金屬骨架陶瓷基復(fù)合材料渦輪導(dǎo)葉研究進(jìn)展

陳輝煌，鞏龍東，申秀麗

（北京航空航天大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，北京100191）

0 引言

新一代航空發(fā)動機(jī)要求具有更高推重比、更高可靠性和更長壽命[1]。而發(fā)動機(jī)推力的增大在很大程度上依賴于渦輪前溫度的提高[2]。推重比為15～20的發(fā)動機(jī)的渦輪前進(jìn)口溫度最高達(dá)2250～2350K[3-4]。鎳基高溫合金作為航空發(fā)動機(jī)渦輪導(dǎo)葉的常用材料，其最高工作溫度為1100℃，已經(jīng)達(dá)到其使用溫度的極限（初熔點(diǎn)的85%）[5]。能耐1100℃以上高溫的只有碳/碳復(fù)合材料（C/C）和陶瓷基復(fù)合材料（CMC）[6]。但是C/C在高溫燃?xì)猸h(huán)境下容易被氧化[7]，而CMC具有耐高溫、耐腐蝕、密度小[8]的優(yōu)點(diǎn)，是研制高溫渦輪導(dǎo)葉的理想材料。目前，很多機(jī)構(gòu)研發(fā)了陶瓷基復(fù)合材料渦輪導(dǎo)葉，并進(jìn)行了試驗(yàn)：NASAGlenn研制的SiCf/SiC渦輪葉片可使冷卻氣流量減少15%～25%，并通過了燃燒室出口氣流速度為60m/s、6.06×105MPa和1200℃下的環(huán)境試驗(yàn)考核[9]；MATECHGSM公司研制的全CMC渦輪導(dǎo)向器的最高使用溫度為1400℃[10]。但是，CMC韌性很差，其斷裂韌性很難超過25MPa·m1/2[11]。而金屬骨架陶瓷基復(fù)合材料渦輪導(dǎo)葉的設(shè)計(jì)思想不僅繼承了CMC的優(yōu)點(diǎn)，還克服了其韌性差的缺點(diǎn)。金屬骨架陶瓷導(dǎo)葉由陶瓷葉型、隔熱層和金屬骨架組成，葉型和內(nèi)、外側(cè)壁（上、下緣板）均由陶瓷制成[12-13]。德國的Krger等人早在1989年就提出了混合式導(dǎo)葉（就是現(xiàn)在所說的金屬骨架陶瓷基復(fù)合材料渦輪導(dǎo)葉）的思想[12]；美國PW 和UTRC公司以FT8導(dǎo)葉為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了帶內(nèi)部冷卻的金屬骨架陶瓷基復(fù)合材料渦輪導(dǎo)葉，其表面最高溫度達(dá)到1316℃[14]，可滿足渦輪前溫度1649℃的要求，同時(shí)使冷卻氣流量減少了15%～25%。

本文綜述了國內(nèi)外對金屬骨架陶瓷基復(fù)合材料渦輪導(dǎo)葉的研究進(jìn)展。

1 金屬骨架陶瓷導(dǎo)葉的熱變形協(xié)調(diào)

金屬骨架的熱膨脹系數(shù)要比陶瓷葉型的大10%以上[15]，因此在高溫燃?xì)獾臎_擊下，二者熱變形不協(xié)調(diào)，在陶瓷葉型上產(chǎn)生附加熱應(yīng)力。按位置的不同，熱變形協(xié)調(diào)問題可以分為周向和徑向2種。

1.1 周向熱變形協(xié)調(diào)問題

通過改變陶瓷葉型與金屬骨架沿周向的接觸方式（柔性接觸和點(diǎn)/線接觸）即可緩解二者的周向熱變形協(xié)調(diào)問題。

1種帶柔性接觸的金屬骨架陶瓷基復(fù)合材料渦輪導(dǎo)葉[16]如圖1所示。該導(dǎo)葉主要由高溫涂層、陶瓷葉型、金屬骨架和金屬尾緣組成。陶瓷外殼主要承受外界高溫，金屬骨架主要承受機(jī)械負(fù)荷，二者熱變形的不匹配可以通過波形彈簧（如圖2所示）的變形來緩解。當(dāng)金屬骨架的變形量大于陶瓷葉型的時(shí)，波形彈簧就會通過變形來吸收能量，減小作用于陶瓷葉型的附加熱應(yīng)力。另外，在金屬骨架里還通有冷卻通道，通過降低金屬骨架的工作溫度來減少其熱膨脹量。該導(dǎo)葉的分解裝配如圖3所示。

