陶瓷基复合材料在航空发动机的应用

GE公司在F414发动机平台上首次成功试验CMC低压涡轮转子件。

导读：陶瓷基复合材料（CMC）由于其本身耐温高、密度低的优势，在航空发动机上的应用呈现出从低温向高温、从冷端向热端部件、从静子向转子的发展趋势。欧美国家为开发CMC不惜投入大量资源，我国也在这个领域奋起直追。

美国GE公司在其官方网站公布，陶瓷基复合材料（CMC）低压涡轮转子叶片成功完成500h工作循环的耐高温和耐久性验证试验，成为世界上首款通过高应力工况考验的CMC非静子部件，开创了CMC应用到发动机热端转子部件的先河，是航空发动机科技领域具有里程碑意义的创新成果。

材料耐温要求提高

从物理概念讲，航空发动机核心机是由压气机、燃烧室和驱动压气机的涡轮组成，它不断输出具有一定可用能量的燃气，其主要特点是工作环境温度高、压力高、转速高、承受的应力大，因而热端部件所采用的工艺复杂、材料昂贵，其研制成本和研制周期在发动机研制中所占比重大，成为航空发动机研制难点和关键技术最集中部分，体现了航空发动机先进性和复杂性。

在喷气发动机发展历程中，发动机材料耐温能力平均每10年提高10℃。基于大数据挖掘，在不改变涡扇发动机现有构型布局的前提下，航空发动机喷射出的高热气体足以超过传统钛合金、镍基高温合金使用温度的极限，要提升发动机性能，不得不对高温部件采取气冷热障涂层防护等措施。但冷却气流的应用，一方面会减少参与燃烧的空气，降低发动机燃烧效率；另一方面，致使部件结构复杂化，不仅增加了加工难度，而且研制和维护费用也将随之提高，因此依靠创新材料的应用突破，已成为一条根本性的解决途径。

CMC材料具有耐温高、密度低、类似金属的断裂行为、对裂纹不敏感、不发生灾难性损毁等优异性能，有望取代高温合金满足热端部件在更高温度环境下的使用，不仅有利于大幅减重，而且还可以节约甚至无须冷气，从而提高总压比，实现在高温合金耐温基础上进一步提升工作温度400～500℃，结构减重50%～70%，成为航空发动机升级换代的关键热结构用材。

性能特点

传统概念的陶瓷材料通常脆性大、易碎及可靠性低，根本不适合发动机应用。要适合工程应用，需要克服其固有的致命弱点，人工创新出CMC这种全新的复合材料，它基于陶瓷组分，采用高强度、高弹性纤维与成分相同或相近的陶瓷基体相互复合，纤维用以阻止材料中生成的裂纹扩展，从而改善韧性，实践证明此举已成为提高CMC可靠性的有效方法。陶瓷纤维经编织形成预制体，结合后续的陶瓷化工艺获得CMC材料。

依所用陶瓷基体的不同，CMC一般分为氧化物基及非氧化物基两大类。氧化物基CMC的增强材料采用氧化物纤维，基体材料多为高熔点金属氧化物，常用基体有氧化铝（Al2O3）、钇铝石榴石（YAG）、氧化锆（ZrO2）等，主要优点是抗氧化，缺点是抗蠕变性有待提高；非氧化物陶瓷基复合材料，主要采用连续陶瓷纤维（C或SiC）和纤维增韧补强SiC基体材料（C-CMC或SiC-CMC）两种。尤以SiC-CMC为典型代表，本文所提CMC指的就是这一类材料，它不但保持了SiC陶瓷优异的高温力学和良好的抗氧化性能，还克服了韧性差等致命弱点，具有良好的综合性能。

严格按化学计量比的SiC陶瓷纤维具有低密度、抗磨损、高基体强度和最高耐温特性；氧含量低于2%的SiNC纤维50～500丝束，可有效提高1350℃温度下的抗蠕变和化学稳定性能。优质纤维复合的CMC有利于发挥最高的耐温能力和源自其基体的力学性能。

