航空發(fā)動機(jī)用陶瓷基復(fù)合材料研究進(jìn)展

■ 楊金華 董禹飛 楊瑞 劉虎 程玲 焦健 / 中國航發(fā)航材院

隨著航空發(fā)動機(jī)性能的不斷提高，對于先進(jìn)材料的需求也日趨迫切。近年來，各大發(fā)動機(jī)廠商均加大投入力度，瞄準(zhǔn)新一代耐高溫材料——陶瓷基復(fù)合材料（CMC）。

陶瓷基復(fù)合材料（CMC）由于具備低密度、耐高溫、抗氧化等特性，成為航空發(fā)動機(jī)用高溫材料的熱點。發(fā)動機(jī)的高溫部件主要包括燃燒室、高/低壓渦輪及噴管等，其中高/低壓渦輪部件主要包含導(dǎo)向器葉片、轉(zhuǎn)子葉片及渦輪外環(huán)。在應(yīng)用陶瓷基復(fù)合材料之前，這些部件主要采用高溫合金，其耐溫能力發(fā)展變化如圖1所示[1]。從圖中可以看出，從20世紀(jì)40年代開始，高溫合金的耐溫能力逐漸提升，尤其是在20世紀(jì)40—50年代，鍛造高溫合金的耐溫能力提升明顯，之后處于緩慢提升期，基本上每10年增加約35℃。目前，高溫合金的耐溫極限維持在1100℃附近，而陶瓷基復(fù)合材料的應(yīng)用將發(fā)動機(jī)部件的耐溫能力提升至1200～1350℃，并且陶瓷基復(fù)合材料構(gòu)件質(zhì)量通常為鎳基高溫合金構(gòu)件質(zhì)量的1/4～1/3，不僅可以通過提高構(gòu)件的工作溫度提高燃油經(jīng)濟(jì)性，還可以通過減輕質(zhì)量實現(xiàn)燃油經(jīng)濟(jì)性的提高。

圖1 在拉伸載荷137MPa，持久壽命1000h條件下，材料所能承受的溫度極限[1]

航空發(fā)動機(jī)用陶瓷基復(fù)合材料目前主要包含兩大類：一類是碳化硅纖維增強(qiáng)的碳化硅基復(fù)合材料（SiC/SiC復(fù)合材料），包括衍生出的SiBCN、SiCN基復(fù)合材料等；另一類是氧化物纖維增強(qiáng)的氧化物基復(fù)合材料（OX/OX復(fù)合材料），主要是氧化鋁纖維增強(qiáng)的氧化鋁基復(fù)合材料。這兩類復(fù)合材料的特點有所不同，SiC/SiC復(fù)合材料主要特點是密度低（密度為2.1～2.8 g/cm3）、耐高溫（1200～1350℃可長時使用），主要應(yīng)用于發(fā)動機(jī)高溫?zé)岫瞬考?，如燃燒室、?低壓渦輪等；OX/OX復(fù)合材料長時耐溫能力約為1150℃，略低于前者，其密度通常在2.5～2.8 g/cm3，其與SiC/SiC復(fù)合材料相比的優(yōu)勢之一是成本相對較低，主要應(yīng)用于發(fā)動機(jī)的噴管及小型發(fā)動機(jī)的高溫部位。SiC/SiC復(fù)合材料的主要制備工藝包括化學(xué)氣相滲透（CVI）工藝、聚合物浸漬裂解（PIP）工藝及熔融滲硅（MI）工藝；OX/OX復(fù)合材料的主要制備工藝包括漿料浸漬法與溶膠-凝膠法。

