航空发动机热端部件扩大陶瓷基复合材料的应用

航空发动机热端部件扩大陶瓷基复合材料的应用

本文由空天防务观察（ID:AerospaceWatch）授权转载，作者：张小伟 中国航空工业发展研究中心 中国航空发动机集团公司

当前，美俄欧主要发动机厂商都在探寻在航空发动机热端使用陶瓷基复合材料。其中，CFM公司配装陶瓷基复合材料（CMC）高压涡轮罩环的Leap-1A民用涡扇发动机，已于2015年5月19日在新的空客A320neo飞机上成功完成了首飞，表明CMC在航空发动机热端部件应用取得新突破。作为CFM公司的50%投资方，美国通用电气公司（GE公司）自2015年以来还在F414军用涡扇发动机上，验证了CMC低压涡轮转子叶片的耐高温和耐久性能，并在GEnx民用涡扇发动机的高压涡轮叶片和燃烧室上开展了一系列试验，进一步验证了CMC在发动机热端部件的应用潜力，彰显了CMC在未来军民用航空发动机的广泛应用前景。 一、CMC技术优势巨大CMC由陶瓷纤维和陶瓷基体组成，具有密度低、硬度高、热稳定性能优异及化学耐受性强等特点，其密度仅为高温合金的1/3，强度为其2倍，能够承受1000℃～1500℃的高温（比高温合金高200℃～240℃），且结构耐久性更好。同时，CMC固有的断裂韧性和损伤容限高，适用于燃气涡轮发动机热端部件，并能在较高的涡轮

进口温度和较少的冷却空气（大于1300℃）下运行，发动机效率和耗油率明显改善。如美国航空航天局（NASA）在“超高效发动机技术”（UEET）项目下，开发CMC发动机热端结构，能承受涡轮进口温度1649℃，冷却需求量比同类高温合金部件减少15%～25%。因此，发动机制造商高度重视CMC技术开发，努力将该材料引入过渡件、燃烧室内衬、喷管导向叶片甚至涡轮转子件等热端部件。碳化硅纤维增强碳化硅（SiC/SiC）和碳纤维增强碳化硅（C/SiC）这两种典型陶瓷基复合材料的主要特征参数（德国弗劳恩霍夫研究所图片）

二、CMC热端部件不断发展成熟1．CMC材料和加工工艺技术不断取得突破自20世纪50年代以来，美国、欧洲等从未停止CMC在燃气涡轮发动机上的尝试，不断推动该材料和加工工艺的技术进步。美国自20世纪80年代以来在CMC技术研究的专项拨款已超过10亿美元，突破了热压烧结、化学气相浸润、聚合物浸渍裂解等材料的制造工艺，以及材料的连续纤维、短纤维、晶须、颗粒等多种形式增强体技术，极大地提高了材料的延性、耐磨性、抗蠕变性，降低了脆性。同时，美国开发并逐渐完善CMC数据库，开展了一些形状简单、工作应力低、次高温的零件设计、制造及验证工作，为热端部件的应用研究打下了坚实基础。俄罗斯在《国家技术基础2007－2011》中，将CMC作为五个材料技术研发

方向之一，开发能在2000℃左右高温下工作的CMC滚动和滑动轴承组件，用于新一代燃气涡轮发动机。2．CMC热端部件即将配装新型航空发动机投产随着CMC材料和工艺技术的不断成熟，制造商寻求用该材料替代高温合金材料制造发动机热端部件，并开展了相关的部件试验。至今，CMC热端部件已进行过100多万小时的循环和耐久性试验，其中包括15000多小时的地面燃气轮机整机试验。美国空军在1989年至2005年的“综合高性能涡轮发动机技术”（IHPTET）计划中，开发的CMC矢量喷管调节片、密封片、低压涡轮静子叶片等高温静子件在F136和F414等发动机演示验证平台上均成功验证。2009年2月，GE公司和罗罗公司联合研制的F136发动机在高空试验台上验证了CMC低压涡轮导向叶片优异性能，设计温度高达1200℃，冷却量需求降低50%；2010年11月，GE公司在F414改进型发动机上试验验证了CMC低压涡轮转子叶片技术。此外，在美国联邦航空局（FAA）的“持续降低能耗和排放”（CLEEN）计划下，波音公司开发了CMC声学排气喷管组件，并于2013年1月在罗罗公司遄达1000发动机上成功完成了73小时的试验。一系列验证平台的试验极大地促进了CMC技术的进步，推动了材料技术的成熟。 GE公司／罗罗公司联合研制的F136发动机采用由陶瓷基复合材料制成的低压涡轮导向叶片，与图中所示的导向叶片类似（GE公司图片）2013年