SiCf/SiC陶瓷基復(fù)合材料在地面燃?xì)廨啓C(jī)上的應(yīng)用

何 磊，尹 萍，汪 超(上海電氣燃?xì)廨啓C(jī)有限公司， 上海 200240)

燃?xì)廨啓C(jī)性能的不斷提升得益于材料和冷卻技術(shù)的提升，目前工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的熱端部件材料經(jīng)過了幾十年的發(fā)展，材料從鍛造和鑄造的鎳基和鈷基多晶合金發(fā)展成鑄造定向晶和單晶[1]。從1950年之后，材料耐受溫度約每10年提升35 ℃，增速較慢。陶瓷基復(fù)合材料(Ceramic Matrix Composites, CMC)一直被認(rèn)為是高溫合金的理想替代材料，CMC使得燃?xì)廨啓C(jī)熱部件的使用溫度能夠提升150 ℃以上，相當(dāng)于高溫合金數(shù)十年的發(fā)展。此外，由于金屬材料已接近使用極限，只能靠陶瓷熱障涂層和越來越復(fù)雜的冷卻通道設(shè)計(jì)來提升耐受溫度，這給設(shè)計(jì)和加工帶來了極大的難度，提高了成本。

為降低陶瓷材料的脆性，在陶瓷材料中引入增強(qiáng)相，形成陶瓷基復(fù)合材料，能夠有效提高陶瓷材料的強(qiáng)度和韌性。增強(qiáng)相一般有顆粒、晶須、連續(xù)纖維等幾種，其中以連續(xù)纖維作為增強(qiáng)相的CMC表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性和耐久性，具有類似金屬的拉伸斷裂行為，對(duì)裂紋和缺口不敏感，是作為結(jié)構(gòu)件的理想材料[2]。在這一類CMC中，連續(xù)SiC纖維增強(qiáng)的SiC陶瓷基復(fù)合材料(SiCf/SiC)具有優(yōu)異的力學(xué)性能和綜合性能，能夠滿足燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行的高溫、水氧腐蝕、燃?xì)鉀_刷的環(huán)境要求。

CMC應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)，可以顯著提高燃?xì)廨啓C(jī)的性能，例如提高透平入口溫度，減少冷卻氣的使用，從而降低NOx和CO的排放，提升整機(jī)效率[2]。而效率的不斷提升是燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)發(fā)展的目標(biāo)，使用CMC材料能夠使得燃?xì)廨啓C(jī)效率得到變革性的提高。本文介紹了目前SiCf/SiC CMC的纖維發(fā)展和復(fù)合材料制備方法，以及材料在燃?xì)廨啓C(jī)中的應(yīng)用情況，并對(duì)CMC在燃?xì)廨啓C(jī)上的應(yīng)用難點(diǎn)進(jìn)行了分析。

1 SiCf/SiC陶瓷基復(fù)合材料介紹

SiCf/SiC陶瓷基復(fù)合材料主要由三部分組成：SiC纖維、SiC基體和纖維-基體的界面。界面相目前普遍采用BN或者BN與PyC(Pyrolytic Carbon)的組合，下面主要介紹纖維和基體制備的研究進(jìn)展。

1.1 國內(nèi)外SiC纖維的發(fā)展情況

20世紀(jì)70年代，日本的Yajima[3]用先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法制備了SiC纖維。如今國際上SiC纖維已經(jīng)發(fā)展到了第三代，主要的生產(chǎn)商為日本的碳公司(Nippon Carbon)、日本宇部興產(chǎn)(Ube Industries)、COI陶瓷等公司。碳公司的纖維牌號(hào)依次為Nicalon、Hi-Nicalon和Hi-Nicalon Type S；宇部興產(chǎn)的纖維牌號(hào)依次為Tyranno Lox-M、Tyranno ZMI和Tyranno SA 1-3；COI陶瓷的纖維牌號(hào)依次為Sylamic、Sylamic iBN[4]。

20世紀(jì)80年代，國內(nèi)以國防科技大學(xué)為首的高校開始研究SiC纖維，主要參考日本三代纖維的開發(fā)路線。目前國防科技大學(xué)開發(fā)的三代SiC纖維分別為KD-Ⅰ、KD-Ⅱ、KD-SA，其性能分別接近日本碳公司的Nicalon, Hi-Nicalon和宇部興產(chǎn)的Tyranno SA[5]。