LEAP发动机的高压涡轮罩环采用CMC材料制造。

由连续纤维补强增韧陶瓷基体复合成材的“混搭”组合，类似于“钢筋+混凝土”的优势互补，连续的陶瓷纤维根据需要，可编织成二维（2D）或三维（3D）的“钢筋”骨架（即纤维预制体）、“混凝土”则为骨架周围紧密填充的陶瓷基体材料“水泥”，形成“1+1＞2”的效果，具备高比模、耐高温、抗烧蚀、抗粒子冲蚀、抗氧化和低密度等优势，强度和韧性比SiC单相陶瓷的应变容限提高，且有着仿生学意义上“打断骨头还连着筋”的强韧效果，可有效避免瞬时灾难性损毁破坏的发生。

制备工艺

CMC典型的陶瓷化复合工艺有化学气相渗透法（CVI）、先驱体浸渍热解法（PIP）、浆料浸渍结合热压法（SIHP）和反应性熔体渗透法（RMI）等。其中CVI法可用于基体、界面层和表面涂层制备；RMI法通过熔融的Si或气态Si渗入有适当孔隙的陶瓷纤维预制体内部，通过Si和C反应形成SiC基体，可控制部件内孔洞缺陷发生、达到致密化、实现低成本制备。

采用CVI、PIP工艺，可获得无残留Si的CMC材料，但致密度难以达到90%以上（气孔率低于10%），制备的部件多用于航天领域服役时间短或军用发动机的尾喷部件；而服役生命周期长的航空发动机热端部件需达到98%以上致密度，同时消除残余Si以确保抗蠕变性能。形成的连续纤维增韧补强陶瓷基复合材料（CFCC）从根本上克服了陶瓷脆性大、可靠性差等弱点，进一步开发出自愈合组织的调控，解决纤维与基体间热解碳界面氧化损伤所造成的寿命短等问题，以其优异的强韧性成为新型耐高温、低密度热结构材料发展的主流。

CMC应用于航空发动机热端部件，高温和腐蚀性环境会对其造成损伤，进而降低其性能。需要通过在其表面涂覆环境阻隔涂层（EBC），以阻隔材料组分与外部破坏性因素的反应，进而延长CMC使用寿命。EBC材料组分主要有YSZ（ZrO2+8%Y2O3）、钡长石、莫来石+BSAS/Si等，常采用多层组合涂覆以实现综合防护。

为进一步拓宽CMC在商用航空发动机热端部件上的应用，未来还需进一步完善高温工况下稳定的高性能陶瓷纤维、匹配良好的纤维防护涂层、批产成熟的CMC高致密度复合工艺、自愈合功能组织以及耐久EBC涂层等关键技术。

技术发展

航空发动机核心材料技术门槛高、投入大、周期长，从研制到应用级成熟度常需20～30年。美国20世纪80年代后期就已预测CMC材料将在2020年前后用于航空发动机，此后陆续实施了一系列国家级项目计划，极大地推动并支撑了CMC的技术进步。

美国航空航天局（NASA）针对CMC技术研发，从先进高温发动机材料技术（HITEMP）项目启始，实施过改进高温涡轮发动机技术（IHPTET）、超高效发动机技术（UEET）、通用经济可承受的先进涡轮发动机（VAATE）等大型项目，重点研究了先进材料与结构，其中用于航空发动机的CMC高温部件为其攻关重点。

美国GE公司和法国斯奈克玛公司在CMC的研究及应用领域处于世界领先地位。两国陆续建立了各自的材料制备相关体系，以适应航空发动机喷管、燃烧室和涡轮导向器和涡轮转子等各类构件应用的需求。美国在CMC用于制备航空发动机构件的选型上，做了大量的研究积累，也取得了最为广泛的应用成就。早在20世纪90年代初期，GE公司率先将复材技术用在GE90发动机风扇叶片和机匣上。从2003年起GE就将CMC材料用在工业燃气轮机上，持续服役超过48000h，从燃机用涡轮罩环、燃烧室内衬工程化应用中获得了足够经验，CMC的技术成熟度已足以应用到航空发动机热端部件。GE公司随后在GEnx和LEAP发动机涡轮罩环上开始采用CMC材料。法国率先用于军用航空发动机尾喷管，目前应用已趋成熟。

