文/航小北的日常科普

金属钨是世界上熔点最高的金属单质，熔点高达3380℃，相比较之下，铁的熔点只有区区1538 °C，镍的熔点更是只有1455℃。所以我们常用的白炽灯泡里面用的金属钨做的灯丝，因为只有这种金属能够承受电流通过时产生的巨大热量。

△金属钨是熔点最高的金属△

而说起来耐高温，可能很少有比航空发动机更需要寻找耐高温材料的地方了，毕竟航空发动机需要通过极其剧烈的燃烧来产生大量的能量、驱动飞机飞起来，导致在燃烧室后的温度需要高达2000℃乃至于更高。

△燃烧室会产生高温气流（大家注意到涡轮方向转反了没有？）△

但是我们偏偏没有在航空发动机的主要结构里见到金属钨，甚至于连含有钨的化合物都没有，这是为什么呢？

一款材料能不能用不仅仅看某一个参数

熔点高是金属钨的优点，但是一款材料可是远远不只是“熔点”这一种参数，而是包括了刚度、强度、密度、价格、可加工性……等等很多参数，这些参数只有一个亮眼可不行，而是要综合考虑各种因素。

比如说航空发动机里面的材料就要重点考虑材料的刚度、强度和密度。

刚度大的材料在结构受力较大的情况下不会产生很大的变形，要知道，航空发动机里面的转子每分钟可能要转动数万转，这这么高的速度下，如果结构如果刚度不足，那么在如此大的载荷下会有很大的变形，很容易导致发动机功能不正常。

△物体受力会发生变形，所以材料刚度很重要△

强度高的则表示材料能够承受更大的力却不发生断裂，比如说下面这张图就是金属的静强度试验。通过不断增加拉力直到把试验件拉断来测试材料的强度。

△材料的静强度试验△

材料的密度在航空发动机中同样是非常关键的，除了本身航空发动机需要减重之外，更重要的是航空发动机是要飞上天的、时刻处在高速运动中，内部的转子也会处于高速转动状态下，所以密度越大的材料产生的惯性力就越大，因此降低材料密度就可以更容易获得更好的性能。

这些因素无不限制着各种材料在航空发动机中的使用，比如说碳纤维虽然密度小、具有极高的强度，但是刚度不行，所以在航空发动机里面应用的很少；比如说钛合金刚度、强度、密度都不错，但是偏偏不耐高温，所以在高温部件中钛合金没办法使用……等等。

△GE90上的碳纤维叶片需要加装钛合金包边△

△钛合金一般只用在温度较低的部件中△

因此，即便金属钨即便具有很高的熔点，但是缺点同样明显，那就是金属钨的密度足足有19g每立方厘米，是钢的两倍，钛合金的四倍。所以说这么大的密度很难应用在航空发动机里。

钨在加工上也存在大量问题

一种材料性质再好，也要能够加工成我们需要的零件才能使用。所以一种材料的加工性能也在很大程度上限制了这种材料的使用范围。

钨的熔点很高，这固然是一种优点，但是这也表示了很多我们已经习以为常的材料加工方法不适用于钨，比如说“铸造”相关的技术就很难应用到钨上。

△铸造是一种很常见的加工技术△

同时，钨的硬度大、脆性高，所以经常被用来制造机加工的刀头，这也代表了钨钢是一种非常难加工的材质。你就想：机加工的刀头是钨钢做的，那么钨钢要用什么来加工呢？所以以上的加工难题也限制了钨在航空发动机中的使用。

△钨钢制的刀头△

最重要的是，熔点高不代表能够在高温下使用

所谓金属的熔点，就是指金属在某一温度下会融化成液态，熔点高的金属意味着这种金属可以在高温下保持固态状态。但是保持固态不代表这种金属能够具有必要的力学性能。

比如说钛合金，虽然我们说这种金属不能用在高温环境中（600℃就无法使用了），但是实际上钛合金的熔点也往往高达1600℃。所以熔点这么高的钛合金怎么只能用在低温环境中了？

答案就是钛合金在高温下虽然保持固体状态，但是力学性能已经下降太多了。下面这张图就是钛合金的比强度，可以看到，温度过了200℃之后钛合金的性能就开始断崖式下降。

△钛合金力学性能（灰色）随着温度升高快速下降△

而钨也有同样的问题。虽然熔点高达3380℃，但是温度过了1000℃，其材料的性能就已经下降的很厉害了，更加不用说那惊人的密度了。所以钨的高熔点准确说是“中看不中用”。

△钨的高温性能其实并不是那么美好△

相比较之下，铼可能是更加适合用在航空发动机中的金属

铼这种金属元素同样有着很高的熔点（3180℃），略低于钨，但是相比较于钨，这种金属没有那么“脆”，也有更好的抗高温蠕变性能，高温下的力学性质也不像钨掉落的那么厉害。

所以即便铼的熔点比钨低、密度比钨大（铼的密度高达21.04g/cm^3）、加工性能比钨也好不了太多，但是就是因为在高温下依然保持着还算可以接受的材料性质，所以依然是现在已经在航空航天领域得到初步应用的超重金属。