現(xiàn)代民用航空發(fā)動機總體設計已經(jīng)定型蛹协，要想提升發(fā)動機的性能斩例、提高推重比窄赋，必須在發(fā)動機制造材料上進行升級換代赡勘。如今嫂便，傳統(tǒng)高溫合金已經(jīng)很難追上航空發(fā)動機的發(fā)展速度，研發(fā)新型高溫材料取代高溫合金是最有效的途徑闸与，陶瓷基復合材料是其中的選擇之一毙替。本文介紹了陶瓷基復合材料的發(fā)展以及應用現(xiàn)狀，總結(jié)了目前航空發(fā)動機使用的高溫合金制作工藝以及使用材料的發(fā)展歷程喳卢，并指出了高溫合金渦輪葉片的缺點弯枢，提出了相應的解決方案。隨后介紹了陶瓷基復合材料的概念坦妙、制備方法以及性能涡瀑，分析了目前陶瓷基復合材料存在的缺點和改進方法，對陶瓷基復合材料替代高溫合金用于航空發(fā)動機渦輪葉片進行了分析晕财。

1 前言

噴氣式客機面世已有70多年時間洪铣，隨著航空發(fā)動機綜合性能的不斷提升，現(xiàn)代的民航客機最大能夠?qū)崿F(xiàn)17000km的航程姿味。目前学和，民用客機采用渦輪風扇發(fā)動機，對發(fā)動機的性能影響巨大掘写，目前的渦輪葉片高溫合金承溫能力提升緩慢袋滔，難以匹配客機的發(fā)展。對于熱端部件而言碘父，CMC陶瓷基復合材料輕質(zhì)缩旬、高強度续誉、耐高溫、長壽命的優(yōu)點初肉，是替代傳統(tǒng)高溫合金理想的材料酷鸦。目前，國外已經(jīng)成功將陶瓷基復合材料在航空發(fā)動機熱端部件上進行試驗牙咏，在發(fā)動機試驗中取得了優(yōu)異的成績臼隔。隨著制造工藝的優(yōu)化，專家學者預測未來很有可能應用于制造渦輪葉片妄壶。

2 現(xiàn)代民用航空發(fā)動機渦輪葉片材料發(fā)展

2.1 高溫合金制造工藝的發(fā)展

高溫合金的發(fā)展經(jīng)歷了2次重大的變革摔握。第一次革命是1950年真空熔爐的出現(xiàn)，美國的Darmava發(fā)明了真空熔煉爐丁寄，真空熔模鑄造渦輪葉片在高溫環(huán)境中具有更優(yōu)秀的性能氨淌，渦輪組件的使用溫度得以提高，即使在800℃的高溫下也能持續(xù)工作伊磺，鑄造葉片從此取代了鍛造葉片盛正。高溫合金第二次重大變革標志是單晶合金的出現(xiàn)。在20世紀80年代奢浑，科學家在定向凝固技術(shù)的基礎上捅我，對工藝進一步改進，單晶合金研發(fā)以及應用從此得到了快速發(fā)展鹤叹。對航空發(fā)動機的性能提升做出巨大貢獻灿打。

2.2 現(xiàn)代航空發(fā)動機渦輪葉片材料分析

由于鎳基合金制造工藝比較成熟，以及性能優(yōu)異父历，現(xiàn)代航空發(fā)動機渦輪葉片一般采用鎳基高溫合金制作杏兰，鎳基合金中鎳元素含量超過60%，除此以外還添加了其他難熔金屬斩却、稀有金屬秀毡，如鈷、鉻召摔、鎢智精、鉬、錸际终、釕丙卧、鋁、鉭誓呆、鈦等洪鸭。這些元素的添加可以改善鎳合金的性能，提高強度和韌性仑扑，最重要的是提升了高溫抗氧化性览爵、抗腐蝕能力置鼻，使得鎳基合金葉片在950～1100℃下長時間工作。

