航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件擴(kuò)大陶瓷基復(fù)合材料應(yīng)用

    當(dāng)前，美俄歐主要發(fā)動(dòng)機(jī)廠商都在探尋在航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端使用陶瓷基復(fù)合材料（CMC）。其中，CFM公司配裝陶瓷基復(fù)合材料高壓渦輪罩環(huán)的LEAP-1A民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，已于2015年5月19日在新的空客A320neo飛機(jī)上成功完成了首飛，表明CMC在航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件應(yīng)用取得新突破。作為CFM公司的50%投資方，美國(guó)通用電氣公司（GE）自2015年以來(lái)還在F414軍用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)上，驗(yàn)證了CMC低壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片的耐高溫和耐久性能，并在GEnx民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓渦輪葉片和燃燒室上開(kāi)展了一系列試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了CMC在發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的應(yīng)用潛力，彰顯了CMC在未來(lái)軍民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的廣泛應(yīng)用前景。

    CMC技術(shù)優(yōu)勢(shì)巨大

    CMC由陶瓷纖維和陶瓷基體組成，具有密度低、硬度高、熱穩(wěn)定性能優(yōu)異及化學(xué)耐受性強(qiáng)等特點(diǎn)，其密度僅為高溫合金的1/3，強(qiáng)度為其2倍，能夠承受1000～1500℃的高溫（比高溫合金高200～240℃），且結(jié)構(gòu)耐久性更好。同時(shí)CMC固有的斷裂韌性和損傷容限高，適用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件，并能在較高的渦輪進(jìn)口溫度和較少的冷卻空氣（大于1300℃）下運(yùn)行，發(fā)動(dòng)機(jī)效率和耗油率明顯改善。如美國(guó)航空航天局（NASA）在“超高效發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)”（UEET）項(xiàng)目下，開(kāi)發(fā)CMC發(fā)動(dòng)機(jī)熱端結(jié)構(gòu)，能承受渦輪進(jìn)口溫度1649℃，冷卻需求量比同類(lèi)高溫合金部件減少15%～25%。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)制造商高度重視CMC技術(shù)開(kāi)發(fā)，努力將該材料引入過(guò)渡件、燃燒室內(nèi)襯、噴管導(dǎo)向葉片甚至渦輪轉(zhuǎn)子件等熱端部件。

    CMC熱端部件不斷發(fā)展成熟

    CMC材料和加工工藝技術(shù)不斷取得突破

    自20世紀(jì)50年代以來(lái)，美國(guó)、歐洲等從未停止CMC在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)上的嘗試，不斷推動(dòng)該材料和加工工藝的技術(shù)進(jìn)步。美國(guó)自20世紀(jì)80年代以來(lái)在CMC技術(shù)研究的專(zhuān)項(xiàng)撥款已超過(guò)10億美元，突破了熱壓燒結(jié)、化學(xué)氣相浸潤(rùn)、聚合物浸漬裂解等材料的制造工藝，以及材料的連續(xù)纖維、短纖維、晶須、顆粒等多種形式增強(qiáng)體技術(shù)，極大地提高了材料的延性、耐磨性、抗蠕變性，降低了脆性。

    同時(shí)，美國(guó)開(kāi)發(fā)并逐漸完善CMC數(shù)據(jù)庫(kù)，開(kāi)展了一些形狀簡(jiǎn)單、工作應(yīng)力低、次高溫的零件設(shè)計(jì)、制造及驗(yàn)證工作，為熱端部件的應(yīng)用研究打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。俄羅斯在《國(guó)家技術(shù)基礎(chǔ)2007～2011》中，將CMC作為五個(gè)材料技術(shù)研發(fā)方向之一，開(kāi)發(fā)能在2000℃左右高溫下工作的CMC滾動(dòng)和滑動(dòng)軸承組件，用于新一代燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)。

    CMC熱端部件即將配裝新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)投產(chǎn)

    隨著CMC材料和工藝技術(shù)的不斷成熟，制造商尋求用該材料替代高溫合金材料制造發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件，并開(kāi)展了相關(guān)的部件試驗(yàn)。至今，CMC熱端部件已進(jìn)行過(guò)100多萬(wàn)小時(shí)的循環(huán)和耐久性試驗(yàn)，其中包括15000多小時(shí)的地面燃?xì)廨啓C(jī)整機(jī)試驗(yàn)。