SiC/SiC復(fù)合材料

各大發(fā)動機(jī)公司均投入大量研發(fā)力量，將陶瓷基復(fù)合材料應(yīng)用于發(fā)動機(jī)領(lǐng)域。在SiC/SiC復(fù)合材料方面，GE公司從20世紀(jì)80年代末就開始預(yù)浸料-熔滲工藝制備SiC/SiC復(fù)合材料技術(shù)攻關(guān)，經(jīng)歷20世紀(jì)90年代的工藝探索階段、大規(guī)模驗證階段（2000—2015年），目前已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段（2016年至今）。GE公司采用的預(yù)浸料-熔滲工藝制備SiC/SiC復(fù)合材料技術(shù)，只需不到30天的時間即可將SiC纖維轉(zhuǎn)化為任何形狀的成品。為了將陶瓷基復(fù)合材料應(yīng)用于發(fā)動機(jī)，GE公司進(jìn)行了大量的試驗，包括力學(xué)性能測試、力學(xué)結(jié)合環(huán)境性能測試、實驗室極端環(huán)境試驗、高溫高壓高流速模擬燃燒室環(huán)境試驗、演示樣機(jī)部件試驗、裝機(jī)試驗等，所有試驗加起來的測試試驗時數(shù)超過100萬h。GE公司先后考核了渦輪外環(huán)、燃燒室火焰筒、渦輪導(dǎo)向葉片、低壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片等構(gòu)件，其中最先進(jìn)入商業(yè)化批產(chǎn)的是CFM國際公司LEAP發(fā)動機(jī)的一級高壓渦輪外環(huán)。LEAP-1A發(fā)動機(jī)是空客A320neo飛機(jī)的兩款備選發(fā)動機(jī)方案之一，在2015年11月通過了歐洲航空安全局（EASA）與美國聯(lián)邦航空局（FAA）的聯(lián)合適航認(rèn)證。LEAP-1B發(fā)動機(jī)作為波音737MAX的唯一可選發(fā)動機(jī)于2017年服役，之后是國產(chǎn) C919飛機(jī)的LEAP-1C發(fā)動機(jī)。GE公司還將SiC/SiC復(fù)合材料制成的燃燒室、高壓渦輪導(dǎo)向葉片及高壓渦輪外環(huán)應(yīng)用到了GE9X發(fā)動機(jī)上（見圖2），該發(fā)動機(jī)為波音777X提供動力，并且SiC/SiC復(fù)合材料在GE9X上的應(yīng)用為LEAP發(fā)動機(jī)的升級換代提供了技術(shù)基礎(chǔ)，這些SiC/SiC復(fù)合材料構(gòu)件應(yīng)用到LEAP發(fā)動機(jī)后，使得每架飛機(jī)每10年能夠節(jié)省100萬美元的燃油費[1]。此外，2021年5月GE公司首臺自適應(yīng)變循環(huán)發(fā)動機(jī)XA100完成測試，該發(fā)動機(jī)廣泛應(yīng)用了陶瓷基復(fù)合材料，將為美國六代機(jī)提供動力。

圖2 GE9X發(fā)動機(jī)應(yīng)用的SiC/SiC復(fù)合材料部件

賽峰集團(tuán)于20世紀(jì)80年代開始采用CVI工藝制備SiC/SiC復(fù)合材料，先后發(fā)展出CERASEP A373、CERASEP A400、CERASEP A410、CERASEP A415、CERASEP A416等多個牌號，這些牌號的區(qū)別主要在于纖維類型、基體類型及材料性能有所不同。賽峰集團(tuán)研發(fā)材料主要基于開發(fā)三維增強(qiáng)體以降低二維編織對分層的敏感性，以及開發(fā)自愈合基體以避免表面涂層保護(hù)等兩項關(guān)鍵技術(shù)。賽峰集團(tuán)之所以選用CVI技術(shù)主要是基于該公司前期化學(xué)氣相沉積制備C/C復(fù)合材料研發(fā)及工程化方面的經(jīng)驗，并且CVI工藝同時可以實現(xiàn)界面層沉積和基體致密化的功能，對于設(shè)備要求相對單一。此外，CVI工藝還可以調(diào)整每一層的組成，從而實現(xiàn)結(jié)構(gòu)調(diào)控。CERASEP A410已經(jīng)進(jìn)行了燃燒室火焰穩(wěn)定器的測試評估。采用多軸力學(xué)性能臺架測試，并考慮了實際應(yīng)用環(huán)境中的典型切向和軸向載荷，評估了CERASEP A410應(yīng)用于火焰穩(wěn)定器的可行性。之后，進(jìn)行了低周疲勞循環(huán)測試，在進(jìn)行了一個典型循環(huán)次數(shù)的測試后，未檢測到損壞。此外，還開展了143h熱循環(huán)測試，最高測試溫度為1180℃，無損檢測未檢測到任何缺陷。CERASEP A415在航空發(fā)動機(jī)燃燒室襯套上已完成第一次試驗，模擬考核歷時180h（600次的典型循環(huán)數(shù)），其中包括100h的最高測試條件，實現(xiàn)了商用發(fā)動機(jī)火焰筒的全尺寸組件的設(shè)計和制造，并在常壓環(huán)境下對其進(jìn)行了評估[2]。制備的轉(zhuǎn)子葉片、混合器及中心錐等部件在CFM56發(fā)動機(jī)上進(jìn)行了地面試車考核，并且噴管部件還在A320、A380等飛機(jī)上進(jìn)行了飛行驗證，其中采用CVI工藝制備的SiC/SiC復(fù)合材料中心錐（見圖3）于2015年取得適航認(rèn)證，并開展了為期兩年的飛行驗證，并計劃于2022年前后開展轉(zhuǎn)子葉片的驗證試驗。為加強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料研發(fā)力量，賽峰集團(tuán)于2018年11月成立了賽峰航空陶瓷技術(shù)公司，該公司位于波爾多航空園核心地帶，將致力于陶瓷基復(fù)合材料的基礎(chǔ)研發(fā)與生產(chǎn)，為發(fā)動機(jī)提供質(zhì)輕耐高溫的復(fù)合材料。

