蛛網(wǎng)式骨架增強陶瓷基復(fù)合材料渦輪葉盤設(shè)計及驗證

■ 羅瀟 李堅 李敏 徐友良 郭小軍 曾雨琪 / 中國航發(fā)動研所

為充分利用陶瓷基復(fù)合材料（CMC）耐高溫、低密度和可設(shè)計的優(yōu)點，進一步挖掘其顯著提升航空發(fā)動機功重比/推重比的潛能，創(chuàng)新團隊以渦輪轉(zhuǎn)子葉盤為研究對象，開展了陶瓷基復(fù)合材料在熱端轉(zhuǎn)子件上的工程應(yīng)用探索。

高功重比/推重比是航空發(fā)動機的永恒追求，其中減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量和提升渦輪前溫度是關(guān)鍵途徑。目前對高溫合金材料的性能挖掘已接近極限，難以再滿足未來航空發(fā)動機對大幅減輕質(zhì)量、提升渦輪前溫度的需求，應(yīng)用輕質(zhì)耐高溫材料是航空發(fā)動機發(fā)展的必然趨勢。與高溫合金材料相比，陶瓷基復(fù)合材料（CMC）的密度僅為前者的1/3，而長時間使用的溫度可高達1350℃，被視為可應(yīng)用于航空發(fā)動機熱端部件的最具潛力的輕質(zhì)高溫材料，不僅可顯著降低零件自身質(zhì)量，同時由于其優(yōu)越的承溫能力，在提升渦輪前溫度的同時，還可簡化甚至省去渦輪葉盤冷卻系統(tǒng)。

當前束縛陶瓷基復(fù)合材料渦輪葉盤工程應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸在于輪盤承載能力不足，難以達到發(fā)動機工作轉(zhuǎn)速要求。受自然界蜘蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)整體協(xié)同承載、對損傷不敏感的特性啟發(fā)，創(chuàng)新團隊提出了一種蛛網(wǎng)式纖維骨架結(jié)構(gòu)，經(jīng)試驗驗證，可顯著提升陶瓷基復(fù)合材料渦輪葉盤承載能力。此外，該項目突破了陶瓷基復(fù)合材料渦輪葉盤與金屬軸熱匹配連接設(shè)計、復(fù)雜纖維預(yù)制體編織和高致密度基體制備等多個關(guān)鍵技術(shù)，為陶瓷基復(fù)合材料在我國航空發(fā)動機熱端轉(zhuǎn)子件上的工程應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。

圖1 陶瓷基復(fù)合材料渦輪葉盤應(yīng)力分布

陶瓷基復(fù)合材料渦輪葉盤纖維骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計

通過對渦輪葉盤進行有限元分析可知，渦輪葉盤存在兩個高應(yīng)力區(qū)，分別是輪心周向高應(yīng)力區(qū)和葉根徑向高應(yīng)力區(qū)，如圖 1所示。為提升渦輪葉盤高應(yīng)力區(qū)承載能力須根據(jù)應(yīng)力分布特點設(shè)計纖維走向，保證輪心周向高應(yīng)力區(qū)和葉根徑向高應(yīng)力區(qū)分別具有沿周向和徑向的連續(xù)承載纖維。否則只能依靠復(fù)合材料中的基體承力，而后者的拉伸強度遠低于連續(xù)纖維，根本無法承受因輪盤高速旋轉(zhuǎn)引起的拉伸主應(yīng)力。經(jīng)調(diào)研，傳統(tǒng)復(fù)合材料纖維骨架結(jié)構(gòu)中并沒有滿足這些要求的方案，需開發(fā)新型骨架結(jié)構(gòu)解決這一難題。

有鑒于此，創(chuàng)新團隊提出了一種形似蛛網(wǎng)的纖維骨架結(jié)構(gòu)，該骨架結(jié)構(gòu)由單束周向螺旋纖維與多束徑向輻射纖維交織而成，保證了輪心部位具有連續(xù)周向纖維，而輪緣處具有連續(xù)徑向纖維，可提高輪盤輪心和葉根兩處高應(yīng)力區(qū)沿主應(yīng)力方向的承載能力。此外，該骨架結(jié)構(gòu)由周、徑兩向纖維在平面內(nèi)交織而成，經(jīng)基體固化后可保證每個交點處傳力連續(xù)性，使得整個承力骨架結(jié)構(gòu)具有類似蛛網(wǎng)的整體協(xié)同承載能力，可提升輪盤損傷容限能力。

蛛網(wǎng)式纖維骨架結(jié)構(gòu)編織成形

針對渦輪葉盤周向和徑向應(yīng)力高而軸向應(yīng)力較低的特點，在渦輪葉盤整體骨架結(jié)構(gòu)編織時，首先進行單層蛛網(wǎng)式纖維布編織，然后將多層纖維布疊層縫合形成最終的立體織物。