在成果轉(zhuǎn)化方面，國防科技大學(xué)與蘇州賽力菲集團(tuán)合作，于2010年實(shí)現(xiàn)了第一代連續(xù)SiC纖維的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，碳化硅纖維產(chǎn)品以“賽力菲-SLF”(Cerafil)為商品名進(jìn)行銷售[6]；之后國防科技大學(xué)在2016年與寧波眾興新材料科技有限公司合作，于2017年10月完成了國內(nèi)首條10 t級(jí)第二代連續(xù)SiC纖維量產(chǎn)生產(chǎn)線的驗(yàn)收。

此外，廈門大學(xué)從2002年開始進(jìn)行SiC纖維的研究，2013年廈門大學(xué)與福建火炬電子科技股份有限公司合作成立福建立亞特陶有限公司，目前正在努力實(shí)現(xiàn)第三代SiC纖維的產(chǎn)業(yè)化。由此可見，國內(nèi)的SiC產(chǎn)業(yè)已具有一定規(guī)模，產(chǎn)業(yè)鏈也日趨完善。

1.2 國內(nèi)外SiCf/SiC復(fù)合材料的制備進(jìn)展

在SiC基體制備上，國外研究單位中通用電氣(GE)和美國國家航空航天局(NASA)等單位具備豐富的制備經(jīng)驗(yàn)，建立了完整的材料體系，下面將以這兩家單位的材料體系為例，介紹SiCf/SiC復(fù)合材料的制備。

1.2.1 SiCf/SiC復(fù)合材料制備方法介紹[7]

SiCf/SiC復(fù)合材料的制備工藝經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)趨于成熟，主要包括化學(xué)氣相滲透(Chemical Vapor Infiltration，CVI)工藝、聚合物先驅(qū)體浸漬裂解(Polymer Infiltration and Pyrolysis，PIP)工藝和熔體浸滲(Melt Infiltration，MI)工藝,介紹如下：

1)CVI工藝方法為氣相先驅(qū)體滲入纖維預(yù)制體內(nèi)部并高溫裂解，在纖維表面沉積獲得SiC基體。優(yōu)點(diǎn)是對(duì)纖維的損傷小，SiC基體純度高，晶型完整；缺點(diǎn)是沉積速率低，制造周期長(zhǎng)，成本高，復(fù)合材料孔隙率高。

2)PIP工藝方法為用聚合物有機(jī)先驅(qū)體溶液浸漬纖維預(yù)制體，再經(jīng)高溫裂解得到SiC基體，浸漬和裂解過程需重復(fù)多次。優(yōu)點(diǎn)是處理溫度低，基體成分均勻，能夠制備復(fù)雜大尺寸構(gòu)件；缺點(diǎn)是陶瓷產(chǎn)率低，基體存在大量收縮裂紋和孔洞，孔隙率高。

3)MI工藝方法為將液態(tài)硅或者硅合金通過毛細(xì)管作用滲入纖維預(yù)制體中，纖維預(yù)制體已預(yù)先填充SiC與碳的混合粉，硅與碳反應(yīng)生成SiC基體并填充剩余孔隙。優(yōu)點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單，反應(yīng)速度快，制備周期短，致密化程度高；缺點(diǎn)是處理溫度高，會(huì)損傷纖維，而且復(fù)合材料中會(huì)有硅的殘留，影響材料性能。

1.2.2 GE SiCf/SiC復(fù)合材料制備方法[8]

GE主要以MI法為主，具體的材料制備工藝又分為Prepreg MI和Slurry cast MI兩種，Prepreg MI法是GE在美國能源部的支持下研發(fā)的，Slurry cast MI法是GE和NASA等機(jī)構(gòu)在NASA的HSCT項(xiàng)目下研發(fā)的。圖1為這兩種工藝的流程示意圖。

