商用航空發(fā)動機陶瓷基復合材料部件的研發(fā)應用及展望

1、商用航空發(fā)動機陶瓷基復合材料部件的研發(fā)應用及展望商用航空發(fā)動機是航空產業(yè)的重要支柱，隨著氣動熱力學、結構力學和材料科學的飛速發(fā)展，大涵道比渦扇發(fā)動機向著低油耗、低排放、低噪聲、易維護、高可靠、長壽命等高效能方向發(fā)展，已成為先進商用航空發(fā)動機的研發(fā)目標?；诖髷祿诰?，在不改變渦扇發(fā)動機現有布局的前提下，要達成上述性能指標，依靠創(chuàng)新材料和新穎構型成為根本性的解決途徑。 近半個世紀以來商用航空發(fā)動機技術，尤其是燃燒室技術的進步，發(fā)動機的推重比得到了顯著提高，飛機的性能因此得以大幅提升。隨著終端用戶對飛行航程和速度要求的不斷提高，對發(fā)動機高推力、高推重比要求的同時，減少NOx和CO排放等環(huán)保指標也越

2、來越苛刻，導致發(fā)動機的增壓比、渦輪前溫度、燃燒室溫度以及轉速也必須不斷提升。就材料而言，當前高效航空發(fā)動機噴射出高熱氣體足以達到傳統(tǒng)鈦合金、鎳基高溫合金使用溫度的極限，現有合金材料方案無法完全滿足下一代先進發(fā)動機設計對耐熱的需求，在實際應用中，不得不對高溫部件采取氣冷以及熱障涂層防護等措施。但冷氣的應用一方面會減少燃燒空氣，降低發(fā)動機燃燒效率；另一方面，使部件結構復雜化，不僅增添了加工難度，且研制和維護費用也隨之提高。 高性能航空發(fā)動機追求不斷提升渦輪前溫度，對熱端部件用材的高溫強度、抗腐蝕性及抗氧化性能要求也越來越高，推重比1520發(fā)動機的渦輪前溫度將達到1927/2200K，耐溫高、密度低

3、、有類金屬的斷裂行為、對裂紋不敏感、不發(fā)生災難性的損毀等優(yōu)異性能的陶瓷基復合材料（Ceramic Matrix Composite，CMC）取代高溫合金，滿足熱端部件在更高溫度環(huán)境下使用，不僅有益于大幅減重，還可節(jié)約冷氣甚至無需冷卻，從而提高總壓比（Overall Pressure Ratios,OPR），實現在高溫合金耐溫基礎上進一步提升工作溫度400500，結構減重50%70%，勢必成為高推比航空發(fā)動機的關鍵熱結構用材1。 陶瓷基復合材料由連續(xù)纖維增韌補強陶瓷基體，具有低密度、高硬度、耐熱和耐化學氣氛，加之其固有的性能，在廣泛的領域，如航空發(fā)動機熱端

4、結構件、尾噴系統(tǒng)以及內燃機應用中，被視為取代高溫合金、實現減重增效 “升級換代材料”之首選。 商用航空發(fā)動機與軍機不同，更注重長壽命、高可靠性、易維護、環(huán)保型、經濟性等指標，通過采用更多新材料、新結構、新工藝，同時滿足嚴格的適航認證，才能投入商用。 陶瓷基復合材料在大涵道比商用航空發(fā)動機的應用已呈快速增長趨勢，被認同為高新技術，是反映一個國家航空航天高端制造業(yè)水平、關系國家安全的新型戰(zhàn)略性熱材料。CMC歷經30余年的研發(fā)，已開始進入商業(yè)市場，以空客為例，從A320到A320neo的飛發(fā)換裝，借助CMC在內的復合材料應用，有望提高發(fā)動機燃效15。我國大客發(fā)動機動力處在追趕先進的研制階段

5、，不遠的將來，將推出裝配具有自主知識產權CMC部件的國產長江系列商用航空發(fā)動機。 商用航空動力之爭先進發(fā)動機 波音和空客是國際著名飛機制造商的兩大巨頭，幾乎壟斷了中、大型商用飛機的國際市場。在新一代窄體機中，除了波音737MAX、空客A320neo之外，近年還接連涌現了中國商飛C919， 巴航工業(yè)E-Jet E2、龐巴迪C系列和俄羅斯MS21等新生力量。 目前商用航空發(fā)動機市場基本由GE、P&W、R-R和CFM壟斷，俄羅斯和中國在積極努力參入，該領域的技術進步直接推動著整個航空業(yè)的升級換代。 其中，CFM是GE和SAFRAN（法國賽峰）集團旗下SNECMA（斯奈克瑪）公司對半

