當(dāng)前位置:首頁>行業(yè)資訊>航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件擴(kuò)大陶瓷基復(fù)合材料應(yīng)用
發(fā)布日期:2016-12-30 來源:中國(guó)航空?qǐng)?bào)社
當(dāng)前,美俄歐主要發(fā)動(dòng)機(jī)廠商都在探尋在航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端使用陶瓷基復(fù)合材料(CMC)。其中,CFM公司配裝陶瓷基復(fù)合材料高壓渦輪罩環(huán)的LEAP-1A民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī),已于2015年5月19日在新的空客A320neo飛機(jī)上成功完成了首飛,表明CMC在航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件應(yīng)用取得新突破。作為CFM公司的50%投資方,美國(guó)通用電氣公司(GE)自2015年以來還在F414軍用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)上,驗(yàn)證了CMC低壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片的耐高溫和耐久性能,并在GEnx民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓渦輪葉片和燃燒室上開展了一系列試驗(yàn),進(jìn)一步驗(yàn)證了CMC在發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的應(yīng)用潛力,彰顯了CMC在未來軍民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的廣泛應(yīng)用前景。
CMC技術(shù)優(yōu)勢(shì)巨大
CMC由陶瓷纖維和陶瓷基體組成,具有密度低、硬度高、熱穩(wěn)定性能優(yōu)異及化學(xué)耐受性強(qiáng)等特點(diǎn),其密度僅為高溫合金的1/3,強(qiáng)度為其2倍,能夠承受1000~1500℃的高溫(比高溫合金高200~240℃),且結(jié)構(gòu)耐久性更好。同時(shí)CMC固有的斷裂韌性和損傷容限高,適用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件,并能在較高的渦輪進(jìn)口溫度和較少的冷卻空氣(大于1300℃)下運(yùn)行,發(fā)動(dòng)機(jī)效率和耗油率明顯改善。如美國(guó)航空航天局(NASA)在“超高效發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)”(UEET)項(xiàng)目下,開發(fā)CMC發(fā)動(dòng)機(jī)熱端結(jié)構(gòu),能承受渦輪進(jìn)口溫度1649℃,冷卻需求量比同類高溫合金部件減少15%~25%。因此,發(fā)動(dòng)機(jī)制造商高度重視CMC技術(shù)開發(fā),努力將該材料引入過渡件、燃燒室內(nèi)襯、噴管導(dǎo)向葉片甚至渦輪轉(zhuǎn)子件等熱端部件。
CMC熱端部件不斷發(fā)展成熟
CMC材料和加工工藝技術(shù)不斷取得突破
自20世紀(jì)50年代以來,美國(guó)、歐洲等從未停止CMC在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)上的嘗試,不斷推動(dòng)該材料和加工工藝的技術(shù)進(jìn)步。美國(guó)自20世紀(jì)80年代以來在CMC技術(shù)研究的專項(xiàng)撥款已超過10億美元,突破了熱壓燒結(jié)、化學(xué)氣相浸潤(rùn)、聚合物浸漬裂解等材料的制造工藝,以及材料的連續(xù)纖維、短纖維、晶須、顆粒等多種形式增強(qiáng)體技術(shù),極大地提高了材料的延性、耐磨性、抗蠕變性,降低了脆性。
同時(shí),美國(guó)開發(fā)并逐漸完善CMC數(shù)據(jù)庫,開展了一些形狀簡(jiǎn)單、工作應(yīng)力低、次高溫的零件設(shè)計(jì)、制造及驗(yàn)證工作,為熱端部件的應(yīng)用研究打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。俄羅斯在《國(guó)家技術(shù)基礎(chǔ)2007~2011》中,將CMC作為五個(gè)材料技術(shù)研發(fā)方向之一,開發(fā)能在2000℃左右高溫下工作的CMC滾動(dòng)和滑動(dòng)軸承組件,用于新一代燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)。
CMC熱端部件即將配裝新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)投產(chǎn)
隨著CMC材料和工藝技術(shù)的不斷成熟,制造商尋求用該材料替代高溫合金材料制造發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件,并開展了相關(guān)的部件試驗(yàn)。至今,CMC熱端部件已進(jìn)行過100多萬小時(shí)的循環(huán)和耐久性試驗(yàn),其中包括15000多小時(shí)的地面燃?xì)廨啓C(jī)整機(jī)試驗(yàn)。