圖1 Prepreg MI和Slurry cast MI工藝示意圖

Prepreg MI工藝流程為：首先通過化學(xué)氣相沉積(Chemical Vapor Deposition, CVD)在纖維束表面制備一層BN涂層和Si3N4涂層(保護(hù)BN涂層)，然后在纖維束上均勻裹上以黏結(jié)劑結(jié)合的SiC和C混合粉末，之后通過濕鼓纏繞編織(Wet Drum Welding)得到2D纖維布，纖維布層疊得到復(fù)合物預(yù)制體(或直接編織成3D形狀)，預(yù)制體經(jīng)過滲硅得到復(fù)合材料。

Slurry cast MI工藝流程為：首先將纖維束編織成2D纖維布，再層疊得到預(yù)制體或者直接編織成3D纖維預(yù)制體，然后通過CVI法在纖維表面形成BN涂層。之后再沉積一層SiC層用來保護(hù)BN，此時(shí)預(yù)制體仍保持較高的孔隙率。之后用含有SiC和C的漿料注入預(yù)制體，經(jīng)過滲硅完成基體的致密化。

1.2.3 NASA SiCf/SiC復(fù)合材料制備方法[9]

GE制備復(fù)合材料使用的纖維以Hi-Nicalon為主，NASA則以COI陶瓷的Sylramic纖維為主。材料制備流程在GE的Slurry cast MI法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，所以前面的工藝流程與GE Slurry cast MI基本一致。圖2為NASA制備SiCf/SiC復(fù)合材料的基本工藝流程，未包含最后一步的致密化工藝。在不斷的工藝改進(jìn)中，NASA將致密化工藝由MI法改進(jìn)為PIP法，提升了材料最高使用溫度。

圖2 NASA制備SiCf/SiC復(fù)合材料的基本工藝流程(不含致密化工藝)

NASA一共制備了3個(gè)溫度系列的SiCf/SiC復(fù)合材料，按照最高使用溫度分別命名為N22(2 200 °F，即1 204 ℃)、N24(2 400 °F，即1 315 ℃)、N26(2 600 °F，即1 427 ℃)。從N22到N24，纖維由Sylramic變?yōu)镾ylramic-iBN，Sylramic-iBN纖維是將Sylramic纖維放置在氮?dú)庵刑幚?，使得纖維中的B擴(kuò)散至纖維表面并原位生成BN層，纖維的力學(xué)性能得到提升，材料的耐受溫度也得以提高。由于硅(熔點(diǎn)1 410 ℃)的存在限制了材料的最高使用溫度，所以到N26時(shí)將MI改進(jìn)為PIP工藝，消除了硅的存在，將材料使用溫度提升到硅熔點(diǎn)以上。

1.2.4 國內(nèi)的SiCf/SiC復(fù)合材料的研究進(jìn)展

西北工業(yè)大學(xué)開展的SiC基復(fù)合材料的研究相對(duì)較早[10]，制備方法以CVI法為主，并在前期研究基礎(chǔ)上，開發(fā)出了“CVI+PIP”混合工藝，大幅縮短了構(gòu)件的制備周期。2011年3月由西北工業(yè)大學(xué)牽頭成立了西安鑫垚陶瓷復(fù)合材料有限公司，位于西安閻良，這是目前我國唯一一家以陶瓷基復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)化為目的的高新技術(shù)企業(yè)，主要負(fù)責(zé)高性能SiC陶瓷基復(fù)合材料在剎車和航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化。同時(shí)，西安鑫垚公司牽頭成立了陶瓷基復(fù)合材料制造技術(shù)國家工程研究中心，進(jìn)一步構(gòu)建我國陶瓷基復(fù)合材料的產(chǎn)學(xué)研用技術(shù)創(chuàng)新體系。

國防科技大學(xué)在國內(nèi)率先開創(chuàng)了先驅(qū)體浸漬裂解法(PIP)制備陶瓷基復(fù)合材料的工藝，解決了CMC復(fù)合工藝中的多維編織物液相浸漬、裂解轉(zhuǎn)化和構(gòu)件成型等關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)對(duì)傳統(tǒng)PIP技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，采用特種樹脂作為先驅(qū)體，并運(yùn)用BN多層纖維-基體界面等工藝，有效克服了傳統(tǒng)PIP存在的先驅(qū)體陶瓷產(chǎn)率低、復(fù)合材料孔隙率高、制備周期長(zhǎng)和成本較高等缺點(diǎn)[11-12]。