6、合資成立的公司，已向波音和空客提供了2.5萬余臺中型客機用噴氣發(fā)動機。其經典之作CFM-56是全球裝機最多的一款發(fā)動機產品，堪稱傳奇。針對新支線的換裝，將推出LEAP（Leading Edge Aviation Propulsion）作為替代產品參與競爭，并將成為CMC應用的首款商用航空發(fā)動機面世2。 空客于2010年12月1日正式啟動A320neo項目，該項目與波音稍后啟動的737MAX項目一樣，重點是換裝新型發(fā)動機。與737MAX不同，A320neo有兩款備選發(fā)動機，分別是P&W的PW1100G-JM和CFM的LEAP-X1A。 事實上，只有A320n

7、eo項目有兩款發(fā)動機型號供選擇，其他客機項目都只選擇了唯一的發(fā)動機供應商：龐巴迪C系列、三菱重工MRJ、伊爾庫特MS-21和巴航工業(yè)下一代E-Jets選擇了PW1000G系列，737MAX和中國商飛的C919則選擇了CFM的LEAP-X發(fā)動機。 因此A320neo的發(fā)動機是P&W和CFM唯一針鋒相對的市場，總計近2500架的龐大訂單也給這場動力之爭增添了更多火藥味。起始于20世紀80年代的窄體客機的動力之爭，伴隨著多年來的技術發(fā)展，比拼已進入一個全新的階段。CFM和P&W選擇了兩條不同的技術升級路線。PW1100G-JM以齒輪傳動見長；LEAP-X則在復合材料應用上下足功夫，也

8、成就其一大亮點。PW1100G-JM發(fā)動機采用傳統(tǒng)的金屬材料制造，而LEAP-X發(fā)動機則憑借采用更多復合材料應對。相比現役發(fā)動機，盡管LEAP-X和PW1100G都大幅增加了風扇尺寸和涵道比，但CFM公司把更多精力放在發(fā)動機熱效率的提高上，P&W公司則著重提高發(fā)動機的推進效率。兩家都宣稱，自己下一代發(fā)動機比現役A320產品的油耗將降低15%。按每加侖2.5美元計，每架飛機一年就可節(jié)省百萬美金的航油費，換發(fā)效益可觀。 CFM公司和P&W公司各憑借其“二十年磨一劍”的技術優(yōu)勢開啟了未來數十年的競爭，目前兩家斬獲的發(fā)動機訂單數量基本上旗鼓相當。 CMC陶瓷基復合材料 傳統(tǒng)概念的陶瓷材

9、料通常易碎、脆性大及可靠性差，不適合發(fā)動機應用。為了工程應用需克服其固有的致命弱點，人工創(chuàng)新出CMC這種全新的復合材料，它基于陶瓷組分，采用高強度、高彈性的纖維與成分相同或相近的基體復合，纖維用以阻止材料中裂紋的擴展，從而改善韌性，實踐證明已成為提高CM可靠性的一個有效方法。復合后的陶瓷材料兼具優(yōu)良的強度和韌性，強韌化方式有“納米晶粒增韌”、“原位自生增韌”、“仿生結構增韌”和“增強體增韌”4種3。 替代高溫合金作為發(fā)動機高溫結構部件用材料，CMC具有諸多優(yōu)勢：（1）SiC/SiC密度為2.42.6g/cm3，僅相當于高溫合金1/3程度，可有效降低結構重量；（2）耐溫、能承受更高的工作溫度，減

10、少或省去冷卻氣體，從而提升渦輪效率；（3）可減少為降溫而設置的附加結構，簡化發(fā)動機結構設計；（4）因為冷卻氣流更少和燃燒室溫度更高，燃燒將更為充分，排放氣體中的CO和NOx的量更少，尾氣更為潔凈；（5）葉片可以有更高旋轉速率，有益于更大推力；（6）高比強、高比模、高硬度、耐磨損、耐腐蝕；（7）高溫抗氧化、抗燒蝕，具有高溫熱穩(wěn)定的耐久性能；（8）熱膨脹系數、熱導率高，纖維和基體間熱應力小。 因此，對裂紋不敏感，可避免災難性損毀等優(yōu)異特性的CMC，能實現更長的使用壽命，被認定為21世紀航空航天等高溫部件最有希望的應用材料，成為航空發(fā)動機應用的一個發(fā)展趨勢。 依所用陶瓷基體不同，CMC一般為氧化物基

11、及非氧化物基兩大類。CMC組元纖維的化學成分多采用與基體相同或相近的材料構成。氧化物CMC，增強材料采用氧化物纖維，基體材料多為高熔點金屬氧化物，常用基體有氧化鋁（Al2O3）、釔鋁石榴石（YAG）、氧化鋯（ZrO2）等；非氧化物陶瓷基復合材料，主要采用陶瓷纖維（C或SiC）和纖維增韌補強SiC材料（C/SiC或SiC/SiC）兩種。尤其是SiC/SiC，不但保持了SiC陶瓷優(yōu)異的高溫力學性能和良好的抗氧化性能，還克服了韌性差等致命弱點。氧化鋁基纖維主要優(yōu)點是抗氧化，缺點是抗蠕變性差；碳化硅陶瓷纖維則具有良好的綜合性能，但使用溫度有待進一步提高。 CMC典型的制備方法有：化學氣相浸透（

