GE的陶瓷基復(fù)合材料發(fā)展概述

■ 張巖 戴淑波 / 中國航發(fā)西航

陶瓷基復(fù)合材料（CMC）的密度只是鎳基合金的1/3，強(qiáng)度則是鎳基合金的兩倍且耐高溫能力提升了100～200℃。自1986年獲得第一個(gè)陶瓷基復(fù)合材料專利以來，GE公司在30余年的時(shí)間里持續(xù)投入了約10億美元，研究如何利用這種材料在經(jīng)濟(jì)可承受前提下的批量生產(chǎn)，以替代目前廣泛使用的鎳基合金。

研發(fā)歷程

GE公司位于紐約的全球研發(fā)中心從20世紀(jì)90年代初開始研發(fā)CMC制備技術(shù)，最初只是用在發(fā)電用燃?xì)廨啓C(jī)中，在累積了足夠能力和經(jīng)驗(yàn)后，GE公司才開始將CMC應(yīng)用到航空發(fā)動(dòng)機(jī)上。

在GE公司大力推動(dòng)CMC的過程中，雖然公司內(nèi)部對于新技術(shù)的推廣也存在惰性和阻力，但GE公司一直堅(jiān)持投資推動(dòng)CMC的發(fā)展，用多年時(shí)間證明了CMC節(jié)約成本的能力和潛在的應(yīng)用價(jià)值。

自2007年GE航空集團(tuán)從GE能源集團(tuán)接手陶瓷基復(fù)合材料產(chǎn)品部以來，CMC在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用研究與開發(fā)取得了長足的進(jìn)步。其中，2016年新建的碳化硅（SiC）陶瓷纖維工廠得到了美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）2190萬美元的資助，該工廠通過NGS先進(jìn)纖維公司的技術(shù)授權(quán)，極大地提高了耐1588K高溫SiC陶瓷纖維的產(chǎn)能。目前，GE航空集團(tuán)正致力于研究、擴(kuò)大CMC的應(yīng)用范圍，如圖1所示。

CMC的工程化

圖1 GE航空的CMC零件應(yīng)用

GE全球研發(fā)中心從20世紀(jì)90年代初期開始CMC制備技術(shù)的研發(fā)，并制訂了基礎(chǔ)制備工藝流程。大約在2000年，CMC制備工藝的研究被轉(zhuǎn)移到了特拉華州的紐瓦克微工廠。紐瓦克微工廠作為實(shí)驗(yàn)室與生產(chǎn)工廠之間的橋梁，是實(shí)現(xiàn)CMC制造技術(shù)工程化的主體。

紐瓦克微工廠不僅要研究如何擴(kuò)大CMC生產(chǎn)規(guī)模的每一道工序，研究清楚與每道工序相關(guān)的因素，并努力使生產(chǎn)工藝經(jīng)濟(jì)可行；還要研究CMC零件能夠承受的極限參數(shù)，在理解這些參數(shù)的基礎(chǔ)上，不斷縮小最大和最小極限參數(shù)的范圍。所以，將CMC的工藝從微工廠轉(zhuǎn)移給阿什維爾工廠大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)，后者無須對這些參數(shù)進(jìn)行研究與判定，可以直接了解極限參數(shù)。

針對CMC制備工藝，紐瓦克微工廠主要在以下幾個(gè)方面實(shí)現(xiàn)了突破。

圖2 GE公司CMC發(fā)展簡圖

一是纖維涂層。在纖維涂層工序中，GE全球研發(fā)中心制造了最初始的涂層反應(yīng)器，在一次涂覆工序中能夠涂覆11股纖維束。而紐瓦克微工廠將該能力增加至一次性涂覆24股纖維束，并且如果有需求的話，還能研究在一次涂覆工序中涂覆72股纖維束。

