陶瓷基復(fù)合材料渦輪外環(huán)研制初探

總參謀部陸航部駐株洲地區(qū)軍事代表室 彭秀云 葉 飛

中國(guó)航空動(dòng)力機(jī)械研究所 劉志遠(yuǎn)

提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比/功重比最主要的措施之一是要盡力降低發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的重量，而降低發(fā)動(dòng)機(jī)重量的措施之一是要盡量選用密度低的材料，但目前一些鋼、鎳及其合金使用已到了其材料性能的極限值[1]；措施之二是不斷提升渦輪前溫度，這對(duì)材料提出越來越高的要求。目前，航空發(fā)動(dòng)機(jī)中廣泛應(yīng)用的鎳基高溫合金材料接近其使用溫度極限，發(fā)展?jié)摿τ邢?，難以滿足未來高推重比/功重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)的需要。因此，復(fù)合材料的研制應(yīng)用得到了重視。

美國(guó)“綜合高性能渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)計(jì)劃（IHPTET）”中明確指出了陶瓷基復(fù)合材料（Ceramic Matrix Composites，簡(jiǎn)稱CMC）的研制和使用目標(biāo)[2]。CMC是以陶瓷為基體，并與各種纖維復(fù)合的一類復(fù)合材料。陶瓷基體可以是氮化硅、碳化硅等高溫結(jié)構(gòu)陶瓷，其密度是鎳基合金的1/4～1/3，可承受溫度高出后者110～220℃[3]。，GE 公司首創(chuàng)了 CMC在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用，目前CMC已在推重比9～10一級(jí)的多種型號(hào)軍民用發(fā)動(dòng)機(jī)的中等載荷靜止件上試驗(yàn)成功。美國(guó)的F-414發(fā)動(dòng)機(jī)成功采用了CMC燃燒室，并已開展了CMC材料轉(zhuǎn)子葉片試驗(yàn)；法國(guó)的M88-Ⅲ發(fā)動(dòng)機(jī)采用CMC作尾噴管調(diào)節(jié)片，已試驗(yàn)成功；英國(guó)的Trend（遄達(dá)）發(fā)動(dòng)機(jī)成功采用了CMC制作的扇形渦輪外環(huán)；LEAP-1A/1B/1C的第一級(jí)高壓渦輪襯環(huán)也將以往的鎳基合金更換為CMC。實(shí)踐表明，航空發(fā)動(dòng)機(jī)采用CMC構(gòu)件降低了結(jié)構(gòu)重量，提高了工作溫度，大大節(jié)約了冷卻氣量，使發(fā)動(dòng)機(jī)油耗降低約1.5%，并有助于使用壽命的提高。圖1為不同年代發(fā)動(dòng)機(jī)使用材料的變化趨勢(shì)[2]。

發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪外環(huán)是渦輪主要靜子件，承受高溫、高壓，要求能自由膨脹、耐磨，以適應(yīng)機(jī)匣的膨脹和轉(zhuǎn)子的適當(dāng)碰磨。目前渦輪外環(huán)通常采用鎳基和鈷基高溫合金材料并通冷氣冷卻，難以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)安全可靠工作所必需的高溫蠕變強(qiáng)度和高溫抗氧化腐蝕能力，以及降低發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)重量提高功重比的需求，因此，開展陶瓷基渦輪外環(huán)的材料、工藝及應(yīng)用研究是十分必要的。

圖1 不同年代發(fā)動(dòng)機(jī)用材趨勢(shì)

渦輪外環(huán)研制的主要性能指標(biāo)

渦輪外環(huán)作為發(fā)動(dòng)機(jī)高溫易氧化部件，其工作條件惡劣，為保證零部件的可靠性，陶瓷基渦輪外環(huán)需滿足以下性能指標(biāo)：（1）1350～1450℃燃?xì)鈼l件下穩(wěn)定工作時(shí)間 ＞2000h；（2）室溫抗拉強(qiáng)度≥ 400MPa；（3）1350～1450℃彎曲強(qiáng)度≥150MPa；（4）1450℃/50次熱震強(qiáng)度保持率 ≥75%；（5）室溫?cái)嗔秧g性KIC≥ 15MPa·m1/2；（6）韋布爾模數(shù)≥ 20 ；（7）抗熱沖擊≥ 500℃ /s；（8）150h氧化失重/增重＜0.015mg/m2；（9）密度＜ 2.6g/cm3。

