航空發動機用陶瓷基復合材料研究進展

■ 楊金華 董禹飛 楊瑞 劉虎 程玲 焦健 / 中國航發航材院

隨著航空發動機性能的不斷提高，對于先進材料的需求也日趨迫切。近年來，各大發動機廠商均加大投入力度，瞄準新一代耐高溫材料——陶瓷基復合材料（CMC）。

陶瓷基復合材料（CMC）由于具備低密度、耐高溫、抗氧化等特性，成為航空發動機用高溫材料的熱點。發動機的高溫部件主要包括燃燒室、高/低壓渦輪及噴管等，其中高/低壓渦輪部件主要包含導向器葉片、轉子葉片及渦輪外環。在應用陶瓷基復合材料之前，這些部件主要采用高溫合金，其耐溫能力發展變化如圖1所示[1]。從圖中可以看出，從20世紀40年代開始，高溫合金的耐溫能力逐漸提升，尤其是在20世紀40—50年代，鍛造高溫合金的耐溫能力提升明顯，之后處于緩慢提升期，基本上每10年增加約35℃。目前，高溫合金的耐溫極限維持在1100℃附近，而陶瓷基復合材料的應用將發動機部件的耐溫能力提升至1200～1350℃，并且陶瓷基復合材料構件質量通常為鎳基高溫合金構件質量的1/4～1/3，不僅可以通過提高構件的工作溫度提高燃油經濟性，還可以通過減輕質量實現燃油經濟性的提高。

圖1 在拉伸載荷137MPa，持久壽命1000h條件下，材料所能承受的溫度極限[1]

航空發動機用陶瓷基復合材料目前主要包含兩大類：一類是碳化硅纖維增強的碳化硅基復合材料（SiC/SiC復合材料），包括衍生出的SiBCN、SiCN基復合材料等；另一類是氧化物纖維增強的氧化物基復合材料（OX/OX復合材料），主要是氧化鋁纖維增強的氧化鋁基復合材料。這兩類復合材料的特點有所不同，SiC/SiC復合材料主要特點是密度低（密度為2.1～2.8 g/cm3）、耐高溫（1200～1350℃可長時使用），主要應用于發動機高溫熱端部件，如燃燒室、高/低壓渦輪等；OX/OX復合材料長時耐溫能力約為1150℃，略低于前者，其密度通常在2.5～2.8 g/cm3，其與SiC/SiC復合材料相比的優勢之一是成本相對較低，主要應用于發動機的噴管及小型發動機的高溫部位。SiC/SiC復合材料的主要制備工藝包括化學氣相滲透（CVI）工藝、聚合物浸漬裂解（PIP）工藝及熔融滲硅（MI）工藝；OX/OX復合材料的主要制備工藝包括漿料浸漬法與溶膠-凝膠法。

SiC/SiC復合材料

各大發動機公司均投入大量研發力量，將陶瓷基復合材料應用于發動機領域。在SiC/SiC復合材料方面，GE公司從20世紀80年代末就開始預浸料-熔滲工藝制備SiC/SiC復合材料技術攻關，經歷20世紀90年代的工藝探索階段、大規模驗證階段（2000—2015年），目前已進入產業化階段（2016年至今）。GE公司采用的預浸料-熔滲工藝制備SiC/SiC復合材料技術，只需不到30天的時間即可將SiC纖維轉化為任何形狀的成品。為了將陶瓷基復合材料應用于發動機，GE公司進行了大量的試驗，包括力學性能測試、力學結合環境性能測試、實驗室極端環境試驗、高溫高壓高流速模擬燃燒室環境試驗、演示樣機部件試驗、裝機試驗等，所有試驗加起來的測試試驗時數超過100萬h。GE公司先后考核了渦輪外環、燃燒室火焰筒、渦輪導向葉片、低壓渦輪轉子葉片等構件，其中最先進入商業化批產的是CFM國際公司LEAP發動機的一級高壓渦輪外環。LEAP-1A發動機是空客A320neo飛機的兩款備選發動機方案之一，在2015年11月通過了歐洲航空安全局（EASA）與美國聯邦航空局（FAA）的聯合適航認證。LEAP-1B發動機作為波音737MAX的唯一可選發動機于2017年服役，之后是國產 C919飛機的LEAP-1C發動機。GE公司還將SiC/SiC復合材料制成的燃燒室、高壓渦輪導向葉片及高壓渦輪外環應用到了GE9X發動機上（見圖2），該發動機為波音777X提供動力，并且SiC/SiC復合材料在GE9X上的應用為LEAP發動機的升級換代提供了技術基礎，這些SiC/SiC復合材料構件應用到LEAP發動機后，使得每架飛機每10年能夠節省100萬美元的燃油費[1]。此外，2021年5月GE公司首臺自適應變循環發動機XA100完成測試，該發動機廣泛應用了陶瓷基復合材料，將為美國六代機提供動力。