上海硅酸鹽研究所在SiCf/SiC復(fù)合材料的制備工藝方面開展了一些探索性的研究，原料方面采用了日本以及國產(chǎn)的SiC纖維，工藝方面則主要采用CVI+MI，并結(jié)合了泥漿浸漬(SI)等工藝[13]。其他單位，如航空工業(yè)復(fù)合材料中心和北京航空材料研究院，主要以PIP工藝與MI工藝為主[14]。

2 SiCf/SiC陶瓷基復(fù)合材料的應(yīng)用情況

用陶瓷材料替代高溫合金是一個(gè)歷史性的變革，需要大量的測(cè)試來支撐這一改變。地面燃?xì)廨啓C(jī)以SiCf/SiC復(fù)合材料作為熱部件材料，主要應(yīng)用在燃燒室和透平兩個(gè)部位，國內(nèi)在這方面沒有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，研究工作主要集中在美國和歐洲。根據(jù)公開信息，CMC應(yīng)用的主要部件為燃燒室襯套(Combustor Liners)和透平導(dǎo)流環(huán)(Turbine Shroud)。大部分的應(yīng)用工作都是在美國政府機(jī)構(gòu)的資助下進(jìn)行的，參與者有GE、西門子(Siemens)、索拉透平(Solar Turbines)和一些科研機(jī)構(gòu)，其中GE和Siemens共同參與到燃燒室襯套的應(yīng)用測(cè)試中，只是Siemens使用的材料為Oxide/Oxide CMC，在這里不作過多介紹。CMC的應(yīng)用思路是先從臺(tái)架模擬測(cè)試開始，測(cè)試完成之后，為了降低風(fēng)險(xiǎn)，先在小功率燃?xì)廨啓C(jī)上進(jìn)行掛片測(cè)試，最后在大型燃?xì)廨啓C(jī)電廠進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)掛片測(cè)試。目前和地面燃?xì)廨啓C(jī)相關(guān)的SiCf/SiC復(fù)合材料構(gòu)件的應(yīng)用工作絕大部分由GE公司完成，因此下文主要介紹GE公司應(yīng)用CMC的進(jìn)展。

2.1 SiCf/SiC CMC用于透平導(dǎo)流環(huán)

2.1.1 透平轉(zhuǎn)子導(dǎo)流環(huán)臺(tái)架測(cè)試

1998-1999年，GE公司以GE 7FA級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)(160 MW)的透平第一級(jí)導(dǎo)流環(huán)為目標(biāo)，首先開展采用Prepreg MI SiCf/SiC材料制備的透平導(dǎo)流環(huán)進(jìn)行高溫持久和熱循環(huán)測(cè)試[15]，測(cè)試溫度約為1 200 ℃，圖3為該臺(tái)架測(cè)試的示意圖。臺(tái)架設(shè)計(jì)時(shí)燃燒室襯套使用的是有冷卻的不銹鋼金屬材料，但是在1 170 ℃下測(cè)試，僅僅工作20 h，200次熱循環(huán)后該金屬襯套就失效了，導(dǎo)致測(cè)試中止。后來制備了兩個(gè)SiCf/SiC燃燒室襯套，測(cè)試溫度為1 490 ℃，使用200 h和250個(gè)熱循環(huán)后仍未失效。圖4所示為金屬部件和Prepreg MI SiCf/SiC制備部件服役后照片。

圖3 CMC透平導(dǎo)流環(huán)臺(tái)架測(cè)試的示意圖

圖4 金屬部件和Prepreg MI SiCf/SiC制備部件服役后照片

2.1.2 GE-2小型燃?xì)廨啓C(jī)掛片測(cè)試

在臺(tái)架測(cè)試成功之后，開展了小功率燃?xì)廨啓C(jī)掛片測(cè)試，使用GE-2小型燃?xì)廨啓C(jī)，功率為2 MW，測(cè)試部件為透平第1級(jí)和第2級(jí)導(dǎo)流環(huán)[16]。由于該機(jī)型非常小，因此導(dǎo)流環(huán)可以做成一個(gè)整環(huán)(如圖5所示的透平第1級(jí)和第2級(jí)導(dǎo)流環(huán))。所有的導(dǎo)流環(huán)運(yùn)行了超過1 000 h，包括約50次啟停，沒有任何故障的跡象。

