加快復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展 助力國產(chǎn)航空動力研制

■ 焦健 / 中國航發(fā)航材院

“材料是航空發(fā)動機(jī)研制的基礎(chǔ)，發(fā)動機(jī)性能的改進(jìn)一半靠材料”。隨著航空發(fā)動機(jī)部件向著輕質(zhì)化、耐高溫、高可靠性的方向發(fā)展，大量采用性能優(yōu)異的復(fù)合材料已是必然之選。例如，樹脂基復(fù)合材料因其具有高比強(qiáng)度、高比模量、優(yōu)良的耐疲勞及耐腐蝕性能，可廣泛用于發(fā)動機(jī)冷端部件（如機(jī)匣、風(fēng)扇葉片、短艙等）；金屬基復(fù)合材料則融合了陶瓷高強(qiáng)度、耐磨損和金屬材料的高韌性等性能優(yōu)勢，可用于壓氣機(jī)葉環(huán)、渦輪軸等部件；陶瓷基復(fù)合材料在采用陶瓷纖維對陶瓷基體進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)增韌后，克服了陶瓷脆性大、對裂紋敏感等不足，使其具有類似金屬的“假塑性”斷裂行為，其密度僅為傳統(tǒng)高溫合金的1/4～1/3，而耐溫能力則高出約200℃，在減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量和提高燃燒效率方面具有無可比擬的優(yōu)勢，尤其適用于發(fā)動機(jī)燃燒室、渦輪、噴管等熱端部件。

目前，先進(jìn)的航空發(fā)動機(jī)無不大量使用各類復(fù)合材料，如推力最大的GE9X商用發(fā)動機(jī)，采用樹脂基復(fù)合材料制備的風(fēng)扇葉片厚度薄、質(zhì)量輕、數(shù)量少，使風(fēng)扇運(yùn)行更高效，耗油率大幅降低；而可用作美國第六代戰(zhàn)斗機(jī)提高動力的XA100自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動機(jī)，其關(guān)鍵技術(shù)之一即是在熱端部件大量使用了輕質(zhì)耐溫的陶瓷基復(fù)合材料，由此奠定了GE公司在軍用發(fā)動機(jī)競爭中的優(yōu)勢地位。

對標(biāo)國際先進(jìn)水平，復(fù)合材料在國產(chǎn)發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用范圍和占比均存在較大差距，嚴(yán)重制約了發(fā)動機(jī)性能的提升。為加快航空發(fā)動機(jī)用復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展，建議從以下幾個方面突破。

一是大力推進(jìn)材料制造與部件設(shè)計的深度融合，創(chuàng)新管理辦法，建立聯(lián)合研發(fā)團(tuán)隊，形成長效聯(lián)動機(jī)制，增強(qiáng)協(xié)同攻關(guān)能力，實現(xiàn)制造工藝和設(shè)計技術(shù)水平的雙向提升。

二是建立完善發(fā)動機(jī)復(fù)合材料譜系和性能數(shù)據(jù)庫，進(jìn)一步梳理材料體系，優(yōu)選牌號類型，系統(tǒng)開展“積木式”驗證試驗，明確測試評價與考核驗證方法，掌握復(fù)合材料損傷失效模式，建立復(fù)合材料構(gòu)件的設(shè)計準(zhǔn)則。

三是系統(tǒng)策劃全產(chǎn)業(yè)鏈布局，持續(xù)推進(jìn)關(guān)鍵原材料（如陶瓷纖維）的性能優(yōu)化升級，并推動關(guān)鍵制造工藝裝備的國產(chǎn)化，確保自主保障能力，同步發(fā)展低成本短周期制造技術(shù)、高效精密加工技術(shù)、復(fù)合材料連接裝配技術(shù)、高性能涂層技術(shù)、檢測評價技術(shù)等，形成多管齊下、齊頭并進(jìn)的發(fā)展局面，實現(xiàn)航空發(fā)動機(jī)用復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)鏈的全貫通和全覆蓋。