二是單向帶制備。在單向帶制備工序中，需要使用鼓筒纏繞器。GE全球研發(fā)中心只有一個(gè)小型的鼓筒纏繞器，而紐瓦克微工廠的鼓筒纏繞器要大10倍，而且還在研究實(shí)現(xiàn)連續(xù)單向帶制備工藝。

三是鋪層。在鋪層工序中，GE全球研發(fā)中心用剪刀和刀具實(shí)現(xiàn)切割和堆疊成形，而紐瓦克微工廠則使用標(biāo)準(zhǔn)博戈（Gerber）技術(shù)切刀快速切割單向帶鋪層。目前，微工廠的鋪層工序仍是通過手工鋪層的方式，一層一層地鋪，在鋪層過程中必須使用參考點(diǎn)和其他措施保證每一層都在正確的位置，按正確順序鋪層。但手動(dòng)鋪層不僅為不合格品的產(chǎn)生留下了隱患，而且還是一個(gè)重復(fù)性的人工密集型工序，因此微工廠目前正研究實(shí)現(xiàn)鋪層工序的自動(dòng)化。

四是燒結(jié)和熔滲。燒結(jié)工藝和熔滲工藝的生產(chǎn)規(guī)模相較于在GE全球研發(fā)中心時(shí)明顯擴(kuò)大。但是僅僅擴(kuò)大規(guī)模是不夠的，還必須找到改進(jìn)工藝的方法。

2013年，GE公司擴(kuò)大了對紐瓦克微工廠的投資，建立精益實(shí)驗(yàn)室，由制造部門和工程部門組成的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)，在開始生產(chǎn)零件之前先確定其制造成熟度等級，在批量生產(chǎn)之前研究出CMC零件的生產(chǎn)工藝并進(jìn)行驗(yàn)證。像紐瓦克微工廠這種集產(chǎn)品研發(fā)和制造為一體的模式，已成為GE制造的一個(gè)發(fā)展方向。

另外，GE公司在俄亥俄州的埃文代爾也有研究CMC的實(shí)驗(yàn)室和工廠，兩種機(jī)構(gòu)以工程化研究和供應(yīng)鏈團(tuán)隊(duì)的形式合作，不僅能夠設(shè)計(jì)零件，還可以制造、測試零件，使實(shí)驗(yàn)室能夠快速了解制造全過程的優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)，并找出CMC材料系統(tǒng)的突出價(jià)值。按GE公司的規(guī)劃，目前正在使用的CMC發(fā)展路線如圖2所示。其中，CMC復(fù)合材料的研發(fā)與生產(chǎn)過程由技術(shù)成熟度/制造成熟度（TRL/MRL）0、3、6和9級劃分為不同區(qū)間，每個(gè)區(qū)間有不同的實(shí)施主體，分別對應(yīng)不同的工作內(nèi)容。

CMC的生產(chǎn)

GE公司采用熔滲（Melt Infiltration，MI）方法進(jìn)行CMC復(fù)合材料制備，其在20世紀(jì)90年代使用的熔滲工藝如圖3所示。

先由NGS先進(jìn)纖維公司生產(chǎn)SiC連續(xù)纖維或尼卡龍（Nicalon）纖維。然后在紐瓦克工廠利用化學(xué)氣相沉積（CVD）技術(shù)在纖維上涂“專有”涂層。然后，將帶涂層的纖維轉(zhuǎn)化成預(yù)制帶，這個(gè)過程與處理碳纖維復(fù)合材料的工藝類似——纖維浸入漿料混合物，使?jié){料黏結(jié)在纖維上，然后將纖維纏繞在鼓筒上，纖維受基體材料環(huán)繞且纖維與纖維之間的距離緊密，得到約9381mm寬、1270mm長、0.17～0.20mm厚的條帶。將條帶切成不同的形狀，把切好的條帶在定形工裝中壘疊，然后送入熱壓罐固化。