美国和法国突破民用航空发动机涡轮静子的导向叶片和罩环应用；燃烧室构件完成应用考核，正在向应用转化；低压涡轮转子叶片也成功通过高温长时考核，即将迈入实用。美国和法国以推重比为8～10的航空发动机为演示验证平台，对尾喷管、燃烧室和涡轮三大单元进行了大量考核试验。

中国在“九五”计划下开始启动新一代高性能航空发动机研制，“CVI结合RMI法制备碳化硅陶瓷基复合材料”课题被列入总装“九五”预研计划，要求该课题在“九五”期间完成制备工艺研究，并对CMC-SiC的模拟件在发动机试验台上考核，结果仅用5年时间就实现了由制造工艺研究到构件考核的跨越。中国的航空航天用CMC材料研究，在低成本、高性能、耐高温、长寿命、抗氧化CMC制造工艺技术等方面，总体技术跻身国际先进行列，材料性能基本达到国际水平，为发展国产CMC材料的应用开拓奠定了重大基础。

中国历经20多年自主研发历程，已初步形成与国际对应的材料制备技术体系和相应SiC纤维体系，发展出独到的CMC薄壁复杂构件的制备技术，但是研发的尾喷管、燃烧室和相比的技术成熟度和制造成熟度还不够高，工艺技术有待进一步优化完善，离满足适航审定要求还有一定差距。

应用趋势

国外航空发动机上应用的复合材料，正在从低温向高温，周边冷端向核心热端，军用发动机尾喷系统向商用涡轮、燃烧室方向推进，显示出相当大的应用潜力。已制备或通过试验的部件主要有燃烧室内衬、燃烧室火焰筒、喷口导流叶片、涡轮导向叶片、涡轮罩环及尾喷管部件等，奠定了CMC迈向商用发动机应用的技术基础。

浮壁式火焰筒在制造中不需焊接，在使用中有助于减少裂纹产生的可能性。采用CMC浮壁式火焰筒可减重40％左右，有利于高推重比的实现。当前各国针对下一代先进燃烧室应用，以CMC材料部分取代高温合金，火焰筒就只需极少量的空气冷却支架，浮动瓦块也无须冷却，从而改变空气流量分配，将有效改善燃烧室性能。NASA和GE研制的CMC密封片/调节片已实现产品化，应用到F100、F414、F110、F119等军用发动机中，装试燃烧室火焰筒的CMC内衬也已通过全生命考核验证，进入应用阶段。涡轮叶片工作在燃烧室出口，是发动机中承受热冲击最严重的部件，其耐温能力直接影响高性能发动机推重比的提升。因CMC对减轻涡轮叶片重量和降低涡轮叶片冷气量意义重大，成为先进航空发动机领域的热点研究方向。

从以上发展进程来看，CMC在航空发动机上应用的短期目标为尾喷管、火焰稳定器、涡轮罩环等；中期目标是应用在低压涡轮叶片、燃烧室、内锥体等；远期目标锁定在高压涡轮叶片、高压压气机和导向叶片等应用。

GE公司预测，未来10年CMC的需求将递增10倍。为此，不惜投入巨资增扩建产业基地，以支撑LEAP发动机的CMC部件量产，为GE9X发动机CMC部件供应奠定基础。为保障关键原材料的SiC陶瓷纤维供应，GE还携手斯奈克玛公司和日本碳素公司（Nippon Carbon）一道合资成立NGS公司，以确保障原材料的质量稳定和持久供应。

（高铁，中航商用航空发动机有限责任公司，研究员级高工）

原文刊载于《国际航空》2015年第5期。欢迎分享，请注明出处。

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