12、0;Chemical Vapor Infiltration，CVI）法、先驅體浸滲熱解（ Polymer Impregnation and Pyrolysis，PIP）法、漿料浸漬結合熱壓（Slurry Impregnation and Hot Pressing，SIHP）法和反應性熔體滲透（ Reactive Melt Infiltration，RMI）法等。其中CVI法可用于基體、界面層和表面涂層制備；RMI工藝通過熔融的Si或氣態(tài)Si滲入有適當孔隙的陶瓷纖維預

13、制體內部，通過Si 和C反應形成SiC基體，對控制部件內空洞缺陷發(fā)生、達到致密、實現低成本制備有益。 采用CVI、PIP工藝，可獲得無殘留Si的CMC材料，但致密度難以達到90%以上（氣孔率低于10%），制備的部件多用于航天領域服役時間短或軍機的尾噴部件；而服役長壽命的航空發(fā)動機熱端部件，需達到98%以上致密度，同時消除殘余Si以確保抗蠕變性能，通常采用上述工藝與熔滲（RMI）相結合，所獲得的CMC耐溫水平高，較比當前通用的高溫合金“單晶+涂層+冷卻”組合，其耐溫能力提升400以上，已成為新一代航空發(fā)動機用材的趨勢選擇。世界各技術先進國家都把它為推動航空發(fā)動機重大進化作用的高新材料，

14、而加以重點開發(fā)和應用。 連續(xù)纖維作為一種“增強體”，能最大限度地抑制陶瓷缺陷的體積效應，有效偏折裂紋、消耗纖維拔出的斷裂能，從而發(fā)揮纖維增韌和補強作用，強韌化效果最好。所形成的連續(xù)纖維增韌補強陶瓷基復合材料（Continuous Fiber Ceramic Matrix Composite，CFCC）從根本上克服了陶瓷脆性大和可靠性差的弱點，加之自愈合組織形成和應用，使其具備有類金屬的斷裂行為，對裂紋不敏感，不致發(fā)生災難性損毀等特征。優(yōu)異的強韌性使其成為新型耐高溫、低密度熱結構材料發(fā)展的主流，連續(xù)纖維增韌碳化硅CMC是目前研究最多、應用最廣泛的CMC材料

15、，在航空發(fā)動機領域具有廣闊的應用前景4。 應用于航空發(fā)動機熱端部件，高溫和腐蝕性環(huán)境會對CMC造成損傷，進而降低其性能。需要通過在其表面涂覆環(huán)境阻隔涂層（Environmental Barrier Coating，EBC），以阻隔材料組分與外部破壞性因素的反應，進而延長CMC使用壽命。EBC材料組分主要是金屬氧化物或無機鹽類化合物，通常有YSZ（ZrO2+8%Y2O3）、鋇長石、莫來石+BSAS/Si等3。 由連續(xù)纖維補強增韌陶瓷基體復合成材的“混搭”，類似于“鋼筋+混凝土”組合，連續(xù)的陶瓷纖維根據需要，可編織成1D（一維）、2D（二維）、以至3D（三維）的“鋼筋”骨架（纖

16、維預制體）、“混凝土”則為骨架周圍緊密充填的陶瓷基體材料，這使其具有高比模、耐高溫、抗燒蝕、抗粒子沖蝕、抗氧化和低密度等優(yōu)點，且強度特別是韌性相比單相陶瓷的應變容限大大提高，維持高強度的同時也獲得高韌性。實現減重的同時具備優(yōu)良的耐渦輪前溫度性能，減少冷氣量，進而大幅提升發(fā)動機工作效率。成為1650以下長壽命（數百上千小時）、1900以下有限壽命（數分到數十分鐘）和2800以下瞬時壽命（數秒至數十秒）的熱結構/功能材料。 嚴格化學計量比的SiC陶瓷纖維具有低密度、抗磨損、高基體強度和最高耐溫特性；氧含量低于2%的SiNC纖維50500絲束，可有效提高1350/2462溫度下的抗蠕變和化學穩(wěn)定性。

17、優(yōu)質纖維復合的CMC有利于展示最高耐溫能力和源自其基體的力學性能，將作為航空發(fā)動機渦輪熱端部件發(fā)揮效能2。在噴氣發(fā)動機進化史中，渦扇發(fā)動機材料耐溫能力平均每10年以10/50速度提升。而按照GE預測，未來10年單就CMC部件應用一項，發(fā)動機耐溫能力就將改善66/150，效果相當顯著2。 CMC面向航空發(fā)動機應用的研究積累 在纖維用于制備航空發(fā)動機構件的選型上，美國做出了最為廣泛的研究。1994年，NASA的EPM（Enabling Propulsion Materials） 項目選擇SiC /SiC作為HSCT（High Speed 