圖5 GE-2透平第1級(jí)(左)和第2級(jí)導(dǎo)流環(huán)(右)

2.1.3 7FA大型燃?xì)廨啓C(jī)電廠現(xiàn)場(chǎng)掛片考核

基于臺(tái)架和小型燃?xì)廨啓C(jī)測(cè)試的結(jié)果，對(duì)CMC透平導(dǎo)流環(huán)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)后重新開展了臺(tái)架測(cè)試，并在GE 7FA燃?xì)廨啓C(jī)電廠進(jìn)行彩虹掛片測(cè)試(Rainbow Test)。圖6從左向右依次展示的是用于掛片測(cè)試的原金屬透平導(dǎo)流環(huán)、不帶EBC涂層的SiCf/SiC CMC透平導(dǎo)流環(huán)和帶EBC涂層的SiCf/SiC CMC透平導(dǎo)流環(huán)。在燃?xì)廨啓C(jī)工作環(huán)境下，CMC在高溫環(huán)境中形成的SiO2易與高溫水蒸氣反應(yīng)生成揮發(fā)性的Si(OH)4，使得SiCf/SiC CMC表面穩(wěn)定性急劇惡化，從而導(dǎo)致材料失效[17]。通過在SiCf/SiC CMC表面涂覆環(huán)境障涂層(Environmental Barrier Coatings, EBC)，能夠使得CMC與水蒸氣隔離，阻止材料表面退化，提高SiCf/SiC CMC的可靠性。

圖6 7FA金屬導(dǎo)流環(huán)，不帶EBC的CMC導(dǎo)流環(huán)和帶EBC的CMC導(dǎo)流環(huán)

對(duì)7FA CMC透平導(dǎo)流環(huán)進(jìn)行了三個(gè)階段的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。7FA機(jī)型第1級(jí)透平共有96塊導(dǎo)流環(huán)，整個(gè)導(dǎo)流環(huán)直徑為2.4 m。在第一階段測(cè)試中，96塊金屬導(dǎo)流環(huán)中只有9塊替換為SiCf/SiC CMC，其中6塊是用Prepreg MI法制備的，3塊是用Slurry cast MI法制備的，安裝位置如圖7所示。該測(cè)試是在2002年12月到2003年8月期間在美國佛羅里達(dá)州南部的燃?xì)廨啓C(jī)電廠開展的，并定期進(jìn)行內(nèi)窺鏡觀察，以監(jiān)測(cè)CMC導(dǎo)流環(huán)和EBC涂層的狀況。CMC導(dǎo)流環(huán)在1 250 ℃下運(yùn)行5 366 h后的情況如圖8所示，從圖中可以看出雖然EBC有剝落，但是基體完好。經(jīng)過后續(xù)的分析和性能測(cè)試，Prepreg MI法制備的SiCf/SiC CMC性能更好，因此后續(xù)用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的導(dǎo)流環(huán)都采用這個(gè)方法制備[18]。

圖7 用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的9個(gè)CMC導(dǎo)流環(huán)

圖8 第一階段現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試后CMC導(dǎo)流環(huán)

第二階段的測(cè)試從2006年4月開始，并仍在進(jìn)行中[19]，測(cè)試在美國佛羅里達(dá)州的燃?xì)廨啓C(jī)電廠進(jìn)行?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，透平第1級(jí)全部96塊導(dǎo)流環(huán)均采用CMC材料，并均采用Prepreg MI法制備，如圖9所示。該階段測(cè)試的主要目的是獲取由于使用CMC導(dǎo)流環(huán)，減少冷卻空氣所帶來的機(jī)組性能提升的相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖9 安裝過程中的CMC導(dǎo)流環(huán)

第三階段的測(cè)試從2011年2月到2014年11月，在美國德克薩斯州的燃?xì)廨啓C(jī)電廠進(jìn)行。在此期間，CMC導(dǎo)流環(huán)累計(jì)實(shí)際運(yùn)行時(shí)間21 740 h，這是燃?xì)廨啓C(jī)中任何CMC部件連續(xù)使用的世界紀(jì)錄，啟停次數(shù)達(dá)到126次。同時(shí)進(jìn)行了許多先進(jìn)EBC涂層的測(cè)試，驗(yàn)證了幾種更長(zhǎng)壽命的EBC涂層體系。