蛛網(wǎng)式纖維骨架結(jié)構(gòu)由螺旋狀的周向纖維和輻射狀的徑向纖維構(gòu)成。由于每條徑向纖維都需要經(jīng)過蛛網(wǎng)的中心點，導(dǎo)致靠近中心點位置的纖維體積分數(shù)很高，難以實現(xiàn)與周向纖維交織成形；而蛛網(wǎng)外緣位置隨著周長的增加，徑向纖維分布稀疏，越往外體積分數(shù)越低。這種徑向纖維分布的嚴重不均勻性不利于周向纖維與其穩(wěn)定交織成形，影響了纖維骨架結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。為此，須針對蛛網(wǎng)式骨架結(jié)構(gòu)的可編織性進行改進。考慮到輪心部位對徑向纖維體積分數(shù)要求較低，可適當增加徑向輻射纖維之間的間隔角度，保證周向螺旋纖維可在徑向輻射纖維間上下穿梭交織。而針對輪緣部位對徑向纖維高體積分數(shù)的要求，可以隨著半徑的增加對徑向纖維加紗來保證其體積分數(shù)滿足葉根徑向應(yīng)力的要求，最終得到具備可編織性的蛛網(wǎng)式纖維骨架結(jié)構(gòu)，如圖 2所示。創(chuàng)新團隊根據(jù)編織方案，開展了編織工裝的設(shè)計和加工，在此基礎(chǔ)上完成了蛛網(wǎng)式纖維骨架結(jié)構(gòu)的編織成形，完整的編織工藝流程如圖3所示。

圖2 蛛網(wǎng)式纖維骨架結(jié)構(gòu)編織方案示意圖

圖3 蛛網(wǎng)式纖維骨架結(jié)構(gòu)編織工藝流程

陶瓷基復(fù)合材料渦輪葉盤與金屬渦輪軸連接結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于陶瓷基復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)（為2.8 ～5×10-6℃-1）遠低于常規(guī)金屬材料，在熱載荷作用下金屬材料的膨脹變形量明顯大于陶瓷基復(fù)合材料，因此不能采用緊配合方式連接陶瓷基復(fù)合材料渦輪葉盤和金屬渦輪軸。為此，創(chuàng)新團隊提出了一種如圖4所示的連接方案，通過在盤軸之間增加一個金屬傳扭器來實現(xiàn)盤軸間傳扭和定心。其中，傳扭器輪心內(nèi)表面與金屬軸采用過盈配合，實現(xiàn)整個轉(zhuǎn)子件的可靠定心；而陶瓷盤與金屬傳扭器之間則采用如圖 5所示的徑向楔形滑移連接結(jié)構(gòu)，目的在于保證發(fā)動機工作狀態(tài)下金屬傳扭器受熱膨脹后不會直接擠壓陶瓷基復(fù)合材料渦輪葉盤，而是沿著楔形面沿徑向向外自由滑移。這樣不僅保證了盤軸間周向傳扭功能的可靠性，同時也避免了盤軸熱失配造成連接部位應(yīng)力集中。

獲得盤軸連接結(jié)構(gòu)基本構(gòu)型方案后，為了進一步降低陶瓷基復(fù)合材料渦輪葉盤輪心應(yīng)力，本項目對連接結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，最終方案如圖6所示。與初始方案相比，優(yōu)化方案的最大輪心周向應(yīng)力下降了27%。

圖4 陶瓷基復(fù)合材料渦輪盤與金屬軸連接方案

圖5 徑向楔形滑移連接結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 優(yōu)化后盤軸連接結(jié)構(gòu)方案

陶瓷基復(fù)合材料渦輪葉盤試驗驗證

創(chuàng)新團隊基于“設(shè)計—工藝—試驗”三者迭代改進優(yōu)化的總體研制思路，針對不同設(shè)計和工藝方案開展了陶瓷基復(fù)合材料渦輪葉盤靜強度試驗。經(jīng)多輪優(yōu)化迭代后，陶瓷基復(fù)合材料渦輪葉盤在常溫下的破裂轉(zhuǎn)速從項目初期的57100 r/min提升至113000 r/min，輪盤承載能力提升了98%。

經(jīng)過靜強度試驗驗證后，為進一步考核陶瓷基復(fù)合材料渦輪葉盤在發(fā)動機真實服役環(huán)境下的性能表現(xiàn)，將其裝配到微型渦噴發(fā)動機上進行了整機試驗。為降低試驗風(fēng)險，整機試驗首先以85000 r/min為目標轉(zhuǎn)速進行試車，達到該目標轉(zhuǎn)速后，發(fā)動機轉(zhuǎn)速每增加5000 r/min即停機進行檢查，利用激光測振儀對陶瓷基復(fù)合材料渦輪葉盤進行固有頻率測量，如圖7所示，通過固有頻率變化對陶瓷盤內(nèi)部損傷情況進行監(jiān)控。在整機試驗過程中，發(fā)動機最高轉(zhuǎn)速達到105000 r/min，已達到該型渦噴發(fā)動機巡航狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速要求。但發(fā)動機轉(zhuǎn)速從85000 r/min增加到105000 r/min過程中，陶瓷盤固有頻率下降了5%，表明陶瓷盤內(nèi)部已出現(xiàn)一定損傷，導(dǎo)致了陶瓷盤剛度的退化，而其退化機理及失效判據(jù)需開展更深入研究，這也是陶瓷基復(fù)合材料渦輪葉盤工程化應(yīng)用必須解決的問題。

圖7 陶瓷基復(fù)合材料渦輪葉盤固有頻率測量

結(jié)束語

創(chuàng)新團隊以發(fā)動機渦輪葉盤為研究對象開展了陶瓷基復(fù)合材料在熱端轉(zhuǎn)子件上的應(yīng)用探索，通過開展陶瓷基復(fù)合材料渦輪葉盤的纖維骨架設(shè)計技術(shù)研究、纖維骨架編織工藝攻關(guān)、盤軸連接方案優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)了陶瓷基復(fù)合材料渦輪葉盤承載能力的大幅提升，并經(jīng)過了整機試驗初步驗證，為陶瓷基復(fù)合材料在發(fā)動機轉(zhuǎn)子件上的應(yīng)用積累了設(shè)計經(jīng)驗和試驗數(shù)據(jù)。