圖1 帶柔性接觸的金屬骨架陶瓷基復(fù)合材料渦輪導(dǎo)葉[16]

1種帶金屬網(wǎng)套的金屬骨架陶瓷導(dǎo)葉如圖4所示。該導(dǎo)葉用有彈性的金屬網(wǎng)套將陶瓷葉型與金屬骨架隔開，通過金屬網(wǎng)套的變形來吸收陶瓷葉型與金屬骨架因變形不協(xié)調(diào)而產(chǎn)生的能量，緩解陶瓷外形所受的附加熱應(yīng)力[17]。

文獻(xiàn)[18]中的金屬骨架陶瓷基復(fù)合材料渦輪導(dǎo)葉（如圖5所示）采用點(diǎn)/線接觸來減小金屬骨架和陶瓷葉型的熱膨脹系數(shù)不匹配。該導(dǎo)葉由雙層陶瓷葉型和金屬骨架組成。在設(shè)計(jì)制造金屬骨架和陶瓷葉型時(shí)，增加1種類似于凸起或加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)，形成點(diǎn)/線接觸，不僅減少了存在附加熱應(yīng)力的部位，還可以通過這種接觸方式形成的通道對金屬骨架進(jìn)行冷卻，減小金屬骨架的熱膨脹。

圖2 帶冷卻孔的波形彈簧[16]

圖3 帶柔性接觸的金屬骨架陶瓷導(dǎo)葉的裝配[16]

圖4 帶金屬網(wǎng)套的金屬骨架陶瓷導(dǎo)葉[17]

圖5 帶點(diǎn)/線接觸的金屬骨架陶瓷基復(fù)合材料渦輪導(dǎo)葉[18]

1.2 徑向熱變形協(xié)調(diào)問題

目前針對徑向熱變形協(xié)調(diào)問題的解決方案還很少。基本思想也是盡量減少陶瓷葉型與金屬支撐板的剛性接觸。

1種帶密封環(huán)的金屬骨架陶瓷基復(fù)合材料渦輪導(dǎo)葉[19-21]如圖6所示。在陶瓷葉型與內(nèi)外支撐板之間分別裝有彈性密封環(huán)，不僅防止了冷氣的泄漏，還減少了陶瓷葉型與內(nèi)外支撐板的剛性接觸，在一定程度上緩解了金屬骨架陶瓷導(dǎo)葉沿徑向的熱變形不協(xié)調(diào)問題。

通過結(jié)構(gòu)方式的設(shè)計(jì)也可以減少陶瓷葉型與金屬的剛性接觸。文獻(xiàn)[22]中的陶瓷導(dǎo)葉中的陶瓷葉型貫穿內(nèi)外陶瓷支撐板（如圖7所示）。這種結(jié)構(gòu)不存在徑向變形協(xié)調(diào)問題，在陶瓷葉型與支撐板的連接處也不會產(chǎn)生周向變形協(xié)調(diào)問題，但是陶瓷與陶瓷的連接問題還有待解決。

圖6 帶密封環(huán)的金屬骨架陶瓷導(dǎo)葉[19-21]

圖7 陶瓷葉型貫穿內(nèi)外陶瓷支撐板的導(dǎo)葉[22]

2 金屬與陶瓷基復(fù)合材料連接問題

金屬與陶瓷基復(fù)合材料的理化性質(zhì)差異很大，如何將二者連接起來并且形成具有一定強(qiáng)度的接頭一直是個難題[23]。為此，必須解決化學(xué)相容性與物理匹配性的問題。前者是指在接頭處能形成較強(qiáng)的化學(xué)鍵；后者是指連接材料的熱膨脹系數(shù)、彈性模量等能在連接界面附近區(qū)域形成良好地匹配[24]。