18、Civil Transport）發(fā)展的最佳材料系統(tǒng)，開展了SiC纖維、纖維涂層和基體組成的組合工藝優(yōu)化等研究。之后，CMC成為了航空發(fā)動機設計與制造商所青睞的航空發(fā)動機高溫部件（如渦輪靜子的導向葉片、渦輪轉子葉片、燃燒室和尾噴部件等）的重要候選材料，并取得突破性進展4。 CMC的應用在提高推重比、提高使用溫度、簡化系統(tǒng)結構等方面可帶來顯著效益。對于航空發(fā)動機長壽命CMC熱端部件的開發(fā)，世界各國家已競相投入資源展開研發(fā)。 從20世紀80年代中期開始，NASA就已開展CMC技術研究，從先進高溫發(fā)動機材料技術（HITEMP）項目開始，實施過IHPTET、UEET、VAATE等大型項目，重點

19、研究了先進材料與結構，其中用于航空發(fā)動機的CMC高溫部件是攻關重點1。 在IHPTET計劃第2階段的ATEGG驗證機XTC76/3上，GE聯手Allison公司使用從EPM（Enabling Propulsion Material）項目中獲得的材料，開發(fā)并驗證了Hi-Nicalon纖維（占40）增強CMC燃燒室火焰筒。該燃燒室壁可耐溫1316/1589K，并與由Lamilloy結構材料加工的外火焰筒一起組合成先進的柔性燃燒室。IHPTET計劃第3階段在ATEGG驗證機XTC77/1上，GE與Allison一道開發(fā)了CMC燃燒室3D模型，驗證了空心葉片。燃燒室3D模型采用正交

20、各向異性材料特性，改進了熱力和應力分析。與典型的鎳基高溫合金的靜子葉片相比，減重50%，冷卻空氣量減少20%5。 在IHPTET計劃第3階段的JTAGG（聯合渦輪先進燃氣發(fā)生器）驗證機XTC97上，霍尼韋爾（Honeywell）和GE公司考核驗證了CMC高溫升燃燒室。該燃燒室在目標油氣比下保持較小分布因子數據5。 在超高效發(fā)動機技術（UEET, Ultra Efficient Engine Technology）項目中，材料和結構是其攻關重點。擬實現起飛與著陸距離縮短70%、NOx排放降低70% 、油耗與成本下降8%15%等目標。而CMC作為燃

21、燒室火焰筒和渦輪靜子葉片的關鍵材料，占材料和結構研究總研制費用近30%1。 通過多用途、經濟可承受的先進渦輪發(fā)動機（VAATE）項目研究，開發(fā)和驗證了CMC燃燒室等技術，基本實現“減排增效”目標。GE公司在TECH56計劃下開發(fā)的CMC燃燒室，考核驗證了提供較大溫升且冷氣用量減少等性能。 在GE公司角逐用于窄體客機的下一代發(fā)動機LEAP-X中，CMC將作為關鍵驗證項目，同時也計劃在GEnx型號上采用陶瓷基復合材料燃燒室火焰筒。 在高速研究（HSR）項目中，EPM作為子項目，重點研究了CMC燃燒室火焰筒技術;在1205/1478K、大于9000h的熱態(tài)壽命下，仍保持13.78MPa的應力水準；燃

22、燒室扇形段試驗已考核其具有200h，踐行了如下開發(fā)策略6。 （1）在代表飛機任務循環(huán)的工作狀態(tài)下進行發(fā)動機試驗，驗證1205/1478K條件下，CMC燃燒室火焰筒的耐久性；（2）提高CMC和EBC的耐溫能力，研制1482/1755K和1649/1922K體系，以大幅減少甚至取消燃燒室火焰筒的氣膜冷卻，進而擴展CMC的應用范圍。目前，通過以下途徑，明顯提高CMC的耐溫能力，并開展熱態(tài)工作3001000h下提高其承載能力研究條件： （1）改進工藝，減少或除去影響CMC蠕變性能的因素；（2）改進SYLRAMICTM 纖維熱處理表面，提高抗蠕變性能；（3）采用類似于Hi-NicalonTM的

23、SiC纖維；（4）通過優(yōu)化工藝，降低復合材料特性值分散度，在開發(fā)1482/1755K 用CMC基礎上，同時研發(fā)和驗證1649/1922K CMC體系的可行性。 GE明確將CMC作為未來發(fā)展的核心技術，多年來持續(xù)投入和研發(fā)CMC工藝技術，通過合縱連橫開拓美國內外的產學研資源，在CMC研究與應用領域奠定了領導地位，作為標桿值得后來者借鑒。為此，聯合法國SNECMA、日本IHI和德國MTU，開展大量協(xié)作和部件試制、考核試驗，對CMC材料做了數千小時的測試，于2003年就已將CMC材料用在工業(yè)燃氣輪機上，已服役超過48000h。從燃機用渦輪外環(huán)、燃燒室內襯工程化應用中，確認CMC的