圖3 賽峰集團(tuán)研制的中心錐

羅羅公司于2015年收購了位于美國加州的海寶（Hypertherm）高溫復(fù)合材料股份有限公司，該公司主要采用CVI+MI工藝制備SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料密封片，并計劃在2025年前后將噴管、渦輪外環(huán)整環(huán)部件等應(yīng)用于發(fā)動機(jī)。此外，羅羅公司的“超扇”（UltraFan）發(fā)動機(jī)將采用耐高溫的陶瓷基復(fù)合材料部件以提高燃燒效率。

普惠公司于2000年前后開始研制陶瓷基復(fù)合材料，前期重點在PIP工藝制備SiC/SiC復(fù)合材料與OX/OX復(fù)合材料。普惠公司認(rèn)為陶瓷基復(fù)合材料應(yīng)用于靜止件中的價值不高，因此將把陶瓷基復(fù)合材料應(yīng)用的工作重點放在渦輪轉(zhuǎn)子葉片和燃燒室上。2010年，普惠加拿大公司在PW200系列旋翼航空器發(fā)動機(jī)中測試了陶瓷基復(fù)合材料逆流（reverseflow）燃燒室，相對于高溫合金，實現(xiàn)了在高功率下NOx降低30%，在低功率下CO降低20%的效果。普惠公司于2019年年底宣布在美國加利福尼亞州建立一個陶瓷基復(fù)合材料研發(fā)基地，并計劃于2027年在阿什維爾建立陶瓷基復(fù)合材料渦輪葉片生產(chǎn)中心，將陶瓷基復(fù)合材料應(yīng)用到燃燒室內(nèi)襯、葉片、噴管和其他部件。

美國國家航空航天局（NASA）開發(fā)出N22、N24-A、N24-B、N24-C、N26等5種SiC/SiC復(fù) 合 材 料，使 用溫度分別可以達(dá)到1204℃（N22）、1315℃（N24）及1427℃（N26）。N22采用Sylramic纖維進(jìn)行增強(qiáng)，N24與N26采用Sylramic-iBN進(jìn)行增強(qiáng)，N22與N26基體采用CVI+MI工藝制備，N26采用CVI+PIP工藝制備。在NASA環(huán)境責(zé)任航空（ERA）項目中，為了降低發(fā)動機(jī)的NOx排放、減少油耗及噪聲，將陶瓷基復(fù)合材料及環(huán)境障涂層應(yīng)用于燃燒室、高壓渦輪導(dǎo)向葉片及中心錐部件。NASA主要致力于研發(fā)SiC/SiC火焰筒、高壓渦輪導(dǎo)向葉片等高溫部件，并在前期開展了導(dǎo)向葉片葉身結(jié)構(gòu)的考核試驗，同時致力于研發(fā)相應(yīng)的耐1482℃的環(huán)境障涂層體系。

日本IHI公司采用積木式驗證方法開發(fā)陶瓷基復(fù)合材料航空發(fā)動機(jī)部件，主要采用“化學(xué)氣相沉積+固相浸漬+前驅(qū)體浸漬裂解”工藝制備SiC/SiC復(fù)合材料；2010—2012年完成了SiC/SiC 導(dǎo)向葉片的設(shè)計、制備與裝配，并通過了IM270燃?xì)廨啓C(jī)超過400h的考核驗證[3]；2016年完成了SiC/SiC 低壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片的設(shè)計，并完成了摩擦磨損、轉(zhuǎn)動等試驗[4]。

OX/OX復(fù)合材料

與SiC/SiC復(fù)合材料相比，OX/OX復(fù)合材料的應(yīng)用偏少，主要集中在發(fā)動機(jī)的噴管部位（中溫/中載件）。目前，在OX/OX復(fù)合材料應(yīng)用/考核方面開展工作的主要有GE公司、羅羅公司、索拉透平公司（Solar Turbine）以及美國空軍。