圖2 GE9X發動機應用的SiC/SiC復合材料部件

賽峰集團于20世紀80年代開始采用CVI工藝制備SiC/SiC復合材料，先后發展出CERASEP A373、CERASEP A400、CERASEP A410、CERASEP A415、CERASEP A416等多個牌號，這些牌號的區別主要在于纖維類型、基體類型及材料性能有所不同。賽峰集團研發材料主要基于開發三維增強體以降低二維編織對分層的敏感性，以及開發自愈合基體以避免表面涂層保護等兩項關鍵技術。賽峰集團之所以選用CVI技術主要是基于該公司前期化學氣相沉積制備C/C復合材料研發及工程化方面的經驗，并且CVI工藝同時可以實現界面層沉積和基體致密化的功能，對于設備要求相對單一。此外，CVI工藝還可以調整每一層的組成，從而實現結構調控。CERASEP A410已經進行了燃燒室火焰穩定器的測試評估。采用多軸力學性能臺架測試，并考慮了實際應用環境中的典型切向和軸向載荷，評估了CERASEP A410應用于火焰穩定器的可行性。之后，進行了低周疲勞循環測試，在進行了一個典型循環次數的測試后，未檢測到損壞。此外，還開展了143h熱循環測試，最高測試溫度為1180℃，無損檢測未檢測到任何缺陷。CERASEP A415在航空發動機燃燒室襯套上已完成第一次試驗，模擬考核歷時180h（600次的典型循環數），其中包括100h的最高測試條件，實現了商用發動機火焰筒的全尺寸組件的設計和制造，并在常壓環境下對其進行了評估[2]。制備的轉子葉片、混合器及中心錐等部件在CFM56發動機上進行了地面試車考核，并且噴管部件還在A320、A380等飛機上進行了飛行驗證，其中采用CVI工藝制備的SiC/SiC復合材料中心錐（見圖3）于2015年取得適航認證，并開展了為期兩年的飛行驗證，并計劃于2022年前后開展轉子葉片的驗證試驗。為加強陶瓷基復合材料研發力量，賽峰集團于2018年11月成立了賽峰航空陶瓷技術公司，該公司位于波爾多航空園核心地帶，將致力于陶瓷基復合材料的基礎研發與生產，為發動機提供質輕耐高溫的復合材料。

圖3 賽峰集團研制的中心錐

羅羅公司于2015年收購了位于美國加州的海寶（Hypertherm）高溫復合材料股份有限公司，該公司主要采用CVI+MI工藝制備SiC/SiC陶瓷基復合材料密封片，并計劃在2025年前后將噴管、渦輪外環整環部件等應用于發動機。此外，羅羅公司的“超扇”（UltraFan）發動機將采用耐高溫的陶瓷基復合材料部件以提高燃燒效率。

普惠公司于2000年前后開始研制陶瓷基復合材料，前期重點在PIP工藝制備SiC/SiC復合材料與OX/OX復合材料。普惠公司認為陶瓷基復合材料應用于靜止件中的價值不高，因此將把陶瓷基復合材料應用的工作重點放在渦輪轉子葉片和燃燒室上。2010年，普惠加拿大公司在PW200系列旋翼航空器發動機中測試了陶瓷基復合材料逆流（reverseflow）燃燒室，相對于高溫合金，實現了在高功率下NOx降低30%，在低功率下CO降低20%的效果。普惠公司于2019年年底宣布在美國加利福尼亞州建立一個陶瓷基復合材料研發基地，并計劃于2027年在阿什維爾建立陶瓷基復合材料渦輪葉片生產中心，將陶瓷基復合材料應用到燃燒室內襯、葉片、噴管和其他部件。

美國國家航空航天局（NASA）開發出N22、N24-A、N24-B、N24-C、N26等5種SiC/SiC復 合 材 料，使 用溫度分別可以達到1204℃（N22）、1315℃（N24）及1427℃（N26）。N22采用Sylramic纖維進行增強，N24與N26采用Sylramic-iBN進行增強，N22與N26基體采用CVI+MI工藝制備，N26采用CVI+PIP工藝制備。在NASA環境責任航空（ERA）項目中，為了降低發動機的NOx排放、減少油耗及噪聲，將陶瓷基復合材料及環境障涂層應用于燃燒室、高壓渦輪導向葉片及中心錐部件。NASA主要致力于研發SiC/SiC火焰筒、高壓渦輪導向葉片等高溫部件，并在前期開展了導向葉片葉身結構的考核試驗，同時致力于研發相應的耐1482℃的環境障涂層體系。

