推比15整體渦輪葉盤 我國陶瓷基複合材料新成果 | 航空發動機專題_風聞

 

國產碳化硅陶瓷基複合材料在發動機上的應用 

      隨着航空技術的發展，對航空發動機推重比的要求越來越高, 航空發動機的渦輪前進氣温度也越提越高。數據顯示航空發動機渦輪前温度每提高100度，在發動機尺寸不變的條件下，推重比可以增加10%。渦輪前温的提高對燃燒室、渦輪以及加力燃燒室等熱端部件的材料提出了更高的要求。傳統的熱端部件結構材料是鎳基高温合金。因為受到理論限制，其工作温度無法超過1227℃。為了發動機性能的提升，工程師們找到了陶瓷基複合材料。

      所謂陶瓷基複合材料就是以陶瓷為基體與各種纖維複合的一類複合材料。陶瓷基體可為氮化硅、碳化硅等高温結構陶瓷，這些陶瓷材料具有耐高温、高強度和剛度、相對重量較輕、抗腐蝕等優異性能，但其致命的弱點是比較脆，容易出現裂紋甚至斷裂。而採用高性能纖維與陶瓷基體複合，就可以顯著提高陶瓷韌性和可靠性。纖維能阻止裂紋的擴展，從而得到有優良韌性的纖維增強陶瓷基複合材料。這樣的陶瓷基複合材料具備了類似金屬的斷裂行為，即受力較大時先發生拉伸，拉伸大到一定程度時才會發生斷裂，只有具備這樣優良韌性的材料才具備在發動機渦輪葉片上使用的條件。

陶瓷基複合材料顯微結構

這樣的陶瓷基複合材料主要是連續纖維增強碳化硅陶瓷基複合材料（CMC-SiC），包括碳纖維增韌碳化硅(C/SiC)和碳化硅纖維增韌碳化硅(SiC/SiC)兩種。但是因為碳纖維在高温下容易氧化，實際上適合用在渦輪葉片上的主要是碳化硅纖維增韌碳化硅陶瓷基複合材料。該材料既克服了普通陶瓷材料存在脆性、可靠性低的缺點，同時具有耐高温、密度低、高比強度、抗氧化、耐燒蝕、高可靠性等優良特性。已成為高推重比航空發動機，高超音速飛行器首選的高温結構材料。CMC-SiC材料可以使結構有效減重50%～70%，並可大幅降低冷卻氣體用量，能夠將發動機的工作温度提高400～500℃，可顯著提高發動機的推重比。是新一代航空發動機熱端部件的理想材料。據初步測算，採用耐温1480°C的CMC材料高壓渦輪葉片可使發動機燃油消耗率降低6%。同時，採用CMC材料製成的燃燒室所需的冷卻氣量也大幅減少，進而降低冷卻空氣同燃油摻混後不完全燃燒生成氮氧化物的機會，其氮氧化物的減排潛力可達33%。

 碳化硅纖維增強碳化硅陶瓷基複合材料的製備工藝有：化學氣相滲透法（CVI）、反應性熔體滲透法(RMI) 、先驅體轉化法（ＰＩＰ）、液相硅浸漬法（ＬＳＩ ）等幾種工藝。法國以CVI技術為主，且技術水平屬國際領先；德國以RMI和PIP技術為主，特別是RMI技術世界領先；美國對PIP、CVI和RMI工藝均有研究，且均有較高的研究水平。我國以CVI和PIP為主，已經建立起了系統的材料及製備工藝體系。

國產第二代碳化硅纖維

SiC纖維是SiC/SiC陶瓷基複合材料的上游原材料。目前世界上僅日本和美國能批量提供通用級和商品級的SiC纖維，已實現產業化產能達百噸級的僅有日本碳公司和日本宇部興產株式會社。根據纖維組成、結構及性能的發展變化過程，SiC纖維可分為三代，第一代為高氧碳SiC纖維，第二代為低氧高碳含量SiC纖維，第三代為近化學比SiC纖維。