美國(guó)空軍在1989年至2005年的“綜合高性能渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)”(IHPTET)計(jì)劃中,開發(fā)的CMC矢量噴管調(diào)節(jié)片、密封片、低壓渦輪靜子葉片等高溫靜子件在F136和F414等發(fā)動(dòng)機(jī)演示驗(yàn)證平臺(tái)上均成功驗(yàn)證。2009年2月,GE公司和羅羅公司聯(lián)合研制的F136發(fā)動(dòng)機(jī)在高空試驗(yàn)臺(tái)上驗(yàn)證了CMC低壓渦輪導(dǎo)向葉片優(yōu)異性能,設(shè)計(jì)溫度高達(dá)1200℃,冷卻量需求降低50%;2010年11月,GE公司在F414改進(jìn)型發(fā)動(dòng)機(jī)上試驗(yàn)驗(yàn)證了CMC低壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片技術(shù)。此外,在美國(guó)聯(lián)邦航空局(FAA)的“持續(xù)降低能耗和排放”(CLEEN)計(jì)劃下,波音公司開發(fā)了CMC聲學(xué)排氣噴管組件,并于2013年1月在羅羅公司遄達(dá)1000發(fā)動(dòng)機(jī)上成功完成了73小時(shí)的試驗(yàn)。一系列驗(yàn)證平臺(tái)的試驗(yàn)極大地促進(jìn)了CMC技術(shù)的進(jìn)步,推動(dòng)了材料技術(shù)的成熟。
2013年10月,GE公司公布在全新研制的配裝龐巴迪“環(huán)球”7000和“環(huán)球”8000公務(wù)機(jī)的Passport發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣混合器、錐形中心體和核心機(jī)整流罩上采用CMC技術(shù)。Passport發(fā)動(dòng)機(jī)是即將量產(chǎn)的首型采用CMC技術(shù)的民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī),于2015年年底適航取證,即將配裝“環(huán)球”7000公務(wù)機(jī)實(shí)現(xiàn)商業(yè)服役。Passport發(fā)動(dòng)機(jī)的CMC排氣混合器取代了由4片繞核心機(jī)的面板和9片部件的混合器組成的石墨-環(huán)氧組件,能在無復(fù)雜冷卻系統(tǒng)情況下承受排氣區(qū)域的高溫燃?xì)猓鰪?qiáng)了耐久性,并實(shí)現(xiàn)減重20千克。
CMC的應(yīng)用將擴(kuò)大到工作環(huán)境*苛刻的核心機(jī)部件
在IHPTET計(jì)劃中,美國(guó)空軍在F136和F414等發(fā)動(dòng)機(jī)演示驗(yàn)證平臺(tái)上還成功驗(yàn)證了采用CMC材料的燃燒室火焰筒及高壓渦輪罩環(huán)等核心機(jī)的熱端部件。CFM公司Leap發(fā)動(dòng)機(jī)(配裝空客A320neo、波音737MAX和商飛C919)將于2015年取得適航取證,2016年商業(yè)服役。該發(fā)動(dòng)機(jī)采用了CMC高壓渦輪罩環(huán)(環(huán)繞高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片、阻止渦輪葉尖熱排氣泄漏的靜止環(huán)形密封件),是CMC*實(shí)際應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)部件,部件重量比用傳統(tǒng)材料減輕上百千克。CMC高壓渦輪罩環(huán)已完成了2萬多小時(shí)的部件及整機(jī)試驗(yàn),試驗(yàn)表明能極大地減少從壓氣機(jī)引出的冷氣需求量,提高發(fā)動(dòng)機(jī)推力,并降低燃油消耗量1.5%以上。
2013年6月,GE公司更是雄心勃勃地宣布,在擬2018年適航取證的GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)上,要將CMC*應(yīng)用于渦輪轉(zhuǎn)子葉片這一承受載荷*復(fù)雜和耐溫*敏感的轉(zhuǎn)動(dòng)部件,并進(jìn)一步將該材料的使用范圍擴(kuò)大到*級(jí)高壓渦輪罩環(huán)、燃燒室火焰筒內(nèi)外環(huán)以及高壓渦輪導(dǎo)向器等高耐溫要求的部件。為此,GE公司在原有技術(shù)基礎(chǔ)上,從2015年又開始在GEnx驗(yàn)證機(jī)上開展包含燃燒室火焰筒內(nèi)外環(huán)、*級(jí)高壓渦輪罩環(huán)、第二級(jí)渦輪導(dǎo)向器、渦輪轉(zhuǎn)子葉片的CMC部件試驗(yàn),已完成超過350個(gè)循環(huán)的耐久性試驗(yàn),驗(yàn)證了整套熱端部件的功能性和耐久性。據(jù)估計(jì),GE9X的CMC渦輪轉(zhuǎn)子葉片能夠?qū)崿F(xiàn)葉片減重2/3,耐溫提高20%,對(duì)GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率改善的貢獻(xiàn)率達(dá)30%,而CMC燃燒室火焰筒能以更少的冷卻空氣量應(yīng)對(duì)更高的溫度,改善發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率。