2010年，GE公司與復(fù)合材料地平線公司（Composites Horizons）簽訂合同，后者為其“通行證”（Passport）20發(fā)動機(jī)提供氧化物復(fù)合材料的整流罩、排氣混合器和中心錐，如圖4所示。搭載該型發(fā)動機(jī)的“環(huán)球” 7000和“環(huán)球” 8000公務(wù)機(jī)于2016年通過FAA 認(rèn)證，實現(xiàn)了氧化物復(fù)合材料的首次商業(yè)化應(yīng)用。這些部件采用的是Nextel 720纖維增強(qiáng)的氧化鋁復(fù)合材料，僅排氣混合器就為Passport 20發(fā)動機(jī)減輕約20kg質(zhì)量。GE公司稱，與同級別的發(fā)動機(jī)相比，采用氧化物復(fù)合材料的Passport 20發(fā)動機(jī)減少了8%的耗油率，同時滿足航空環(huán)境保護(hù)委員會（CAEP）制定的CAEP/6 NOx排放標(biāo)準(zhǔn)及第4階段噪聲要求。此外，在軍用航空發(fā)動機(jī)方面，目前在產(chǎn)F414發(fā)動機(jī)的噴管二級封嚴(yán)片采用了陶瓷基復(fù)合材料。根據(jù)GE公司的說法，F(xiàn)414發(fā)動機(jī)先后采用過兩種陶瓷基復(fù)合材料來制造二級封嚴(yán)片，首先是碳化硅纖維增強(qiáng)碳陶瓷基復(fù)合材料（SiC/C），然后是氧化鋁-莫來石陶瓷纖維增強(qiáng)氧化鋁-氧化硅陶瓷基復(fù)合材料。2011年生產(chǎn)的F414發(fā)動機(jī)開始安裝OX/OX復(fù)合材料制造的封嚴(yán)片。

圖4 Passport 20發(fā)動機(jī)采用的OX/OX復(fù)合材料整流罩、排氣混合器和中心錐

羅羅公司也在積極推進(jìn)陶瓷基復(fù)合材料在發(fā)動機(jī)噴管中的應(yīng)用。在NASA的ERA項目的支持下，設(shè)計和測試了一個排氣混合器，由ATK-COI陶瓷公司提供的Nextel 610 氧化鋁纖維增強(qiáng)硅酸鋁基復(fù)合材料制成。制造的全尺寸件提供給NASA 格倫研究中心在AE3007發(fā)動機(jī)上進(jìn)行性能測試，技術(shù)水平達(dá)到技術(shù)成熟度（TRL）6。

在FAA發(fā)起的持續(xù)低能耗、低排放和低噪聲（CLEEN）計劃技術(shù)發(fā)展與創(chuàng)新項目的支持下，波音公司研制了一個氧化物陶瓷基復(fù)合材料噴管及中心部件，其中噴管與發(fā)動機(jī)連接部分的直徑為1.6m，中心部件的長度為2.3m，它們?nèi)坑蒒extel 610氧化鋁纖維增強(qiáng)硅酸鋁基復(fù)合材料制成。這些組件針對羅羅公司的遄達(dá)1000發(fā)動機(jī)設(shè)計，并于2014年在波音787客機(jī)上進(jìn)行飛行測試。

2003年開始由ATK-COI陶瓷公司制備的OX/OX復(fù)合材料燃燒室襯套（外襯套）在工業(yè)用燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)Centaur 50S 上進(jìn)行了外場考核。該構(gòu)件尺寸為直徑76cm、寬20cm、厚度0.7cm，表面帶有一層氧化物的脆性級配隔熱涂層（FGI），承受燃燒室最大應(yīng)力為76MPa，最高表面溫度為1150℃。在試驗12582h/63次點火后，該構(gòu)件結(jié)構(gòu)保持完好，僅有個別區(qū)域有輕度損傷，ATK-COI陶瓷公司對構(gòu)件修復(fù)后將繼續(xù)進(jìn)行試驗，最終完成了109循環(huán)/25404h的考核。

據(jù)報道，美國空軍計劃在CH-47支奴干運輸直升機(jī)的排氣管及AH-64阿帕奇武裝直升機(jī)的排氣噴管上采用OX/OX復(fù)合材料部件來替代現(xiàn)有金屬部件，以達(dá)到減輕質(zhì)量，降低成本，增加航程的目的。

結(jié)束語

隨著航空發(fā)動機(jī)性能的不斷提升，對于高溫材料的需求也日益迫切。陶瓷基復(fù)合材料作為體現(xiàn)未來航空發(fā)動機(jī)先進(jìn)性的關(guān)鍵技術(shù)之一，將會受到越來越多的關(guān)注。我國在陶瓷基復(fù)合材料設(shè)計、復(fù)雜構(gòu)件成型、高效率低損傷加工、耐更高溫度的環(huán)境熱障涂層及可磨耗涂層、無損檢測及標(biāo)準(zhǔn)、復(fù)合材料與金屬件的連接與裝配及考核驗證等方向需進(jìn)一步加大研發(fā)力度，以實現(xiàn)該類材料在國產(chǎn)發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用。