金屬與陶瓷基復(fù)合材料的連接機(jī)理主要有物理、機(jī)械和化學(xué)反應(yīng)連接機(jī)理；主要方法有機(jī)械連接法、固相擴(kuò)散焊法、液相法、先驅(qū)體法和反應(yīng)成形法等[23]。其中，機(jī)械連接法主要通過在陶瓷和金屬上開孔，再用螺栓或銷釘?shù)葋磉M(jìn)行連接，會出現(xiàn)局部應(yīng)力集中，在高溫下陶瓷很容易失效等問題，為此需要增加一定的保護(hù)措施。

文獻(xiàn)[25]中描述的金屬與CMC的機(jī)械連接法（如圖8所示）引入了彈性墊圈。銷釘穿過金屬擋板、金屬板和陶瓷基復(fù)合材料的開孔，與金屬擋板焊在一起，金屬擋板焊在金屬板上，具有預(yù)緊力的彈性墊圈連接銷釘與陶瓷基復(fù)合材料。在高溫環(huán)境下，銷釘與陶瓷基復(fù)合材料的變形不協(xié)調(diào)通過彈性墊圈來調(diào)節(jié)。

固相擴(kuò)散焊法[26-28]主要利用活性金屬（如Zr、Ti）在固態(tài)下與SiC反應(yīng)，形成Zr和Ti的碳化物與硅化物，從而實(shí)現(xiàn)連接；李樹杰等[29]用Zr/Nb復(fù)合中間層連接SiC陶瓷與Ni基高溫合金的試驗(yàn)表明，在焊接壓力為11.2MPa、焊接溫度為1070℃、保溫時(shí)間為20min時(shí)，接頭部分的最高抗彎強(qiáng)度達(dá)到了SiC母材強(qiáng)度的52%。

圖8 金屬與CMC的機(jī)械連接法[25]

3 金屬骨架陶瓷導(dǎo)葉的力學(xué)分析

3.1 金屬骨架陶瓷導(dǎo)葉數(shù)值分析

金屬骨架陶瓷導(dǎo)葉的數(shù)值模擬分析主要針對陶瓷基復(fù)合材料外殼進(jìn)行。

Venkat Vedula等[14]利用試驗(yàn)測定材料屬性，由數(shù)值分析得到在溫度邊界條件下（如圖9所示）層狀結(jié)構(gòu)導(dǎo)葉外殼的宏觀應(yīng)力分布，如圖10所示。

圖9 陶瓷外殼溫度分布[14]

圖10 陶瓷外殼高層間局部應(yīng)力[14]

DavidN.Brewer等[30]根據(jù)文獻(xiàn)[40]中發(fā)動機(jī)環(huán)境狀態(tài)下的分析結(jié)果，給出了陶瓷外殼的宏觀應(yīng)力分布，如圖11所示。最大應(yīng)力值出現(xiàn)在內(nèi)腔后倒角處，葉片前緣呈現(xiàn)高層間應(yīng)力分布。

綜上分析，基于試驗(yàn)方法獲得復(fù)合材料宏觀力學(xué)性能參數(shù)，而復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)的可變性強(qiáng)，通過試驗(yàn)測定任意結(jié)構(gòu)的宏觀力學(xué)性能參數(shù)明顯不合實(shí)際。復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)分析方法的應(yīng)用，使其細(xì)觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能參數(shù)直接關(guān)聯(lián)，通過數(shù)值計(jì)算復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型，就可以獲得宏觀等效力學(xué)性能參數(shù)。另外，當(dāng)宏觀結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布確定后，根據(jù)宏細(xì)觀參數(shù)間的關(guān)系，可以獲得復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)應(yīng)力場分布，才能從細(xì)觀角度確定結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和壽命。

雷友鋒等[31]根據(jù)能量等效原理，利用細(xì)觀力學(xué)有限元法從細(xì)觀結(jié)構(gòu)獲得復(fù)合材料宏觀力學(xué)性能參數(shù)。該方法要求求解單胞模型的邊界條件為均勻力或位移邊界。孫杰等[32]在復(fù)合材料導(dǎo)向葉片的結(jié)構(gòu)與材料一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)中，也利用上述方法從細(xì)觀結(jié)構(gòu)獲得宏觀復(fù)合材料等效力學(xué)性能參數(shù)。然而，僅從細(xì)觀結(jié)構(gòu)獲得宏觀等效參數(shù)，不能滿足復(fù)合材料強(qiáng)度和壽命分析的要求。