24、技術成熟度已足以應用到航空發(fā)動機核心部件。 GE公司報道了耐溫1205/2200°F、減重70%的CMC低壓渦輪導向葉片的關鍵性試驗以及在F414軍用發(fā)動機上進行了CMC材料渦輪轉子葉片試驗，擬應用到GE9X發(fā)動機的高壓渦輪二級轉子葉片。 R-R聯合GE公司將CMC應用于發(fā)動機F136（配裝F-35）的渦輪導向3級導葉上7，耐溫可達1200，重量比傳統(tǒng)高溫合金部件明顯減輕（大約只有鎳合金的1/3和鈦合金的1/2）8。 在FAA與NASA牽頭的CLEEN（Continuous Lower Energy, Emissions and No

25、ise）項目中，波音公司承擔CMC聲學尾噴（Acoustic Nozzle），R-R公司則負責CMC 渦輪動葉外環(huán)組件（Turbine Blade Tracks）9。 NASA在ERA（Environmentally Responsible Aviation）項目和其他航空發(fā)動機計劃中，在燃燒室、渦輪葉片和尾噴管等應用CMC，以減少發(fā)動機油耗、NOx 排放和降低噪音。其中，R-R 承擔CMC 尾噴管的研制工作10。 GE公司在NASA的N+3先進發(fā)動機項目中，對20302035年將投入運營的高效安靜小型商

26、用發(fā)動機也參與了預研。在該項目中，除整體碳纖維風扇導向器/前機匣、復合材料風扇葉片和復合材料風扇機匣、全復合材料整體短艙等外，還包括采用新一代CMC的燃燒室、高壓渦輪葉片、低壓渦輪葉片和高壓渦輪外環(huán)和整流罩等研究6。 20世紀90年代，為解決上一代基體/纖維之間的熱解碳界面氧化損傷所造成的壽命短等問題，SNECMA公司研究了自愈合基體技術，開發(fā)出新一代SEPCARBINOXR A500和CERASEPR A410產品5。 NASA與美國聯邦航空管理局（FAA）合作開展的CLEEN（Continuous Lower Energy，Emissions，

27、60;and Noise）著重“持續(xù)降耗、減排和降噪”目標，聚焦在結構件和新技術以降低發(fā)動機油耗、排放和噪音。歷時5年在CMC渦輪導葉制備及聲學優(yōu)化尾噴嘴方面取得了技術進步9。 2013年1月NASA利用R-R的Trent 1000發(fā)動機臺架加速試車考核了該CMC尾椎，如預期實現了73h，未發(fā)生熱或結構應力問題。 此外，P&W還聯合MTU和IHI（日本石川島播磨重工）開發(fā)新型發(fā)動機。 歐洲的陶瓷基復合材料技術以法國的CVI和德國的熔滲硅（Liquid Silicon Infiltration，LSI）工藝為代表。其中法國SNECMA公司和美國合作

28、，共同研發(fā)了推力矢量CMC密封調節(jié)片，并正式裝機，經1000h考核均未發(fā)現破壞跡象；德國進行了CMC燃燒室內襯的對比試驗，在Kl?ckner Humboldt Deutz T216型燃氣發(fā)動機經10h試驗后，CVD-SiC涂層C/SiC火焰燃燒室出現了C/SiC基材和涂層之間的分層剝落，而CVD-SiC涂層C/C火焰燃燒室未出現損壞，SiC/SiC火焰燃燒室則由于自身具有良好的抗氧化性能，經受住90h的試驗而無損壞。試驗考核也表明：采用CVI工藝的 SiC/SiC的液體火箭發(fā)動機燃燒室壁及噴嘴，可經受累積高達24000秒點火考核和400次熱循環(huán)。 日本政

29、府1989年通過執(zhí)行為期8年的“超大型耐環(huán)境先進復合材料規(guī)劃”，其目的是確定以航天航空、能源為主的各領域所需的高溫環(huán)境下具有耐熱、高比強度、高比模量、耐氧化性等優(yōu)異性能先進材料的基礎技術，開發(fā)成功SiC基CMC，一躍成為當今通用級和尖端應用級SiC纖維最大出口國，法國、美國等CMC用SiC纖維基本都依靠日本供應。 日本的兩家實驗室、4家企業(yè)，從1999年參與ESPR項目研究，參與國外的PWA、GE、R-R和SNECMA等領先發(fā)動機供應商組建建設的聯合隊伍，設計并試驗了CMC燃燒室和渦輪部件。以IHI為代表的日本產學研機構分別在美、歐申請專利，介紹了陶瓷基復合材料應用件的制備和應用情況。他們采用

30、CVI+PIP 工藝制備SiC/SiC火箭發(fā)動機推力室，并完成了熱試車考核，推力室的最高工作壁溫為1424。 俄羅斯CIAM也在瞄準國際先進，開展了CMC燃燒室部件的試制和考核工作。 渦輪葉片工作在燃燒室出口，是發(fā)動機中承受熱沖擊最嚴重的部件，其耐溫能力直接決定著高性能發(fā)動機推重比的提升。CMC對減輕渦輪葉片重量和降低渦輪葉片冷氣量意義重大。國外近期應用目標是尾噴管、火焰穩(wěn)定器、渦輪外環(huán)等；中期目標在低壓渦輪靜子和轉子葉片、燃燒室、內錐體等應用；遠期目標在高壓渦輪靜子和轉子葉片、高壓壓氣機和導向葉片等應用，顯示出明顯的減重效果、提高溫度、大幅減少冷卻氣量等，但是渦輪葉片的使用壽命尚短