2.2 SiCf/SiC CMC用于燃燒室襯套

2.2.1 燃燒室襯套臺(tái)架測(cè)試

GE公司在開展透平導(dǎo)流環(huán)測(cè)試工作的同時(shí)，使用Prepreg MI 制備的SiCf/SiC燃燒室襯套的設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試也在進(jìn)行[15-16]。在前面透平導(dǎo)流環(huán)的臺(tái)架測(cè)試中已經(jīng)驗(yàn)證了小尺寸的燃燒室襯套的可行性，但是滿足實(shí)際燃燒室運(yùn)行要求的襯套尺寸很大，因此需進(jìn)行大尺寸襯套的臺(tái)架測(cè)試。最初燃燒室襯套的臺(tái)架測(cè)試是模擬GE 5E級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室，全尺寸的燃燒室直徑為28 cm，長(zhǎng)91 cm，這個(gè)尺寸超過了當(dāng)時(shí)CMC材料制備設(shè)備的能力。因此設(shè)計(jì)了一個(gè)如圖10所示的CMC-金屬復(fù)合實(shí)驗(yàn)臺(tái)架，使用兩段長(zhǎng)度為25 cm的襯套，剩余長(zhǎng)度部分使用金屬襯套。每部分CMC的冷卻程度不一樣，便于同時(shí)測(cè)試不同工作溫度和熱梯度下材料的性能。臺(tái)架運(yùn)行超過150 h，雖然臺(tái)架測(cè)試溫度約1 480 ℃，但未冷卻部位溫度僅到1 100 ℃，冷卻部位溫度約880 ℃。兩個(gè)CMC襯套均未出現(xiàn)損傷。

圖10 臺(tái)架測(cè)試用5E級(jí)CMC/金屬復(fù)合燃燒室

2.2.2 小型燃?xì)廨啓C(jī)掛片測(cè)試

臺(tái)架測(cè)試成功之后開展了基于小型燃?xì)廨啓C(jī)的現(xiàn)場(chǎng)掛片測(cè)試。這個(gè)時(shí)候正好出現(xiàn)了一個(gè)測(cè)試機(jī)會(huì)，美國能源部(DOE)和索拉公司聯(lián)合推出了一個(gè)陶瓷固定燃?xì)廨啓C(jī)項(xiàng)目(CSGT)，GE后續(xù)的測(cè)試工作就在這個(gè)項(xiàng)目中進(jìn)行[20]。用于進(jìn)行CMC部件測(cè)試的索拉Centaur 50S燃?xì)廨啓C(jī)，其透平第1級(jí)動(dòng)葉燃?xì)馊肟跍囟?TRIT)為1 010 ℃，輸出功率約為4 MW，使用貧預(yù)混SoLoNOx燃燒器，將燃燒室襯套材料由Hastelloy X替換為CMC材料。圖11所示為索拉Centaur 50S CMC燃燒室襯套示意圖，燃燒室的內(nèi)襯和外襯均由CMC材料制作。

圖11 索拉Centaur 50S CMC燃燒室襯套示意圖

圖12為SiCf/SiC CMC制備的燃燒室內(nèi)外襯套，其中燃?xì)馔ǖ烂嫱扛擦薊BC涂層。自2003年Siemens參與這個(gè)項(xiàng)目之后，燃燒室的內(nèi)外襯套分別采用SiCf/SiC CMC和Oxide/Oxide CMC制作。

圖12 SiCf/SiC CMC燃燒室內(nèi)外襯套

從1997年5月首次測(cè)試到2006年11月測(cè)試結(jié)束，安裝CMC襯套的燃?xì)廨啓C(jī)一共經(jīng)歷了三個(gè)階段的測(cè)試，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間超過88 000 h。其中SiCf/SiC CMC內(nèi)襯的最長(zhǎng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試持續(xù)時(shí)間為15 144 h，經(jīng)歷了92次啟停。測(cè)得的NOx和CO排放量分別小于15 mL/L和10 mL/L。