B.Hassani[33-35]先后發(fā)表了3篇關(guān)于均勻化理論的文章，系統(tǒng)介紹了宏細(xì)觀不同尺度建立參數(shù)關(guān)系的理論。馮淼淋[36-37]利用均勻化理論，從復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)確定其宏觀等效材料性能參數(shù)，得到了與試驗(yàn)結(jié)果較為吻合的預(yù)測結(jié)果。孫志剛[38]發(fā)展了1種對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行宏細(xì)觀一體化分析的多尺度有限元法，并將通用單胞模型融入通用有限元程序系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的宏觀-細(xì)觀一體化分析。該方法既考慮了細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征對宏觀性能的影響，又可在結(jié)構(gòu)分析中獲得宏觀應(yīng)力和應(yīng)變場的同時(shí)，獲得細(xì)觀應(yīng)力和應(yīng)變場。

圖11 層間應(yīng)力分布[30]

3.2 金屬骨架陶瓷導(dǎo)葉試驗(yàn)方法

金屬骨架陶瓷導(dǎo)葉的試驗(yàn)包括恒溫與熱沖擊疲勞試驗(yàn)，可參照陶瓷基復(fù)合材料渦輪導(dǎo)葉的試驗(yàn)方法。

圖12 熱沖擊試驗(yàn)裝置[39]

德國作了關(guān)于燒結(jié)SiC陶瓷導(dǎo)葉的熱沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置如圖12所示[39]。先用電爐加熱（Tmax=1773K），再通過氣動傳輸裝置把葉片放到準(zhǔn)備好的冷卻裝置（T=293K，pmax=1MPa）中冷卻。陶瓷葉片表面溫度的變化通過紅外輻射熱像儀來記錄。

NASA格林研究中心作了關(guān)于SiC/SiC導(dǎo)葉與高溫合金導(dǎo)葉的恒溫對比和熱沖擊疲勞對比試驗(yàn)[40]，均采用水冷，如圖13所示。

圖13 SiC/SiC導(dǎo)葉試驗(yàn)裝置[40]

在恒溫試驗(yàn)中，壓力為6.06×105MPa，溫度為1200℃，燃?xì)饬髁繛?.5kg/s,燃?xì)饬魉贋?0m/s。經(jīng)過50h，高溫合金導(dǎo)葉出現(xiàn)了明顯損壞，CMC導(dǎo)葉未見可視的損壞。經(jīng)過計(jì)算機(jī)斷層掃描，發(fā)現(xiàn)CMC導(dǎo)葉表面有部分材料崩落，如圖14所示。

圖14 恒溫試驗(yàn)計(jì)算機(jī)斷層掃描[40]

在熱沖擊疲勞試驗(yàn)中，最低溫保持45s，然后在15s內(nèi)加熱到最高溫（燃?xì)鉁囟葹?420℃，葉片表面溫度為1320℃），在最高溫下保持45s后，再在15s內(nèi)冷卻到最低溫。經(jīng)過如此102個循環(huán)后，高溫合金導(dǎo)葉發(fā)生了嚴(yán)重?fù)p壞，而CMC導(dǎo)葉只是表面有沉積物出現(xiàn)，如圖15所示。通過計(jì)算機(jī)斷層掃描分析發(fā)現(xiàn)CMC導(dǎo)葉損傷不大，如圖16所示。

圖15 熱沖擊試驗(yàn)后的導(dǎo)葉[40]

圖16 熱沖擊試驗(yàn)計(jì)算機(jī)斷層掃描[40]

4 結(jié)束語

由于金屬骨架陶瓷基復(fù)合材料渦輪導(dǎo)葉能大大提高航空發(fā)動機(jī)渦輪前溫度，得到了越來越多的關(guān)注，通過試驗(yàn)已積累了很多數(shù)據(jù)。然而要在發(fā)動機(jī)上應(yīng)用，還需突破陶瓷葉型和金屬骨架的熱膨脹匹配、陶瓷葉型與金屬骨架的連接、減小導(dǎo)葉尾緣的應(yīng)力集中，以及用于指導(dǎo)工程應(yīng)用的強(qiáng)度分析和壽命預(yù)測等關(guān)鍵技術(shù)。

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