储量为3500吨，主要分布在美国、俄罗斯和智利。
提炼和加工工艺复杂，造成铼成本非常高，直到1950年初钨铼和钼铼合金被制备出来后，这些合金才在工业上得到重要的应用，这导致了对从斑岩铜矿中辉钼矿部分生产铼的巨大需求。铼的重要用途是铂铼催化剂，主要用于生产无铅高辛烷值汽油和用于喷气发动机部件的耐高温合金。 铼是熔点很高的金属，钨是唯一熔点高于铼的金属元素。
铼被用作钨和钼基合金的添加剂，这些合金用于炉丝和x光机。铼还被用作电接触材料，因为它有良好的抗磨损和抗电弧腐蚀性能。 铼与铂合金用于催化高辛烷值烃石油生产无铅汽油。 铼钨合金的其他应用是x光管和旋转x光阳极。铼钼合金是10K温度下的超导体。铼偶尔被用来电镀珠宝。 铼催化剂具有优良的耐失活性能，用于精细化学品的氢化。铼镍合金制造单晶涡轮叶片， 铼由于耐高温和耐腐蚀性能被用作涡轮发动机叶片用高温合金的重要成分，这是铼当今的主要用途。铼是高温下使用的理想金属，这使得它也适用于火箭发动机。
虽然钨的熔点最高，但它非常重。超重在飞机设计中是有害的。 一些需要最耐热的零件，如涡轮叶片，承受的旋转离心力直接随零件质量增加而增加。因此，钨等高质量材料会增加零件必须承受的力，每片叶片承受以吨为单位力量的考验。钨也很脆，如果涡轮叶片出现故障产生碎片，结果很严重，发动机内部相当于挨了几发穿甲弹。
飞机涡扇发动机
大多数关键耐热用途不需要高熔点金属，这使得其他材料更适合。 钨可以用于压载或配重应用，但是铅在这里也很好还便宜。在对热敏感的超音速飞机上，钨可能是合适选择，因为铅的熔点非常低，只有327.5℃。在速度最快的超音速飞机比如黑鸟侦察机上，机头和机翼表面温度可能达到200-500℃，因此铅不适合这些应用，钨就派上用场了。
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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！
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钨元素耐高温比金属铼强的多，为何国产航空发动机叶片不用耐高温的钨，却改用缺乏稀少性能的铼？
有人说国产航空发动机的叶片，是用地球上非常缺乏的铼制作的，而并不采用熔点更高的钨，这种说法其实是不准确的。从目前的情况看，航空领域的发动机包括叶片，其主要制作材料是单晶镍基合金，其中的成分包括多种金属元素，比如有钼、钌、钽、钴等稀有金属，也包含熔点很高的钨和铼，这样的金属组合结构，可以最大限度发挥各种金属所拥有的物理和化学特性优势，使发动机运行工况更加适应航空过程中诸多恶劣的环境。
拿铼来说，全球的总贮量仅有2000多吨，我国仅有200吨左右，其贮量水平要比很多金属都要稀少，要远比钨少得多。而制造一台火箭或者飞机的发动机，即使应用上述的镍基合金，铼的使用量少说也得有几公斤，也就是造一台发动机，地球上的铼就减少一部分。
而钨的全球总贮量大约在550万吨左右，我国就占据了300万吨，而且钨的熔点更高，达到3430摄氏度，那么我们制造发动机，镍基合金中为什么不能提高钨的含量或者甚至全部用钨来代替呢？主要的原因有以下几点：
一是钨虽然贮量较为丰富，但开采和提纯过程相对复杂。一方面在开采提纯过程中，需要使用剧毒的中间置换物质，而且提纯工艺中的中间产物也属于剧毒物。另一方面，钨在提纯过程的高温环境下，需要隔绝氧气的还原性环境，比如在反应器内全部充满氢气，这样就给高温提纯工艺带来一定的安全隐患。
二是钨的熔点虽然很高，但是极易被氧化。这主要是由于钨与氧的亲和力较高所致，航空发动机在运转过程中，肯定不会隔绝氧气，在超过1000摄氏度以后，就会剧烈地与氧气发生氧化反应，也就是燃烧，还没等到融化呢，就完全燃烧成灰烬了，这样的材料肯定不符合航空发动机运行时对高温、高压耐受性的要求。
三是钨的延展性较差。在室温下，很难对其进行塑性加工。当被加热到到一定温度之后，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。