2.2.3 7FA大型燃?xì)廨啓C(jī)電廠掛片測(cè)試

GE開展了大型7FA機(jī)型燃燒室的設(shè)計(jì)和制造，該燃燒室襯套長(zhǎng)102 cm，頭端直徑47 cm，出口端漸縮至直徑35 cm，如圖13所示。然而，為了將資源集中到透平導(dǎo)流環(huán)的測(cè)試上，GE停止了該燃燒器襯套的進(jìn)一步開發(fā)和測(cè)試[19]。

圖13 7FA機(jī)型CMC燃燒器襯套

2.3 應(yīng)用小結(jié)

目前CMC的應(yīng)用測(cè)試都是在形狀簡(jiǎn)單的靜止件上，面對(duì)形狀復(fù)雜的轉(zhuǎn)動(dòng)件，其可靠性仍需大量測(cè)試。而且，由于基體中的殘硅和EBC涂層黏結(jié)層中的硅的熔化，當(dāng)前MI-CMC和EBC系統(tǒng)的使用溫度上限是1 410 ℃。未來的發(fā)展方向是在不影響機(jī)械性能和環(huán)境性能的前提下取出游離硅，或者是制備出不含游離硅的材料。

3 總結(jié)和展望

從1940年開始，人們就計(jì)劃將CMC應(yīng)用在燃?xì)廨啓C(jī)上，幾十年的研究和測(cè)試取得了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究成果首先在LEAP和GE9X的發(fā)動(dòng)機(jī)上得到商業(yè)化應(yīng)用，用于內(nèi)外燃燒室襯套、高壓透平的第1級(jí)和第2級(jí)導(dǎo)向器等部件[19]。CMC在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的成功應(yīng)用意味著CMC替代高溫合金成為未來地面燃?xì)廨啓C(jī)高溫部件材料的發(fā)展趨勢(shì)。

經(jīng)過多年努力，國內(nèi)SiCf/SiC CMC材料性能和整體研究水平已接近或達(dá)到國際先進(jìn)水平，目前已經(jīng)具備構(gòu)件研制和小批量生產(chǎn)能力，但缺乏SiCf/SiC CMC在燃?xì)廨啓C(jī)上應(yīng)用和測(cè)試的經(jīng)驗(yàn)，距離真正投入使用還需要開展大量的工作，并且面臨著一系列技術(shù)難題，主要困難如下：

1)高性能SiC纖維的批量生產(chǎn)能力不足。國外的第三代SiC纖維早就完成了產(chǎn)業(yè)化，國內(nèi)才剛剛完成第二代纖維的產(chǎn)業(yè)化，穩(wěn)定生產(chǎn)能力還有待驗(yàn)證。

2)復(fù)雜形狀CMC構(gòu)件的設(shè)計(jì)和制備缺乏經(jīng)驗(yàn)。用CMC替代高溫合金需要對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，這涉及燃?xì)廨啓C(jī)多項(xiàng)參數(shù)的修改、CMC與金屬的匹配性、壽命評(píng)估等復(fù)雜問題。而且復(fù)雜形狀的CMC構(gòu)件需要特殊的纖維編織工藝或者成型工藝，制備完成的CMC構(gòu)件需進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估。這需要豐富的燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和材料測(cè)試經(jīng)驗(yàn)。

3)系統(tǒng)協(xié)調(diào)統(tǒng)籌能力不足。SiCf/SiC CMC材料的纖維昂貴，界面涂層和基體的制備成本也較高，CMC從材料測(cè)試到構(gòu)件性能測(cè)試、臺(tái)架測(cè)試乃至掛片考核都需要多家單位參與，是一項(xiàng)耗時(shí)、耗財(cái)?shù)南到y(tǒng)工程，尤其是現(xiàn)場(chǎng)掛片測(cè)試需要電廠的參與和配合。

總體來說，在CMC材料技術(shù)開發(fā)方面，我國與國外先進(jìn)技術(shù)之間的差距在逐漸縮小，但在CMC材料應(yīng)用開發(fā)方面，我們落后于國外較多，因此需要加強(qiáng)統(tǒng)籌，集合高校、研究機(jī)構(gòu)、燃?xì)廨啓C(jī)制造廠和電廠等單位，盡早開展這方面應(yīng)用開發(fā)工作，在材料開發(fā)和測(cè)試上積累經(jīng)驗(yàn)，以縮短與國外的差距。