    美國(guó)空軍在1989年至2005年的“綜合高性能渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)”（IHPTET）計(jì)劃中，開(kāi)發(fā)的CMC矢量噴管調(diào)節(jié)片、密封片、低壓渦輪靜子葉片等高溫靜子件在F136和F414等發(fā)動(dòng)機(jī)演示驗(yàn)證平臺(tái)上均成功驗(yàn)證。2009年2月，GE公司和羅羅公司聯(lián)合研制的F136發(fā)動(dòng)機(jī)在高空試驗(yàn)臺(tái)上驗(yàn)證了CMC低壓渦輪導(dǎo)向葉片優(yōu)異性能，設(shè)計(jì)溫度高達(dá)1200℃，冷卻量需求降低50%；2010年11月，GE公司在F414改進(jìn)型發(fā)動(dòng)機(jī)上試驗(yàn)驗(yàn)證了CMC低壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片技術(shù)。此外，在美國(guó)聯(lián)邦航空局（FAA）的“持續(xù)降低能耗和排放”（CLEEN）計(jì)劃下，波音公司開(kāi)發(fā)了CMC聲學(xué)排氣噴管組件，并于2013年1月在羅羅公司遄達(dá)1000發(fā)動(dòng)機(jī)上成功完成了73小時(shí)的試驗(yàn)。一系列驗(yàn)證平臺(tái)的試驗(yàn)極大地促進(jìn)了CMC技術(shù)的進(jìn)步，推動(dòng)了材料技術(shù)的成熟。

    2013年10月，GE公司公布在全新研制的配裝龐巴迪“環(huán)球”7000和“環(huán)球”8000公務(wù)機(jī)的Passport發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣混合器、錐形中心體和核心機(jī)整流罩上采用CMC技術(shù)。Passport發(fā)動(dòng)機(jī)是即將量產(chǎn)的首型采用CMC技術(shù)的民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，于2015年年底適航取證，即將配裝“環(huán)球”7000公務(wù)機(jī)實(shí)現(xiàn)商業(yè)服役。Passport發(fā)動(dòng)機(jī)的CMC排氣混合器取代了由4片繞核心機(jī)的面板和9片部件的混合器組成的石墨-環(huán)氧組件，能在無(wú)復(fù)雜冷卻系統(tǒng)情況下承受排氣區(qū)域的高溫燃?xì)�，增�?qiáng)了耐久性，并實(shí)現(xiàn)減重20千克。

    CMC的應(yīng)用將擴(kuò)大到工作環(huán)境*苛刻的核心機(jī)部件

    在IHPTET計(jì)劃中，美國(guó)空軍在F136和F414等發(fā)動(dòng)機(jī)演示驗(yàn)證平臺(tái)上還成功驗(yàn)證了采用CMC材料的燃燒室火焰筒及高壓渦輪罩環(huán)等核心機(jī)的熱端部件。CFM公司Leap發(fā)動(dòng)機(jī)（配裝空客A320neo、波音737MAX和商飛C919）將于2015年取得適航取證，2016年商業(yè)服役。該發(fā)動(dòng)機(jī)采用了CMC高壓渦輪罩環(huán)（環(huán)繞高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片、阻止渦輪葉尖熱排氣泄漏的靜止環(huán)形密封件），是CMC*實(shí)際應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)部件，部件重量比用傳統(tǒng)材料減輕上百千克。CMC高壓渦輪罩環(huán)已完成了2萬(wàn)多小時(shí)的部件及整機(jī)試驗(yàn)，試驗(yàn)表明能極大地減少?gòu)膲簹鈾C(jī)引出的冷氣需求量，提高發(fā)動(dòng)機(jī)推力，并降低燃油消耗量1.5%以上。

    2013年6月，GE公司更是雄心勃勃地宣布，在擬2018年適航取證的GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)上，要將CMC*應(yīng)用于渦輪轉(zhuǎn)子葉片這一承受載荷*復(fù)雜和耐溫*敏感的轉(zhuǎn)動(dòng)部件，并進(jìn)一步將該材料的使用范圍擴(kuò)大到*級(jí)高壓渦輪罩環(huán)、燃燒室火焰筒內(nèi)外環(huán)以及高壓渦輪導(dǎo)向器等高耐溫要求的部件。為此，GE公司在原有技術(shù)基礎(chǔ)上，從2015年又開(kāi)始在GEnx驗(yàn)證機(jī)上開(kāi)展包含燃燒室火焰筒內(nèi)外環(huán)、*級(jí)高壓渦輪罩環(huán)、第二級(jí)渦輪導(dǎo)向器、渦輪轉(zhuǎn)子葉片的CMC部件試驗(yàn)，已完成超過(guò)350個(gè)循環(huán)的耐久性試驗(yàn)，驗(yàn)證了整套熱端部件的功能性和耐久性。據(jù)估計(jì)，GE9X的CMC渦輪轉(zhuǎn)子葉片能夠?qū)崿F(xiàn)葉片減重2/3，耐溫提高20%，對(duì)GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率改善的貢獻(xiàn)率達(dá)30%，而CMC燃燒室火焰筒能以更少的冷卻空氣量應(yīng)對(duì)更高的溫度，改善發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率。