目前蜓竹，數(shù)量最多箕母、最具代表性是波音737系列客機搭載的CFM56-7B發(fā)動機以及空客A320系列客機搭載的CFM56-5B和V2500-A5發(fā)動機。這3款發(fā)動機都在上世紀80年代設計制造俱济，使用了當時最先進的第二代鎳基合金司蔬。其中CFM56-7B和CFM56-5B 2款發(fā)動機的高壓渦輪葉片使用了GE生產(chǎn)的第二代單晶鎳基合金Rene N5制造。Rene N5單晶合金與同代的單晶合金PWA1484姨蝴、CMSX-4相比，Rene N5最大的不同是添加了硼肺缕、碳左医、釔元素，含有硼同木、碳元素的葉片在高溫條件下壽命得到提高男鳞，稀土元素釔可以顯著提高葉片在高溫工況下的熱疲勞性能。

2.3 目前航空渦輪發(fā)動機存在的問題與改進方法

2.3.1 存在的問題

目前膏逮，發(fā)動機燃氣溫度已經(jīng)遠遠高于渦輪葉片材料自身的承溫能力拣壮，工程師通過各種方法降低渦輪葉片工作時所承受的溫度以提高其使用壽命，第一是對葉片進行冷卻琢刮，第二是減少高溫燃氣對葉片的影響呈缴。于是，工程師設計出了表面帶有氣孔的空心渦輪葉片耍烙，并在葉片表面添加TBC熱障涂層酌峻。

渦輪葉片的冷卻氣源是從高壓壓氣機引入的氣體，引氣會引起壓氣機壓力損失扼希，降低增壓比坊阎，影響發(fā)動機的性能。航空發(fā)動機高壓渦輪運轉(zhuǎn)速度高達12000轉(zhuǎn)/min工殖，而熱障涂層的使用會增加高壓渦輪整體質(zhì)量惶政，重量的增加會增大離心應力，增加葉片的負載矮男，降低高壓轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速移必，影響發(fā)動機的性能，同時,因為單晶高溫合金中加入了錸昂灵、鈷避凝、釕等稀有金屬，占用了很大比例的制造成本,使航空發(fā)動機制造成本過高眨补。

2.3.2 改進方法

第一管削，提高葉片的高溫性能倒脓。高溫性能更好的材料可以減少發(fā)動機冷卻引氣量，提高燃氣溫度含思，實現(xiàn)提高發(fā)動機性能崎弃、改善發(fā)動機熱效率和增加發(fā)動機使用壽命的目標。第二含潘，發(fā)展新型高溫材料饲做。復合材料在航空航天產(chǎn)業(yè)上被逐步應用，將復合材料應用在發(fā)動機熱端部件上成為世界各國的努力方向遏弱。專家學者經(jīng)過多年的研究發(fā)現(xiàn)盆均，陶瓷基復合材料、碳復合材料的高溫性能優(yōu)秀差齐，是替代高溫合金的理想材料依堆。

3 陶瓷基復合材料葉片可行性分析

3.1 陶瓷基復合材料的概念

陶瓷基復合材料CMC(Ceramic Matrix Composite）屬于無機非金屬基復合材料，基體是陶瓷气弥。陶瓷材料中SiC驮荚、SiN、AlO2等應用廣泛给措，目前兆送，對它們的研究較為全面。研究發(fā)現(xiàn)炮罩，若在引入增韌纖維后棺距，單相陶瓷的脆性、對裂紋敏感等缺點在陶瓷基復合材料上得到明顯改善泊鹿，經(jīng)實驗室測試發(fā)現(xiàn)堰漾，在不對試驗件進行冷卻的情況下，陶瓷基復合材料可在1250℃的高溫下持續(xù)工作蒙棱，材料性能衰減緩慢就餐。