圖3 預(yù)制件加工

圖4 CMC的熔滲工藝

將熱壓罐固化后內(nèi)部殘留的所有有機(jī)成分燒光。剩下帶陶瓷涂層SiC纖維制成的多孔柵格結(jié)構(gòu)。再用另一個(gè)爐子，將與零件接觸的硅熔化后進(jìn)入柵格結(jié)構(gòu)，將基體內(nèi)部所有剩余的成分都轉(zhuǎn)化成SiC。熔滲之前是多孔碳基體，熔滲后得到碳化硅基體。雖然基本成分都是碳化硅，但是熔滲后的SiC纖維在基體內(nèi)部，這也是材料有韌性的原因。GE公司現(xiàn)在幾乎能夠生產(chǎn)出完全致密的零件，密度為98%或更高，同時(shí)纖維性能也沒有損失（如圖4所示）。

CMC材料超硬且耐磨，不適合使用傳統(tǒng)刀具加工。GE公司采用的是帶金剛石涂層的、能夠高效大批量切割CMC的刀具，五軸編程和行業(yè)內(nèi)使用的編程相同。除了本工序使用帶有金剛石涂層的刀具外，剩余的工序是普通的機(jī)械加工。

CMC的應(yīng)用

首個(gè)投入使用的CMC零件是LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓渦輪一級外環(huán)，每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)有18個(gè)外環(huán)來引導(dǎo)氣流，保障渦輪葉片的效率。該零件由GE公司阿什維爾工廠制造，同時(shí)該工廠還制造GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室內(nèi)、外襯套和第1級、第2級導(dǎo)向器。

GE公司制造的小型CMC零件有CMC渦輪外環(huán)，周長約為127mm；制造的大型CMC零件有CMC燃燒室襯套，直徑約為813mm，軸向長度203～254 mm。

目前，GE公司認(rèn)為能夠在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中使用CMC的零件如圖5所示，包括燃燒室襯套、外環(huán)、導(dǎo)葉、工作葉片等零件。

圖5 可使用CMC的發(fā)動(dòng)機(jī)零件

CMC零件的大小不同，制備工藝也會(huì)受到影響。對于小尺寸的CMC而言，高溫?zé)峤夂腿蹪B工序不受影響，但是當(dāng)尺寸變小時(shí)，鋪層工序就變得更復(fù)雜。相反，較大尺寸零件的鋪層工序要簡單得多。但是當(dāng)零件過大時(shí)，就需要熔滲更多的硅進(jìn)入零件，這是控制難點(diǎn)。

目前，CMC復(fù)合材料的生產(chǎn)能力面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)：每臺(tái)LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)有18個(gè)CMC渦輪外環(huán)，在配裝波音777X的 GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)中，CMC材料也用在燃燒室和高壓渦輪部分，目前將近有700臺(tái)的GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)訂單，對CMC材料的需求將不斷擴(kuò)大。為了滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)對CMC材料的需求、提高CMC零件生產(chǎn)效率，GE公司目前正在實(shí)驗(yàn)室研究采用增材制造技術(shù)生產(chǎn)CMC零件。另外，碳化硅纖維價(jià)格比碳纖維價(jià)格高100倍，由碳化硅纖維制備的CMC材料價(jià)格更高，有報(bào)道稱每千克上萬美元。因此，如何降低CMC材料的成本也是GE公司未來需要解決的問題。

結(jié)束語

據(jù)GE公司預(yù)測，未來10年航空發(fā)動(dòng)機(jī)對CMC零件的需求量將增長10倍。近年來，GE公司一方面通過“內(nèi)外兼修”的方式，保持CMC材料生產(chǎn)、制造的持續(xù)領(lǐng)先地位；另一方面還積極在美國本土建立CMC的供應(yīng)鏈，以實(shí)現(xiàn)陶瓷基復(fù)合材料從原材料到成品的全過程生產(chǎn)，掌握整個(gè)流程以保證未來航空發(fā)動(dòng)機(jī)所需的最新材料。