四是一般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，所以简单地用钨合金来做航空发动机，也是不可行的。
正是基于以上钨的性质，并围绕航空发动机对高温高压环境下材料的耐受性这一基本需求，科研工作者通过大量的实验，最终采取了本文开头提到的单晶镍基合金的模式，来制造一种由多种稀有金属共同组成的新型材料，来制造航空发动机包括叶片。在合金中，金属铼的占比仅有3%左右，但就是凭借着这一点的铼，在没有降低多少熔点温度的基础上，反而极大提出了材料在高温高压环境下的抗氧化性和抗蠕变性，而且在加工制造的过程中，由于合金的延展性也有明显的提高，所以加工制造的难度和成本也相应下降许多。
综上，虽然铼在地球上比较稀少，单价要比钨高，但在实际应用价值上，通过在镍合金中加入一点的铼，使其变为更加适应航空环境的镍基合金，综合效益算起来，要比单纯研究改进钨的性能方面进行的投入，要简单和划算得多。
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航发材料的镍高温合金加入铼后会提升其蠕变强度，铼合金一般含有3%至6%的铼。第二代合金的含铼量为3%，曾应用于F-16和F-15的发动机中。第三代单晶体合金的含铼量高达6%，应用于F-22和F-35的发动机中。铼合金还广泛应用于工业燃气涡轮发动机，比如GE 7FA。
钨，硬度非常高，是钢灰色至白色的过渡金属，其物理特征非常强，尤其是熔点非常高，是非合金金属的冠军，但钨主要用作钨丝灯泡、X射线管和高温合金。而且钨还太重（密度大），硬度太高，显得韧性不足。而且钨在高温环境下，还和空气中的氧气或者氮气发生化学反应，变得更脆。这些缺点导致钨很少在航发领域应用。
铼是一种符号为Re的化学元素，原子序号为75。它是一种银白色的重金属，在元素周期表中属于第六周期过渡金属。铼也是地球地壳中最稀有的元素之一，平均含量估值为十亿分之一。1925年科学家发现了铼元素，它也是最后被发现的稳定元素。同时其也是熔点和沸点最高的元素之一，铼的熔点高达3182摄氏度，与其对应的，镍的熔点仅为1455摄氏度。铼是银白色的重金属，属于元素周期表中第6周期过渡金属。
铼最大应用便是在航空航天领域。铼是世界上最稀有的元素之一，平均含量仅为十亿分之一，它是熔点和沸点最高的元素之一，镍铼高温合金广泛应用于制造喷气式发动机的燃烧室、涡轮叶片和排气喷嘴。
铼比钻石更难以获取，价格高昂，2011年时平均价格高达每千克4575美元。全球约7%的铼用于生产航空发动机，其在军事战略上有重要意义。其次，铼还是化工产业中重要的催化剂，主要应用于铂-铼催化剂，可以用来生产无铅、高辛烷的汽油。
▍♁钨元素耐高温比金属铼强的多，为何国产航空发动机叶片不用耐高温的钨，却改用缺乏稀少性能的铼？
为什么不用钨做航空发动机的高温叶片？原因如下：
1.钨虽然熔点比铼高，但是钨与氧的亲和力极强，也就是极易被氧化，在高温下（约1000℃以上）会强烈燃烧。如果用它做航空发动机的高温叶片，那就在发动机尾气通道里增加了燃料，瞬间就被烧为灰烬。
2.钨很脆，常温下几乎没有延展性，塑性很差，例如钨极氩弧焊的那个钨棒，细一点的用手都能折断。如果用钨做航空发动机的叶片，一是不好加工，二是在强大的气流冲击下很容易被断裂。
为什么要用稀缺的铼？理由如下：
1.铼的熔点3180℃，比钨的熔点（3430℃）稍低，但铼质软且具有很好的塑性、延展性和良好的力学性能。铼还有一个最显著的特性，它是密集六方晶格，可以在液态下长时间孕育出数百克大小的晶粒，这就是“单晶铼”。单晶铼由于没有晶界（高温下晶界最先软化或熔化），其软化极限温度可以从约1200℃提高到约1500℃，再配合“陶瓷外衣”和叶片内部微孔冷却，就能承受约1700℃以上的高温气流的冲刷。
2.铼与氧的亲和力极低，具有很强的抗氧化性，更不会发生高温燃烧现象。
3.铼是地球上已发现金属中，高温综合性能最好、耐高温性最好的金属，在地球上基本再找不出第二种比铼更适合做航空发动机高温叶片的金属材料了。
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