31、，有待深入研究3。 目前，多家國際研究機構已成功研制出CMC渦輪葉片，美國和法國以推重比810航空發(fā)動機為演示驗證平臺，對尾噴管、燃燒室和渦輪三大單元進行了大量考核。 我國從20世紀80年代開始，就有張立同院士領導的西北工業(yè)大學研發(fā)團隊，以及國防科大、中航復材和上海硅酸鹽研究所等先后跟蹤國際前沿啟動研發(fā)工作，在CMC基礎及應用領域持續(xù)耕耘，技術與制造水準躋身國際先進行列，具備構件研制、工程化和小批量生產能力，技術與國際水平相當，在部分領域甚至領先于國際水平，工程產業(yè)化差距正在縮小。 綜上所述，為拓寬CMC在商用航空發(fā)動機熱端部件上的應用，未來還需進一步完善如下關鍵技術：高溫工況下穩(wěn)定的高性能陶

32、瓷纖維、匹配良好的纖維防護涂層、批產成熟的CMC高致密度復合工藝、自愈合功能組織以及EBC涂層等。 CMC在商用航空發(fā)動機中的應用進展 國外航空發(fā)動機上應用的復合材料正在從低溫向高溫，外部冷端向內部熱端，軍機尾噴系統(tǒng)向商用渦輪、燃燒室方向推進，顯示出相當大的應用潛力。美國GE和法國SNECMA公司在CMC的研究及應用領域處于世界領先地位，CFM公司更將CMC應用作為未來核心競爭力來重點開發(fā)，已制備或通過試驗的部件主要有：燃燒室內襯、燃燒室火焰筒、噴口導流葉片、渦輪導向葉片、渦輪外環(huán)及尾噴相關部件等，奠定了CMC構件邁向商用發(fā)動機應用的基礎。 美國在CMC應用于航空發(fā)動機領域做了大量的研究積累工

33、作，NASA和GE研制的CMC密封片/調節(jié)片已實現產品化，應用到F100、F414、F110、F119等軍用發(fā)動機上，裝試燃燒室火焰筒的CMC內襯也已通過全壽命考核驗證，進入應用階段。有報導稱，GE 公司利用F414 軍用發(fā)動機開展CMC 材料渦輪轉子葉片的關鍵性試驗，并明確將該CMC 應用到下一代GE9X發(fā)動機高壓渦輪二級轉子上。 CFM應用在LEAP-X發(fā)動機上的復合材料技術，除典型的3D編織碳纖維增強樹脂基復合材料（CFRP）風扇葉片和風扇機匣（圖1），以及氧化物CMC尾椎外，就是CMC用在最具挑戰(zhàn)性的核心熱端部件。CFRP采用傳遞模塑（RTM）工

34、藝制造；尾椎采用的是3M公司的Nextel610氧化鋁纖維增韌補強鋁硅酸鹽氧化物基體CMC。后者是現今為止最大的氧化物CMC部件，外部套環(huán)直徑約1.6m/5.25英尺、長度約1m/3英尺，位于其內部的尾椎端到端部長約2.1m/7英尺，是CMC應用領域具有標志性成果。 商用航空發(fā)動機方面，法國SNECMA公司首開CFM56-C用CMC混氣錐應用，耐溫超過700的同時，可實現減重35%。2011年啟動地面和飛行測試，已在空客A320上通過700個發(fā)動機循環(huán)，包括200h發(fā)動機試車和70h試飛，計劃于20142015年取得法國適航認證，為空客A380、A400飛機提供引擎動力。 將CMC用于發(fā)動機，

35、對以鎳基為主導的結構設計可實現減重、減少冷氣用量，使油耗降低、燃燒性和持久性改善，使發(fā)動機運行到更高推力、更高效率。發(fā)動機上高壓渦輪一級外環(huán)主要用來控制高壓渦輪葉片和機體的間隙，承受從發(fā)動機燃燒室出來的高溫高壓氣體，是整個發(fā)動機工作環(huán)境最惡劣的固定部件之一。如果采用傳統(tǒng)的鎳基合金外環(huán)，由于其耐溫不及CMC，需使用原本用來產生推力的高壓空氣進行冷卻，分流了冷氣量，影響到發(fā)動機效率發(fā)揮。在LEAP-X發(fā)動機上應用該CMC部件，每一CMC環(huán)塊單元重約1Kg，僅相當于鎳基高溫合金的1/3，整個外環(huán)減重達數百磅，使得高壓渦輪效率和耐久性大幅提高，推力改善10%；此外還應用了經過驗證的CMC低壓渦輪導向葉

