NASA陶瓷基復合材料導葉制備技術(shù)的發(fā)展

陶瓷基復合材料（CMC）兼具金屬、陶瓷和碳等材料的優(yōu)點。美國國家航空航天局（NASA）作為美國航空領(lǐng)域的先行者和引領(lǐng)者，資助CMC渦輪導葉相關(guān)技術(shù)的研究，并將其推廣應用至航空發(fā)動機熱端部件。

陶瓷基復合材料（CMC）是以陶瓷為基體與各種纖維復合的一類復合材料。碳化硅陶瓷基復合材料（CMC-SiC）兼具金屬材料、陶瓷材料和碳材料的優(yōu)點，具有材料結(jié)構(gòu)一體化和多尺度特征，綜合性能優(yōu)異，是目前應用最成功的輕質(zhì)高溫結(jié)構(gòu)復合材料，可用于發(fā)動機燃燒室、渦輪和噴管等熱端部件，被普遍視為發(fā)動機高溫結(jié)構(gòu)材料的技術(shù)制高點。近年來，由美國國家航空航天局（NASA）資助，在超高效發(fā)動機技術(shù)（UEET）計劃和環(huán)境負責航空（ERA）項目中，研究了CMC渦輪導葉及環(huán)境障涂層（EBC）的設(shè)計、制造與檢測等技術(shù)，并形成了眾多專利成果。

CMC渦輪導葉的設(shè)計

在UEET計劃中，由普惠公司主導，設(shè)計開發(fā)了燃氣輪機用碳化硅陶瓷基復合材料的渦輪導向葉片。該渦輪導向葉片采用的設(shè)計基準是普惠公司的FT-8航改燃氣輪機，輸出功率為27kW，天然氣轉(zhuǎn)化為電能的使用效率為37%。

CMC渦輪導向葉片的主要設(shè)計過程包括機械設(shè)計、空氣熱力學設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計。其中，機械設(shè)計要從以下幾個方面考慮：可制造性（可編織、易致密化）、熱壓力、壓力產(chǎn)生的機械應力、EBC的應用、密封性、易于裝配、可靠性和成本。在設(shè)計過程中的主要難點是陶瓷和金屬制件的熱膨脹系數(shù)不匹配問題。在初步設(shè)計階段，設(shè)計了兩種導葉結(jié)構(gòu)。一種為一體化導葉設(shè)計，即導葉全部采用CMC材料；另一種為半一體化式導葉，即緣板采用金屬材料，葉身采用CMC材料，并從可制造性方面對二者進行了評估。因為一體化導葉存在熱應力高和難制造問題，所以選擇了半一體化導葉設(shè)計，如圖1所示。半一體化導葉包括內(nèi)部金屬加強桿和外部CMC殼體，金屬加強桿起到支撐和引入冷卻氣體的作用，同時減少層間拉應力，CMC殼體承載熱載荷。

圖1 UEET項目中設(shè)計的半一體化導葉

CMC渦輪導葉成形方法

Y形編織布成形方法

UEET計劃支持開發(fā)了一種特殊的制備碳化硅纖維Y形織物方式，如圖2所示。這種織物最先由NASA格倫研究中心開發(fā)并在具有恒定橫截面的渦輪導向葉片上驗證，主要用于制備排氣邊尖端。Y形編織的設(shè)計目的是為了解決導葉排氣邊的制造難題，強化排氣邊高應力區(qū)，同時在導葉的其余區(qū)域提供纖維結(jié)構(gòu)。這種纖維結(jié)構(gòu)已在其他的渦輪發(fā)動機CMC部件中經(jīng)過了完整的驗證。（2D）平紋編織，纖維密度為0.8束/mm。在Y形織物的末端，雙纖維束的經(jīng)紗分開形成了兩個五緞紋布平面，單個纖維束在周向和軸向方向間距均為0.8纖維束/mm，形成Y形織物的尖排氣邊。將Y形織物纏繞在一個內(nèi)部石墨芯軸上。因為每層預浸料的厚度約為0.25mm，為了保證最終導葉的尺寸滿足設(shè)計要求，內(nèi)部石墨芯軸的尺寸大小要留有1.52mm的工具間隙，以實現(xiàn)最終的6層構(gòu)造。完成預浸料分層纏繞疊接后，使用真空加壓袋將其壓實并干燥，然后將整個組件放入鋁制壓實工裝中形成導葉的外部近凈成形形狀。烘干預浸料后，將預制體從鋁制工裝中移除，并修整排氣邊。 最后基體采用化學氣象滲透（CVI）/漿料鑄造/熔滲工藝進行基體滲透（如圖3所示）。具體的纏繞方式在不同的研究中也有所不同，在文卡特·韋杜拉（Venkat Vedula）等的研究中，有兩種不同的纏繞方式，如圖4所示。

圖2 渦輪導向葉片尾部邊緣用的Y形織物

圖3 制造態(tài)的CMC導葉分元件

圖4 CMC葉型結(jié)構(gòu)的卷層鋪放示意

Y形織物的接頭部分是二維

圓管預制體成形方法

在US7687016B1專 利 中，詹姆斯·迪卡洛（James Dicarlo）等用Sylramic纖維編織成3層、直徑50mm的2D管狀結(jié)構(gòu)，并在管中放入導葉形狀的石墨芯棒，然后將二者放入高溫氮氣條件下使纖維轉(zhuǎn)化為SylramiciBN纖維。最終的結(jié)果不僅是將所有纖維轉(zhuǎn)化為Sylramic-iBN纖維，而且在移除芯棒后，管狀結(jié)構(gòu)預制體永久變?yōu)閷~形狀。因此，對于復雜結(jié)構(gòu)預制件，這個專利可用于同時改善Sylramic碳化硅纖維和預制件，實現(xiàn)部件成形，并且結(jié)構(gòu)中不存在殘余彈性應力。

