航空發動機熱端部件擴大陶瓷基復合材料應用

    當前，美俄歐主要發動機廠商都在探尋在航空發動機熱端使用陶瓷基復合材料（CMC）。其中，CFM公司配裝陶瓷基復合材料高壓渦輪罩環的LEAP-1A民用渦扇發動機，已于2015年5月19日在新的空客A320neo飛機上成功完成了首飛，表明CMC在航空發動機熱端部件應用取得新突破。作為CFM公司的50%投資方，美國通用電氣公司（GE）自2015年以來還在F414軍用渦扇發動機上，驗證了CMC低壓渦輪轉子葉片的耐高溫和耐久性能，并在GEnx民用渦扇發動機的高壓渦輪葉片和燃燒室上開展了一系列試驗，進一步驗證了CMC在發動機熱端部件的應用潛力，彰顯了CMC在未來軍民用航空發動機的廣泛應用前景。

    CMC技術優勢巨大

    CMC由陶瓷纖維和陶瓷基體組成，具有密度低、硬度高、熱穩定性能優異及化學耐受性強等特點，其密度僅為高溫合金的1/3，強度為其2倍，能夠承受1000～1500℃的高溫（比高溫合金高200～240℃），且結構耐久性更好。同時CMC固有的斷裂韌性和損傷容限高，適用于燃氣渦輪發動機熱端部件，并能在較高的渦輪進口溫度和較少的冷卻空氣（大于1300℃）下運行，發動機效率和耗油率明顯改善。如美國航空航天局（NASA）在“超高效發動機技術”（UEET）項目下，開發CMC發動機熱端結構，能承受渦輪進口溫度1649℃，冷卻需求量比同類高溫合金部件減少15%～25%。因此，發動機制造商高度重視CMC技術開發，努力將該材料引入過渡件、燃燒室內襯、噴管導向葉片甚至渦輪轉子件等熱端部件。

    CMC熱端部件不斷發展成熟

    CMC材料和加工工藝技術不斷取得突破

    自20世紀50年代以來，美國、歐洲等從未停止CMC在燃氣渦輪發動機上的嘗試，不斷推動該材料和加工工藝的技術進步。美國自20世紀80年代以來在CMC技術研究的專項撥款已超過10億美元，突破了熱壓燒結、化學氣相浸潤、聚合物浸漬裂解等材料的制造工藝，以及材料的連續纖維、短纖維、晶須、顆粒等多種形式增強體技術，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，美國開發并逐漸完善CMC數據庫，開展了一些形狀簡單、工作應力低、次高溫的零件設計、制造及驗證工作，為熱端部件的應用研究打下了堅實基礎。俄羅斯在《國家技術基礎2007～2011》中，將CMC作為五個材料技術研發方向之一，開發能在2000℃左右高溫下工作的CMC滾動和滑動軸承組件，用于新一代燃氣渦輪發動機。

    CMC熱端部件即將配裝新型航空發動機投產

    隨著CMC材料和工藝技術的不斷成熟，制造商尋求用該材料替代高溫合金材料制造發動機熱端部件，并開展了相關的部件試驗。至今，CMC熱端部件已進行過100多萬小時的循環和耐久性試驗，其中包括15000多小時的地面燃氣輪機整機試驗。

    美國空軍在1989年至2005年的“綜合高性能渦輪發動機技術”（IHPTET）計劃中，開發的CMC矢量噴管調節片、密封片、低壓渦輪靜子葉片等高溫靜子件在F136和F414等發動機演示驗證平臺上均成功驗證。2009年2月，GE公司和羅羅公司聯合研制的F136發動機在高空試驗臺上驗證了CMC低壓渦輪導向葉片優異性能，設計溫度高達1200℃，冷卻量需求降低50%；2010年11月，GE公司在F414改進型發動機上試驗驗證了CMC低壓渦輪轉子葉片技術。此外，在美國聯邦航空局（FAA）的“持續降低能耗和排放”（CLEEN）計劃下，波音公司開發了CMC聲學排氣噴管組件，并于2013年1月在羅羅公司遄達1000發動機上成功完成了73小時的試驗。一系列驗證平臺的試驗極大地促進了CMC技術的進步，推動了材料技術的成熟。

    2013年10月，GE公司公布在全新研制的配裝龐巴迪“環球”7000和“環球”8000公務機的Passport發動機的排氣混合器、錐形中心體和核心機整流罩上采用CMC技術。Passport發動機是即將量產的首型采用CMC技術的民用渦扇發動機，于2015年年底適航取證，即將配裝“環球”7000公務機實現商業服役。Passport發動機的CMC排氣混合器取代了由4片繞核心機的面板和9片部件的混合器組成的石墨-環氧組件，能在無復雜冷卻系統情況下承受排氣區域的高溫燃氣，增強了耐久性，并實現減重20千克。