36、片，采用了新氣動設計結構和減震機構，重量為傳統(tǒng)合金件的1/2以下，耐溫1200以上，且無需冷卻，便于成形加工。LEAP-X發(fā)動機的涵道比達1011，相當于CFM56發(fā)動機的兩倍，CFRP和CMC復合材料的應用，更有效地降低噪聲并提高推進效率。據CFM公司消息，已完成多臺核心機、驗證機的考核工作，測試考核超過兩萬多小時，部件性能結果超過預期，LEAP-X發(fā)動機擬于2016年裝配商用客機首飛。 復合材料在現代航空發(fā)動機上的應用數量日益增多，GE公司在此領域一直處于領先地位。該公司率先應用復合材料技術在新一代商用發(fā)動機GE90上，實現了更輕、燃油效率更高，風扇葉片在服役中表現優(yōu)異，運轉效率更高、噪聲

37、更低等性能方面取得成功，隨后在GEnx發(fā)機和LEAP-X發(fā)動機上應用了更多的復合材料。 波音研究與技術中心開發(fā)的聲學噴嘴可提升發(fā)動機性能至更靜、更輕和更高效。噴嘴按設計要求壽命需達到55000h，模擬預測表明持續(xù)服役時間會超過預定指標7。 R-R通過收購的位于美國加州的Hyper-Therm HTC Inc.公司，CMC生產C/SiC和SiC/SiC，寄希望對現有單純依靠高溫合金單晶葉片的發(fā)動機在重量和性能上帶來變革7。 P&W當前出于“成本與可靠性”考量，主要聚焦在“先進冷卻”技術的突破，也將CMC具有的提高燃油效率的潛在能力列入其發(fā)展目標。 SNECMA公司生產

38、的密封/調節(jié)片已裝機使用10余年，結果表明其抗疲勞性能優(yōu)于高溫合金，減重50%?；谶B續(xù)纖維增韌補強陶瓷基復合材料的優(yōu)良特性，在新一代的LEAP-X中型發(fā)動機采用CMC低壓渦輪，提高其耐熱性，實現了輕量化。 IHI通過推進CMC技術工藝開發(fā)，承制了新一代CMC低壓渦輪導向葉片高溫部件，耐溫可達1300，加之減重效果，發(fā)動機的燃效有望進一步提高10，計劃于2020年實現商用，作為空客A320neo的后續(xù)換發(fā)，以及有望于2019年投放市場的波音777后續(xù)機型上應用。 目前，美國和法國以推重比810航空發(fā)動機為演示驗證平臺，對渦輪、燃燒室和噴管進行了大量考核。據悉，美國研制的燃燒室構件已通過工程驗證

39、，最高考核溫度為1200，累積考核時間達15000h。通過了全壽命5000h和高溫段500h測試，即將進入應用階段。美、法作為CMC應用到航空發(fā)動機的先進國，在長達30多年的研發(fā)及應用實踐中，積累了豐富經驗，已達到相當高的技術水準，形成了較為完備的工業(yè)技術體系和產業(yè)配套能力。 GE公司已將CMC列為其未來發(fā)展的核心技術之一。就像此前將GEnx的新技術應用到CF6發(fā)動機上一樣，隨著CMC技術進步，也將逐步應用在配套波音787和747-8的GEnx發(fā)動機上，并在GE和CFM的新一代發(fā)動機上全面推廣。隨著NASA的N+3先進發(fā)動機項目成果的實施，復合材料的應用將達到一個新的水平。據悉，國外的CMC材

40、料已成功應用到高推重比的軍用航空發(fā)動機燃燒室中。GE公司堅信，如同樹脂基復合材料在“夢想”787應用引起的技術革新一樣，應用于發(fā)動機熱端部位的CMC也會引領商用發(fā)動機材料技術新的進化。 經過30多年的不懈努力，CMC已在航天運載火箭結構件、航空軍機整流和尾噴系統(tǒng)獲得良好的應用，在商用航空發(fā)動機領域應用研發(fā)也初見成效。通過復合材料的應用，近50年來商用飛機的油耗指標幾乎下降了1/2。隨著各國爭先對工藝技術研發(fā)的重視，以及對批產制造產業(yè)化投資的擴大，CMC商用的爆發(fā)增長拐點已經到來。 在CMC研發(fā)應用領域，我國與國際先進水平相比仍存較大差距，在技術成熟度提升、工程化和產業(yè)化方面尚需努力，致力自主創(chuàng)

41、新，必須在工程化階段破解好“五化“工程應用技術課題：一體化、純凈化、致密化、平滑化和梯度化挑戰(zhàn)，夯實CMC應用于航空發(fā)動機部件批產化基礎，構建CMC產品“材料-工藝-設計”一體化能力，從結構、功能和表面完整性等方面確保長壽命和高可靠性的產品早日走向商用。 CMC面向商用航空發(fā)動機產品的機遇與挑戰(zhàn) CMC作為一種新型材料，通過相應的新結構設計，運用到商用航空發(fā)動機制造時，需要進行大量實測評估、試驗考核，以確保產品的安全和可靠性、滿足適航要求。 美國的CMC應用領先離不開諸多創(chuàng)新型高科技企業(yè)的支撐，諸如以MATECH、ATK和COI Ceramics Inc.等高科技企業(yè)作為創(chuàng)