日本IHI公司采用積木式驗證方法開發陶瓷基復合材料航空發動機部件，主要采用“化學氣相沉積+固相浸漬+前驅體浸漬裂解”工藝制備SiC/SiC復合材料；2010—2012年完成了SiC/SiC 導向葉片的設計、制備與裝配，并通過了IM270燃氣輪機超過400h的考核驗證[3]；2016年完成了SiC/SiC 低壓渦輪轉子葉片的設計，并完成了摩擦磨損、轉動等試驗[4]。

OX/OX復合材料

與SiC/SiC復合材料相比，OX/OX復合材料的應用偏少，主要集中在發動機的噴管部位（中溫/中載件）。目前，在OX/OX復合材料應用/考核方面開展工作的主要有GE公司、羅羅公司、索拉透平公司（Solar Turbine）以及美國空軍。

2010年，GE公司與復合材料地平線公司（Composites Horizons）簽訂合同，后者為其“通行證”（Passport）20發動機提供氧化物復合材料的整流罩、排氣混合器和中心錐，如圖4所示。搭載該型發動機的“環球” 7000和“環球” 8000公務機于2016年通過FAA 認證，實現了氧化物復合材料的首次商業化應用。這些部件采用的是Nextel 720纖維增強的氧化鋁復合材料，僅排氣混合器就為Passport 20發動機減輕約20kg質量。GE公司稱，與同級別的發動機相比，采用氧化物復合材料的Passport 20發動機減少了8%的耗油率，同時滿足航空環境保護委員會（CAEP）制定的CAEP/6 NOx排放標準及第4階段噪聲要求。此外，在軍用航空發動機方面，目前在產F414發動機的噴管二級封嚴片采用了陶瓷基復合材料。根據GE公司的說法，F414發動機先后采用過兩種陶瓷基復合材料來制造二級封嚴片，首先是碳化硅纖維增強碳陶瓷基復合材料（SiC/C），然后是氧化鋁-莫來石陶瓷纖維增強氧化鋁-氧化硅陶瓷基復合材料。2011年生產的F414發動機開始安裝OX/OX復合材料制造的封嚴片。

圖4 Passport 20發動機采用的OX/OX復合材料整流罩、排氣混合器和中心錐

羅羅公司也在積極推進陶瓷基復合材料在發動機噴管中的應用。在NASA的ERA項目的支持下，設計和測試了一個排氣混合器，由ATK-COI陶瓷公司提供的Nextel 610 氧化鋁纖維增強硅酸鋁基復合材料制成。制造的全尺寸件提供給NASA 格倫研究中心在AE3007發動機上進行性能測試，技術水平達到技術成熟度（TRL）6。

在FAA發起的持續低能耗、低排放和低噪聲（CLEEN）計劃技術發展與創新項目的支持下，波音公司研制了一個氧化物陶瓷基復合材料噴管及中心部件，其中噴管與發動機連接部分的直徑為1.6m，中心部件的長度為2.3m，它們全部由Nextel 610氧化鋁纖維增強硅酸鋁基復合材料制成。這些組件針對羅羅公司的遄達1000發動機設計，并于2014年在波音787客機上進行飛行測試。

2003年開始由ATK-COI陶瓷公司制備的OX/OX復合材料燃燒室襯套（外襯套）在工業用燃氣渦輪發動機Centaur 50S 上進行了外場考核。該構件尺寸為直徑76cm、寬20cm、厚度0.7cm，表面帶有一層氧化物的脆性級配隔熱涂層（FGI），承受燃燒室最大應力為76MPa，最高表面溫度為1150℃。在試驗12582h/63次點火后，該構件結構保持完好，僅有個別區域有輕度損傷，ATK-COI陶瓷公司對構件修復后將繼續進行試驗，最終完成了109循環/25404h的考核。

據報道，美國空軍計劃在CH-47支奴干運輸直升機的排氣管及AH-64阿帕奇武裝直升機的排氣噴管上采用OX/OX復合材料部件來替代現有金屬部件，以達到減輕質量，降低成本，增加航程的目的。

結束語

隨著航空發動機性能的不斷提升，對于高溫材料的需求也日益迫切。陶瓷基復合材料作為體現未來航空發動機先進性的關鍵技術之一，將會受到越來越多的關注。我國在陶瓷基復合材料設計、復雜構件成型、高效率低損傷加工、耐更高溫度的環境熱障涂層及可磨耗涂層、無損檢測及標準、復合材料與金屬件的連接與裝配及考核驗證等方向需進一步加大研發力度，以實現該類材料在國產發動機上的應用。