第1代為以日本碳公司的Nicalon200纖維和宇部興產的TyrannoLOX-M纖維為代表的高氧碳SiC 纖維，1 代纖維均採用氧化交聯方式，最終纖維中的氧質量分數為10%~15%，當使用温度達到1200℃以上，纖維中的SiCxOy相發生分解反應，納米SiC 晶體長大，導致力學性能急劇下降。

第2 代纖維以日本碳公司的Hi-Nicalon纖維和宇部興產公司的Tyranno LOX-E、TyrannoZM 和Tyranno ZE 等低氧、高碳含量SiC 纖維為代表，主要採用電子束交聯，第2 代SiC 纖維中氧的質量分數降低，自由碳的質量分數相對較高，SiC 晶粒尺寸較第1 代大，纖維使用温度由1200℃提高到1300℃。

第3 代SiC纖維以日本碳公司的Hi-NicalonType S、宇部興產公司的Tyranno SA以及Dow Corning 的Sylramic 等牌號的近化學計量比SiC 纖維為代表，在組成上接近SiC 化學計量比，遊離碳和雜質氧含量明顯降低，在結構上表現為高結晶度的SiC 多晶結構，其耐温能力大幅提升至1700℃。

我國從20世紀80年代開始，就有張立同院士領導的西北工業大學研發團隊，以及中航工業復材中心、航天材料及工藝研究所、國防科大、中科院硅酸鹽研究所等單位先後跟蹤國際前沿啓動研發工作。

國防科技大學是我國最早開展先驅體法制備SiC纖維和含鈦SiC纖維研究的單位，經歷了實驗室製得短纖維到製備連續纖維和工業化開發過程。以馮春祥教授為首的科研團隊經過艱苦的探索，於1991年建成了國內第一條連續碳化硅纖維實驗生產線。建成了產能500kg/年的SiC纖維中試生產線，製得了具有較好力學性能的連續SiC纖維及含鈦碳化硅纖維。

我國研究SiC纖維的主要單位有國防科技大學、廈門大學等，並取得了卓有成效的成果。2016年，江蘇省蘇州賽力菲陶纖新材料有限公司，年產10噸級第一代SiC纖維生產線投產。2017年，寧波眾興新材料有限公司，國內首條10噸級第二代連續碳化硅纖維量產生產線通過驗收。這條年產10噸的生產流水線經改進後年產量可超20噸。廠房內還預留了3條生產線的空間，全部投產後年產量將有80噸至100噸。目前國內已經突破第二代SiC纖維和SiC/SiC複合材料研製關鍵技術，具備了構件研製和小批量生產能力。

下面我們來看看國外碳化硅陶瓷基複合材料的應用情況。20世紀80年代，法國率先研製出SiC/SiC陶瓷基複合材料，成功應用於法國陣風戰鬥機M88-2發動機噴管外調節片，美國F-15/F-16戰鬥機F100型發動機調節片上。隨後各個國家持續加大對SiC/SiC陶瓷基複合材料製造技術領域投入，如美國NASA的HIPTET、HSR/EPM和UEET計劃，日本的AMG計劃等，SiC/SiC陶瓷基複合材料製造技術逐漸成熟，應用範圍也日益廣泛。據報道，SiC/SiC陶瓷基複合材料目前已經成功應用於F110-GE-129發動機尾噴管、F136發動機渦輪葉片、F414發動機和CFMLEAPX發動機渦輪罩環等構件。法國賽峯集團設計的陶瓷基複合材料(CMC)尾噴口在2015年6月16日搭載在CFM56-5B發動機上完成了首次商業飛行。在2012年於A320上執行了初始試驗後，CMC尾噴口驗證件於2015年4月22日通過歐洲航空安全局(AESA)商業飛行使用認證。賽峯公司針對單通道客機的新一代發動機LEAP-X在2016年投放市場，該發動機配備由CMC材料製造而成的高壓渦輪導向葉片及渦輪罩環。實現了CMC在商用航空發動機上的首次應用。我國Ｃ９１９客機裝備的發動機就是LEAP-X１Ｃ發動機。GE9X發動機的燃燒室火焰筒、第一級高壓渦輪噴管和罩環以及第二級高壓渦輪噴管都由CMC製造。2015年初，GE9X發動機的首個全套CMC零部件在一台改造過的GEnx-1B發動機上開始試驗。2014年末，GE在一台F414渦扇發動機平台上驗證了由CMC製成的低壓渦輪葉片的耐温性和耐久性，這是CMC材料在旋轉部件上的首次成功應用。2015年前後，羅羅公司與Orbital-ATK公司利用一台Trent1000發動機測試了陶瓷噴管。試驗結果顯示CMC材料的重量比鈦合金降低了20%，有效降低了燃油消耗。