42、新主體的CMC產業(yè)鏈初具規(guī)模。 研發(fā)力求穩(wěn)定CMC性能和增加陶瓷纖維（氧化物和非氧化物）產量，各供應商基于成熟的定型工藝，已從全尺寸的演示、試制件考核中獲得良好的評價結果。 作為新的發(fā)動機用材，基于CMC風險因素考量，CFM先期僅在固定部件上應用，現有技術成熟度可滿足固定部件的可靠性要求，未來CMC材料還將用在發(fā)動機的更多部件上。CMC還存在若干阻礙其商用推廣的問題需要解決： 首先，CMC材料性能數據短缺、設計應用經驗不足，需要開發(fā)特定應用環(huán)境下壽命評估方法的及必要的軟件工具。 由于纖維增強CMC結構強度具有很大的隨機性，作為航空發(fā)動機的高溫部件無法采用常規(guī)金屬部件慣用的安全系數等確定性設計方

43、法，有必要采用概率設計方法，進行可靠性分析。同時，還要重視CMC材料標準、性能數據、壽命評估方法與工具等體系方面的積累，建設基于CMC數據庫支撐的評價方法，形成一套完整、經過驗證的CMC適航符合性設計與驗證技術體系。 依據中國民用航空發(fā)布的新版航空發(fā)動機適航規(guī)定11，CMC作為商用航空發(fā)動機用用的新材料，需要滿足第33.15條的規(guī)定：發(fā)動機所用材料的適用性和耐久性必須滿足下列要求：（1）建立在經驗或試驗的基礎上；（2）符合經批準的規(guī)范（如工業(yè)或軍用規(guī)范），保證這些材料具有設計資料（數據）中采用的強度和其他性能。 其次，CMC 部件的制造費用仍高出傳統(tǒng)高溫合金數倍，成本偏高，需在確保質

44、量的前提下，實施精益制造，改進加熱溫度、升溫時間、降溫周期等來控制工藝各周期中化學組分的變化，通過縮短循環(huán)周期等優(yōu)化批量生產工藝來有效降低成本，實現最佳效益。今后，如何運用CMC提高航空發(fā)動機性價比，是在商用航空發(fā)動機普及應用該先進材料的一大挑戰(zhàn)。 再則，發(fā)動機構件工況苛刻，某些部件需暴露于高溫、氧化、冷熱沖擊循環(huán)中，還需承受水汽、氧和燃燒固體顆粒的侵蝕；若在海上飛行，還要承受海鹽的侵蝕，燃燒室還需耐受由富含燃燒副產物氯化鹽和硫酸鹽等所引起的加速氧化等考驗。 此外，CMC的表面完整性精細加工也應引起足夠重視。因為SiC的硬度接近金剛石，工業(yè)上常用作磨料或刀具來加工其他材料，所以需采用堅硬的金剛

45、石來研磨，近年來借助脈沖激光手段加工精細微孔等漸受青睞。 還有需要引起重視的關聯技術，就是CMC與金屬間的聯結和結構完整性（Joining and Integration）工藝探索，隨著擴散連接（焊）（Diffusion bonding）、高溫耐久釬焊（Brazing）的進步，必將開拓以金屬骨架接合CMC結構為代表部件的廣闊應用領域。 國際同行普遍認為，CMC是發(fā)動機高溫結構材料的技術制高點之一，技術門檻高、投入大，通常反映所在國航空裝備設計和制造能力的頂尖水準。目前僅有美國、法國等少數國家掌握高性能SiC纖維和致密化CMC的產業(yè)化技術。 GE旗下的航空業(yè)務集團已

46、計劃在GE9X燃燒室襯套、高壓渦輪噴嘴、外環(huán)和渦輪葉片這些熱端部件上使用CMC材料；相應地，LEAP系列發(fā)動機也能從GE9X項目中借鑒諸多寶貴的工程化和產品化經驗。 盡管當年GE90發(fā)動機上采用寬弦葉片也廣被質疑，最終是通過實踐證明了其正確的選擇。GE方面已經為CMC材料進行過大量測試，與風扇葉片從金屬材料轉到樹脂基復合材料所付出的時間等考驗相類似，轉向CMC的應用同樣需要花費相應的代價來證明，允許人們從中建立起對CMC安全可靠應用的信念。 出于風險控制的考量，現階段CMC還只能應用在固定部件上?；谝延械臄祿欣碛上嘈牛S著研究深入和科技進步，穩(wěn)固而扎實的創(chuàng)新將漸趨完美地發(fā)揮出CMC的優(yōu)異特性，未來勢必開拓出更多商用航空發(fā)動機核心部件上的新應用。 國內商用發(fā)動機由中航工業(yè)商發(fā)作為主承制商，牽頭實施國家級商用發(fā)