英國(guó)羅羅公司將CMC作為降低發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率和排放的關(guān)鍵技術(shù)之一,表示該材料將會(huì)徹底革新發(fā)動(dòng)機(jī)的重量和性能,并收購了CMC研發(fā)生產(chǎn)商——超熱公司(HTC)。同時(shí),在“環(huán)境友好發(fā)動(dòng)機(jī)”(EFE)計(jì)劃試驗(yàn)單元的長(zhǎng)期試驗(yàn)中,驗(yàn)證并評(píng)估了CMC高壓渦輪葉片。美國(guó)另一大發(fā)動(dòng)機(jī)制造商普惠公司雖然并不看好CMC在短期和中期的應(yīng)用,但是作為長(zhǎng)期目標(biāo),在解決成本和可靠性問題后,仍相信該材料具有使齒輪傳動(dòng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)燃油效率進(jìn)一步提高的潛力,并在“環(huán)境負(fù)責(zé)航空”(ERA)計(jì)劃下與NASA合作開展CMC燃燒室的研究工作。
另外,GE公司認(rèn)為,CMC是下一代軍用發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前溫度提升的核心關(guān)鍵技術(shù),在高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片的技術(shù)突破將促進(jìn)下一代軍用發(fā)動(dòng)機(jī)的問世。因此,自2007年GE公司便開始尋求通過“自適應(yīng)多用途發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)”(ADVENT)計(jì)劃將該材料引入軍用發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng),并繼續(xù)在“自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展”(AETD)計(jì)劃下開展該材料的部件級(jí)和整機(jī)級(jí)試驗(yàn)。在美國(guó)陸軍的“先進(jìn)經(jīng)濟(jì)可承受性渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)”(AATE)計(jì)劃下,GE公司提出的GE3000發(fā)動(dòng)機(jī)方案也在熱端部件大量使用CMC材料,并正在研究采用該材料的轉(zhuǎn)子葉片,以保證GE3000發(fā)動(dòng)機(jī)滿足陸軍對(duì)未來先進(jìn)直升機(jī)的極高的性能要求。此外,日本也計(jì)劃在研制其第六代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí),在渦輪葉片上采用CMC技術(shù)。
結(jié)束語
CMC具有巨大的技術(shù)優(yōu)勢(shì),是未來軍民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵材料技術(shù)之一。國(guó)外已基本解決了CMC部件的可生產(chǎn)性、設(shè)計(jì)技術(shù)、質(zhì)量控制以及采購成本等工程化、商業(yè)化難點(diǎn),CMC在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用范圍正在不斷擴(kuò)大,尤其是熱端部件。
總的來看,國(guó)外航發(fā)領(lǐng)域的CMC應(yīng)用遵循著從次高溫結(jié)構(gòu)件到高溫結(jié)構(gòu)件,從簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)件到復(fù)雜結(jié)構(gòu)件以及從高溫靜子件到高溫轉(zhuǎn)子件的循序漸進(jìn)的應(yīng)用規(guī)律,正在實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓渦輪和燃燒室等核心機(jī)部件的全面占領(lǐng),將成為下一代發(fā)動(dòng)機(jī)的核心主干材料。其中,CMC高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片的研制,代表了當(dāng)前CMC技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用的*高水平,是“發(fā)動(dòng)機(jī)高溫結(jié)構(gòu)材料的技術(shù)制高點(diǎn)”。我國(guó)在CMC技術(shù)發(fā)展方面的積累與國(guó)外先進(jìn)國(guó)家相比差距很大,急需有計(jì)劃、有步驟地發(fā)展適用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的CMC技術(shù),加速建立技術(shù)儲(chǔ)備,為我國(guó)未來軍民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)提供有競(jìng)爭(zhēng)力的熱端部件材料。
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