技術(shù)難點(diǎn)及可行性分析

國(guó)際普遍認(rèn)為，碳化硅陶瓷基復(fù)合材料（CMC-SiC）是發(fā)動(dòng)機(jī)高溫結(jié)構(gòu)材料的技術(shù)制高點(diǎn)之一，可反映一個(gè)國(guó)家先進(jìn)航空航天器和先進(jìn)武器裝備的設(shè)計(jì)和制造能力。由于技術(shù)難度高、耗資大，目前只有法國(guó)、美國(guó)等少數(shù)國(guó)家掌握了連續(xù)纖維增韌碳化硅陶瓷基復(fù)合材料的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)[4]。

由于陶瓷基復(fù)合材料首次在渦輪外環(huán)上應(yīng)用，再加上目前國(guó)內(nèi)陶瓷基復(fù)合材料還未推廣使用，因此，陶瓷基復(fù)合材料渦輪外環(huán)的研制尚有一定難度，主要體現(xiàn)在以下幾方面。

（1）纖維預(yù)制體中均一的孔隙結(jié)構(gòu)有利于獲得理想結(jié)構(gòu)的SiC基體，但是異型預(yù)制體在SiC沉積和高溫過程中易變形，因此制作孔隙均勻、近尺寸和具有尺寸穩(wěn)定性碳纖維預(yù)制體是難點(diǎn)之一。

（2）纖維 /SiC、Si和 Zr等熱膨脹系數(shù)相差大，它們之間易因熱膨脹失配而產(chǎn)生裂紋形成氧的快速擴(kuò)散通道，導(dǎo)致纖維/SiC零件失效。因此，控制裂紋形成，制備長(zhǎng)壽命抗氧化涂層以降低氧的擴(kuò)散等是難點(diǎn)之二。

（3）由于渦輪外環(huán)一般由多段組成，段與段之間有封嚴(yán)槽（封嚴(yán)槽為一端開口、一端封閉的形式）。陶瓷基復(fù)合材料不導(dǎo)電，常用的電火花加工受到限制，線切割加工也因封嚴(yán)槽的具體結(jié)構(gòu)受到限制。因此，封嚴(yán)槽的加工是難點(diǎn)之三。

目前國(guó)內(nèi)多家研究機(jī)構(gòu)均在陶瓷基復(fù)合材料研制上進(jìn)行了大量的工作，配備了良好的設(shè)備，探索出合適的工藝路線，一些陶瓷基復(fù)合材料構(gòu)件得到了應(yīng)用，為陶瓷基復(fù)合材料渦輪外環(huán)的研制奠定了基礎(chǔ)。

某型發(fā)動(dòng)機(jī)陶瓷基復(fù)合材料渦輪外環(huán)設(shè)計(jì)

基于陶瓷基渦輪外環(huán)加工工藝的特殊性，以及采用陶瓷基渦輪外環(huán)可以不進(jìn)行冷卻的特點(diǎn)，渦輪外環(huán)本身及機(jī)匣的結(jié)構(gòu)與普通高溫合金結(jié)構(gòu)相比有它的特殊性。圖2為某型發(fā)動(dòng)機(jī)擬采用陶瓷基渦輪外環(huán)的結(jié)構(gòu)方案圖。

陶瓷基復(fù)合材料硬度高，薄壁零件加工難度大，而陶瓷基渦輪外環(huán)零件壁厚相對(duì)較大，結(jié)構(gòu)比普通高溫合金簡(jiǎn)單，圖3為渦輪外環(huán)的UG圖。

陶瓷基渦輪外環(huán)與渦輪內(nèi)機(jī)匣通過掛鉤形式實(shí)現(xiàn)徑向定位，后端面與機(jī)匣貼合實(shí)現(xiàn)軸向定位；渦輪外環(huán)與機(jī)匣間通過銷釘實(shí)現(xiàn)周向、軸向固定。陶瓷基渦輪外環(huán)采用分段設(shè)計(jì)，整環(huán)分6段，段與段之間通過密封片封嚴(yán)。