增材制造方法

在純非金屬渦輪發(fā)動機增材制造研究中，邁克爾·哈爾比格（Michael Halbig）等 使 用ExOne公司的M-Flex打印機對碳化硅陶瓷和CMC進行黏結(jié)劑噴射打印。第一階段，在粉末床中填充碳化硅粉末，首先制備非增強材料。第二階段，將碳化硅纖維添加到粉末床的粉末混合物中，制成纖維增強CMC。研究中，該團隊成功采用黏結(jié)劑噴射增材制造方法對兩種不同設(shè)計和尺寸的渦輪發(fā)動機導葉零件的制造進行了演示，打印了不同尺寸的渦輪葉片：一個較大尺寸的冷卻雙聯(lián)導葉高壓渦輪導向器扇形段和兩個較小尺寸的一級導向器扇形段（如圖5所示）。

圖5 冷卻雙聯(lián)導葉的兩個較小一級導向器扇形段和兩個高壓渦輪導向器扇形段

CMC導葉EBC技術(shù)

美國的EBC涂層目前已經(jīng)發(fā)展到了第三代，均結(jié)合具體部件的研究同步開發(fā)。NASA在推進材料快速研究（HSR-EPM）計劃中成立了NASAGE-普惠涂層研發(fā)團隊，結(jié)合燃燒室襯套開發(fā)了可以在高速、高壓燃燒環(huán)境中保護CMC的涂層，即耐溫1300℃的第一代硅/莫來石+鋇鍶鋁硅酸鹽（BSAS）EBC結(jié)構(gòu)；在UEET計劃中進一步開展研究，開發(fā)了第二代EBC，表面能夠承受1482℃的溫度，EBC/CMC的界面耐受溫度為2400℃的稀土硅酸鹽涂層；同樣在UEET計劃中研發(fā)了第三代復合EBC，表面耐溫1650℃，黏結(jié)層體系耐溫1482℃，并且結(jié)合先進渦輪葉片應用，這種多層涂層結(jié)合了熱障涂層的特征，旨在使EBC和EBCCMC體系隔熱，因此也被命名為熱環(huán)境障涂層（TEBC），如圖6所示。

圖6 NASA耐1650℃的復合EBC體系

圖7 制造有EBC的導葉

CMC導葉的測試與評估

CMC導葉的測試

在UEET項目中，NASA格倫研究中心負責CMC導葉分元件的研制與測試，制造了CMC葉型。GE公司和古德里奇（Goodrich）公司分別使用Sylramic-iBN纖維制備了導葉，使用了UTRC開發(fā)的4層（硅/莫來石/BSAS/莫來石）EBC結(jié)構(gòu)，并用NASA的高壓燃燒室試驗臺（HPBR）模擬渦輪工作環(huán)境進行了測試。整體測試結(jié)果顯示該復合材料有潛力用作葉片材料。

在ERA項目中，基于Hi-Nicalon Type S纖維評估了兩種不同的碳化硅纖維強化的碳化硅基復合材料生產(chǎn)方法。GE公司使用0° / 90°單向帶鋪層，采用預浸料熔滲（MI）工藝制造，纖維體積約為21%；Hyper-Therm公司使用5股線束緞紋編織織物作為加強相，采用化學氣相滲透（CVI）工藝制造，纖維體積約為35%。使用這兩種方法制成了簡單的葉型結(jié)構(gòu)（如圖8所示）。設(shè)計的簡化導葉形狀采用了一些具有挑戰(zhàn)性的加工特性，如加強肋部分、尖排氣邊半徑和不同的壁厚。進行機械和熱力性能試驗后，CVI導葉的基體密度降低，MI導葉的彎曲強度損失。對導葉進行測試的設(shè)備是HPBR試驗設(shè)備，能夠在模擬發(fā)動機狀態(tài)中準確評估涂層和CMC體系。

圖8 簡化的導葉試驗件圖解輪

CMC導葉的無損評估

在UEET項目和ERA項目中，對燃燒測試試驗后的CMC導葉進行無損檢測的設(shè)備是工業(yè)計算機斷層（CT）掃描儀。UEET項目中的CT掃描儀采用線性陣列探測器，X射線源能量為420KeV。雖然使用線性陣列探測器掃描整個葉片的時間約為12h，但是與平板陣列相比信噪比非常高。掃描的空間為0.5mm，光圈為0.3mm。將測得的原始數(shù)據(jù)構(gòu)建成184張750×750像素的圖片（如圖9所示），并根據(jù)圖片創(chuàng)建了三維模型。利用工業(yè)CT檢測方法可以快速、直觀地發(fā)現(xiàn)材料的損傷。但CT圖像給出的是CMC的密度變化分布，據(jù)此確定缺陷的位置、形狀，對缺陷類型（如孔隙、裂紋、分層等）的判斷，則需要結(jié)合其他的無損檢測方法。

圖9 經(jīng)過燃燒測試試驗后CMC葉型橫截面的CT掃描圖

結(jié)束語

從NASA資助的研究項目可以看出，在材料成熟的基礎(chǔ)上，導葉的研究與EBC的開發(fā)是同步的，因為在發(fā)動機環(huán)境中模擬或研究導葉時必須有涂層來防止導葉的退化。NASA采用的渦輪導葉仍為空心導葉分元件，且在其相關(guān)的報告中也提到了CMC渦輪導葉的連接技術(shù)發(fā)展，這說明先制作導葉分元件，再將其與緣板連接是一種有發(fā)展前景的工藝路線。