      我國從20世紀80年代開始，就有張立同院士領導的西北工業大學研發團隊，以及中航工業復材中心、航天材料及工藝研究所、國防科大、中科院硅酸鹽研究所等單位先後跟蹤國際前沿啓動研發工作。“硅陶瓷基複合材料”課題被列入總裝“九五”預研計劃，要求該課題在“九五”期間完成製備工藝研究，並對CMC-SiC的模擬件在發動機試驗枱上考核，結果僅用5年時間就實現了由製造工藝研究到構件考核的跨越。

碳化硅陶瓷基複合材料早期取得的研究成果

      早在2003年，西北工業大學張立同教授領導的超高温複合材料實驗室經過近7 年的努力，自行研製成功擁有自主知識產權的 CVI 法制備陶瓷基複合材料（CMC - SiC ）的工藝及其設備體系，並形成批量製備複雜構件的能力。我國是繼法國之後世界上第二個掌握這一技術的國家，該成果獲2004年國家技術發明一等獎。獲得 5 項國家發明專利 ,專利內容包括 實時變量控制的 CVI 技術、 CVI - RMI 緻密化技術、自動供給與監控技術和符合環保要求的尾氣處理 技術等。經過 20 餘種 160 餘件構件和 3000 餘件各種 類型試件的製備考核 ,其中液體火箭發動機全尺寸 C/ SiC 噴管通過了 高空台試車,CMC SiC浮壁瓦片模擬件和調節片分別通過了航空發動機環 境的短時間考核 ,C/ SiC固體火箭發動機導流管通過了無控飛行考核。證明工藝穩定可靠 ,為我國 CVI - CMC - SiC 的產業化發展奠定了堅實的基礎。2014年5月的報道，中國航天科技集團公司六院11所研製生產的陶瓷基複合材料噴管首次參加地面試車，順利通過了發動機方案驗證。

      近年來通過國家項目的支持，目前國內相關高校和研究單位在航空發動機用連續纖維增強碳化硅陶瓷基複合材料和構件製造技術方面已取得可喜的技術突破。在結構陶瓷基複合材料及其構件製造技術方面，突破了陶瓷基複合材料複雜異形件的設計、整體編織技術、先驅體浸漬裂解工藝、近淨成型技術、表面熱防護技術、陶瓷基複合材料的加工技術、與金屬部件的連接與裝配技術以及無損檢測等關鍵技術。

 國產碳化硅陶瓷基複合材料在航空發動機上的應用

     國產SiC/SiC複合材料熱結構件已通過某型號航空發動機模擬器考核；此外，研製的SiC/SiC複合材料航空發動機熱結構件在某型號國產航空發動機上，進行掛片考核；以國防科技大學第二代連續碳化硅纖維為增強體制備的發動機熱端複合材料渦輪轉子葉片和導向器葉片在國內首次通過發動機裝機考核，考核後結構完整，無損傷。與鎳基耐高温金屬相比，渦輪轉子葉片減重達72%，導向器葉片減重58%。採用同樣材料，目前正在進行整機考核的部件還有用於發動機熱端的燃燒室襯套，碳化硅陶瓷基複合材料整體渦輪葉盤（推比15一級發動機關鍵部件），（殲-20）發動機隱身噴管等。上述工作均達到了國際同類陶瓷基複合材料發動機熱結構件的先進水平。