圖2 陶瓷基渦輪外環(huán)結(jié)構(gòu)方案圖

圖3 陶瓷基渦輪外環(huán)UG圖

采用陶瓷基渦輪外環(huán)后，陶瓷基復(fù)合材料能耐溫（1350～1450℃），因此不需要進(jìn)行冷卻，可節(jié)約冷氣量。

試驗(yàn)驗(yàn)證

由于陶瓷基渦輪外環(huán)的應(yīng)用缺乏經(jīng)驗(yàn)，為降低裝機(jī)試車風(fēng)險(xiǎn)，需要進(jìn)行一系列試驗(yàn)以考核陶瓷基渦輪外環(huán)在涂層結(jié)合強(qiáng)度、抗高溫?zé)釠_擊等方面的可靠性。

（1）涂層結(jié)合強(qiáng)度試驗(yàn)：渦輪外環(huán)表面抗氧化涂層厚度為150μm，主要成分為SiC+Mo-Si，涂層制備工藝以化學(xué)氣相沉積法為主。涂層結(jié)合強(qiáng)度試驗(yàn)應(yīng)符合HB5476-91《熱噴涂涂層結(jié)合強(qiáng)度試驗(yàn)方法》。

（2）熱沖擊試驗(yàn)：由于陶瓷基渦輪外環(huán)沒有冷卻，工作溫度高達(dá)1200℃左右，環(huán)境條件惡劣，需要進(jìn)行熱沖擊試驗(yàn)以考核基體材料及涂層耐熱沖擊能力。試驗(yàn)程序可參考Q/8SFGF20.2018-2004《航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片熱沖擊試驗(yàn)規(guī)范》。

（3）氧化增重（失重）試驗(yàn)：渦輪外環(huán)處于高溫環(huán)境中，極易受燃?xì)庋趸?，因此需要進(jìn)行氧化增重（失重）試驗(yàn)。按以下要求進(jìn)行：流動(dòng)空氣、1450℃、150h條件下，測(cè)試渦輪外環(huán)片的增重（失重）情況，達(dá)到150h氧化增重/失重＜±0.015mg/mm2。

結(jié)束語

采用陶瓷基渦輪外環(huán)能在一定程度上降低發(fā)動(dòng)機(jī)重量，同時(shí)由于渦輪外環(huán)不需冷卻，可節(jié)約冷氣流量，并達(dá)到提高效率、降低油耗的目的。

陶瓷基渦輪外環(huán)作為一項(xiàng)新技術(shù)，在國(guó)內(nèi)尚未使用過，存在一定風(fēng)險(xiǎn)，需經(jīng)過必要的試驗(yàn)驗(yàn)證才能最終應(yīng)用。目前國(guó)外已在發(fā)動(dòng)機(jī)上得到應(yīng)用，如GE公司對(duì)渦輪襯環(huán)零件已進(jìn)行100萬h的循環(huán)耐久性試驗(yàn)；除LEAP-X發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪襯環(huán)之外，GE公司還計(jì)劃將該技術(shù)應(yīng)用在F136和LEAP-X發(fā)動(dòng)機(jī)的導(dǎo)向器上，以及諸如轉(zhuǎn)子葉片等其他高溫零件。國(guó)內(nèi)的研究已經(jīng)啟動(dòng)，部分研究機(jī)構(gòu)和高校已進(jìn)行了相當(dāng)多的工作，積累了比較豐富的經(jīng)驗(yàn)，為陶瓷基渦輪外環(huán)的研制打下了一定的基礎(chǔ)。

[1]周瑞發(fā),韓雅芳.高溫結(jié)構(gòu)材料.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006.

[2]陳亞莉.復(fù)合材料在民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用.國(guó)際航空,2012(10)：54-55.

[3]李嘉榮,熊繼春,唐定中.先進(jìn)高溫結(jié)構(gòu)材料與技術(shù)(上).北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2012.

[4]李杰.復(fù)合材料在新一代商用發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用與發(fā)展.航空科學(xué)技術(shù),2012(1):18-21.