    CMC的應用將擴大到工作環境*苛刻的核心機部件

    在IHPTET計劃中，美國空軍在F136和F414等發動機演示驗證平臺上還成功驗證了采用CMC材料的燃燒室火焰筒及高壓渦輪罩環等核心機的熱端部件。CFM公司Leap發動機（配裝空客A320neo、波音737MAX和商飛C919）將于2015年取得適航取證，2016年商業服役。該發動機采用了CMC高壓渦輪罩環（環繞高壓渦輪轉子葉片、阻止渦輪葉尖熱排氣泄漏的靜止環形密封件），是CMC*實際應用于發動機核心機部件，部件重量比用傳統材料減輕上百千克。CMC高壓渦輪罩環已完成了2萬多小時的部件及整機試驗，試驗表明能極大地減少從壓氣機引出的冷氣需求量，提高發動機推力，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發動機上，要將CMC*應用于渦輪轉子葉片這一承受載荷*復雜和耐溫*敏感的轉動部件，并進一步將該材料的使用范圍擴大到*級高壓渦輪罩環、燃燒室火焰筒內外環以及高壓渦輪導向器等高耐溫要求的部件。為此，GE公司在原有技術基礎上，從2015年又開始在GEnx驗證機上開展包含燃燒室火焰筒內外環、*級高壓渦輪罩環、第二級渦輪導向器、渦輪轉子葉片的CMC部件試驗，已完成超過350個循環的耐久性試驗，驗證了整套熱端部件的功能性和耐久性。據估計，GE9X的CMC渦輪轉子葉片能夠實現葉片減重2/3，耐溫提高20%，對GE9X發動機耗油率改善的貢獻率達30%，而CMC燃燒室火焰筒能以更少的冷卻空氣量應對更高的溫度，改善發動機熱效率。

    英國羅羅公司將CMC作為降低發動機耗油率和排放的關鍵技術之一，表示該材料將會徹底革新發動機的重量和性能，并收購了CMC研發生產商——超熱公司（HTC）。同時，在“環境友好發動機”（EFE）計劃試驗單元的長期試驗中，驗證并評估了CMC高壓渦輪葉片。美國另一大發動機制造商普惠公司雖然并不看好CMC在短期和中期的應用，但是作為長期目標，在解決成本和可靠性問題后，仍相信該材料具有使齒輪傳動渦扇發動機燃油效率進一步提高的潛力，并在“環境負責航空”（ERA）計劃下與NASA合作開展CMC燃燒室的研究工作。

    另外，GE公司認為，CMC是下一代軍用發動機渦輪前溫度提升的核心關鍵技術，在高壓渦輪轉子葉片的技術突破將促進下一代軍用發動機的問世。因此，自2007年GE公司便開始尋求通過“自適應多用途發動機技術”（ADVENT）計劃將該材料引入軍用發動機市場，并繼續在“自適應發動機技術發展”（AETD）計劃下開展該材料的部件級和整機級試驗。在美國陸軍的“先進經濟可承受性渦輪發動機”（AATE）計劃下，GE公司提出的GE3000發動機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子葉片，以保證GE3000發動機滿足陸軍對未來先進直升機的極高的性能要求。此外，日本也計劃在研制其第六代戰斗機發動機時，在渦輪葉片上采用CMC技術。

    結束語

    CMC具有巨大的技術優勢，是未來軍民用航空發動機的關鍵材料技術之一。國外已基本解決了CMC部件的可生產性、設計技術、質量控制以及采購成本等工程化、商業化難點，CMC在航空發動機上的應用范圍正在不斷擴大，尤其是熱端部件。

    總的來看，國外航發領域的CMC應用遵循著從次高溫結構件到高溫結構件，從簡單結構件到復雜結構件以及從高溫靜子件到高溫轉子件的循序漸進的應用規律，正在實現對高壓渦輪和燃燒室等核心機部件的全面占領，將成為下一代發動機的核心主干材料。其中，CMC高壓渦輪轉子葉片的研制，代表了當前CMC技術發展與應用的*高水平，是“發動機高溫結構材料的技術制高點”。我國在CMC技術發展方面的積累與國外先進國家相比差距很大，急需有計劃、有步驟地發展適用于航空發動機的CMC技術，加速建立技術儲備，為我國未來軍民用航空發動機提供有競爭力的熱端部件材料。

相關新聞

·美國正全力攻關下一代陶瓷基復合材料

·我國終自主研發出碳化硅陶瓷基復合材料

·陶瓷基復合材料及其制造工藝

·耐高溫陶瓷基復合材料將產業化