    英國(guó)羅羅公司將CMC作為降低發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率和排放的關(guān)鍵技術(shù)之一，表示該材料將會(huì)徹底革新發(fā)動(dòng)機(jī)的重量和性能，并收購(gòu)了CMC研發(fā)生產(chǎn)商——超熱公司（HTC）。同時(shí)，在“環(huán)境友好發(fā)動(dòng)機(jī)”（EFE）計(jì)劃試驗(yàn)單元的長(zhǎng)期試驗(yàn)中，驗(yàn)證并評(píng)估了CMC高壓渦輪葉片。美國(guó)另一大發(fā)動(dòng)機(jī)制造商普惠公司雖然并不看好CMC在短期和中期的應(yīng)用，但是作為長(zhǎng)期目標(biāo)，在解決成本和可靠性問(wèn)題后，仍相信該材料具有使齒輪傳動(dòng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)燃油效率進(jìn)一步提高的潛力，并在“環(huán)境負(fù)責(zé)航空”（ERA）計(jì)劃下與NASA合作開(kāi)展CMC燃燒室的研究工作。

    另外，GE公司認(rèn)為，CMC是下一代軍用發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前溫度提升的核心關(guān)鍵技術(shù)，在高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片的技術(shù)突破將促進(jìn)下一代軍用發(fā)動(dòng)機(jī)的問(wèn)世。因此，自2007年GE公司便開(kāi)始尋求通過(guò)“自適應(yīng)多用途發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)”（ADVENT）計(jì)劃將該材料引入軍用發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)，并繼續(xù)在“自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展”（AETD）計(jì)劃下開(kāi)展該材料的部件級(jí)和整機(jī)級(jí)試驗(yàn)。在美國(guó)陸軍的“先進(jìn)經(jīng)濟(jì)可承受性渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)”（AATE）計(jì)劃下，GE公司提出的GE3000發(fā)動(dòng)機(jī)方案也在熱端部件大量使用CMC材料，并正在研究采用該材料的轉(zhuǎn)子葉片，以保證GE3000發(fā)動(dòng)機(jī)滿(mǎn)足陸軍對(duì)未來(lái)先進(jìn)直升機(jī)的極高的性能要求。此外，日本也計(jì)劃在研制其第六代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，在渦輪葉片上采用CMC技術(shù)。

    結(jié)束語(yǔ)

    CMC具有巨大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，是未來(lái)軍民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵材料技術(shù)之一。國(guó)外已基本解決了CMC部件的可生產(chǎn)性、設(shè)計(jì)技術(shù)、質(zhì)量控制以及采購(gòu)成本等工程化、商業(yè)化難點(diǎn)，CMC在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用范圍正在不斷擴(kuò)大，尤其是熱端部件。

    總的來(lái)看，國(guó)外航發(fā)領(lǐng)域的CMC應(yīng)用遵循著從次高溫結(jié)構(gòu)件到高溫結(jié)構(gòu)件，從簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)件到復(fù)雜結(jié)構(gòu)件以及從高溫靜子件到高溫轉(zhuǎn)子件的循序漸進(jìn)的應(yīng)用規(guī)律，正在實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓渦輪和燃燒室等核心機(jī)部件的全面占領(lǐng)，將成為下一代發(fā)動(dòng)機(jī)的核心主干材料。其中，CMC高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片的研制，代表了當(dāng)前CMC技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用的*高水平，是“發(fā)動(dòng)機(jī)高溫結(jié)構(gòu)材料的技術(shù)制高點(diǎn)”。我國(guó)在CMC技術(shù)發(fā)展方面的積累與國(guó)外先進(jìn)國(guó)家相比差距很大，急需有計(jì)劃、有步驟地發(fā)展適用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的CMC技術(shù)，加速建立技術(shù)儲(chǔ)備，為我國(guó)未來(lái)軍民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)提供有競(jìng)爭(zhēng)力的熱端部件材料。

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