3.2 陶瓷基復合材料的分類

根據(jù)增韌方式的不同，陶瓷基復合材料分為顆粒增強陶瓷基復合材料故觅、晶須增強陶瓷基復合材料厂庇、層狀增強陶瓷基復合材料和連續(xù)纖維增韌陶瓷基復合材料。目前输吏，世界各國的航空發(fā)動機設計和制造企業(yè)都把研發(fā)重點放在抗氧化的纖維增強陶瓷基復合材料上权旷。為了提高材料強度和韌性，研究人員對陶瓷基體發(fā)生斷裂的行為深入研究贯溅，結(jié)果發(fā)現(xiàn)如果采用碳纖維或碳化硅纖維對陶瓷基體進行增強拄氯，引入的纖維束會在材料斷裂時產(chǎn)生纖維斷裂和纖維拔出的機制，這種機制能抑制斷裂的現(xiàn)象它浅，使得材料強度和韌性得到提高译柏。

3.3 纖維增強SiC陶瓷基復合材料的不足與改進方法

3.3.1 纖維增強SiC陶瓷基復合材料的缺點

與實驗室測試中模擬的環(huán)境不同镣煮，航空發(fā)動機真實服役工作過程中不僅僅吸入空氣，受不同天氣條件影響鄙麦，發(fā)動機會吸入水蒸氣和大量沙塵典唇。高溫燃氣和水蒸氣以及固體顆粒物形成的環(huán)境會加速SiCf/SiC復合材料的氧化以及腐蝕，進而造成材料的失效胯府。這是因為熱解碳PyC贾焊、六方BN等提高復合材料力學性能的界面相在類似環(huán)境中有加速氧化的傾向，而且陶瓷基復合材料制造時產(chǎn)生的孔隙和裂紋表面活性較大痪猛，同樣容易被氧化和腐蝕占赤。由此可見，當前制備工藝并未能生產(chǎn)出致密化更高的SiCf/SiC復合材料算换，目前SiCf/SiC CMC的抗蠕變能力和熱穩(wěn)定性等還并不能滿足航空發(fā)動機的工作要求命画，必須提高SiCf/SiC CMC長時間抗高溫氧化能力，滿足葉片在高溫空氣和水氧耦合環(huán)境下的使用濒陈。

3.3.2 改進方法

（1）基體改性

在基體中加入自愈合相，引入Si-B-C基體姚库，制備出自愈合SiCf/SiC CMC嘶遏。有效提高致密程度，減少孔隙率被紊，能大大降低氧化物質(zhì)對基體的影響宰爆，提高基體抗氧化性。并且能與氧化性物質(zhì)反應生成封填相丝仿，保護纖維和界面層蟆豫，提高材料的氧化性能，延長使用壽命懒闷。

（2）界面層改性

界面層是纖維與基體之間一相十减，也是纖維表面的涂層，界面層對陶瓷基復合材料力學性能有很大影響愤估，它能傳遞載荷帮辟，能抑制纖維裂紋偏轉(zhuǎn)來保護纖維，提高復合材料的抗彎強度玩焰。其中由驹，熱解碳PyC和六方氮化硼B(yǎng)N是應用較多的界面層。目前昔园，提高界面層的方法有2種蔓榄，第一種方法是在界面層中加入硅，改善界面層抗氧化性默刚；第二種方法是使用多層界面甥郑，一層提高力學性能逃魄，一層提高抗氧化性，如（PyCSiC)n或（BN-SiC)n壹若，有望同時實現(xiàn)弱結(jié)合界面和提高抗氧化性的目的玖生。

（3）EBC環(huán)境屏障涂層

高溫合金抗氧化能力強，但承溫能力不足需要在其表面制備能降低其表面溫度的TBC熱障涂層绰蚁。與熱障涂層不同丑钱，環(huán)境屏蔽涂層EBC主要應用于陶瓷基復合材料體系，其主要作用是抵御燃氣環(huán)境對材料的腐蝕嘁汞。同時呕漾，EBC涂層還要對基體具有一定的自愈合作用，從而有效地保護CMC-SiC構(gòu)件凰侈，防止裂紋锋力、孔隙擴大，提高其在燃氣環(huán)境中的使用壽命郎丰。

4 總結(jié)

本文從航空發(fā)動機的發(fā)展趨勢總結(jié)了航空發(fā)動機對于材料應用的要求吩饶，詳細地介紹了應用于航空發(fā)動機渦輪葉片的高溫合金發(fā)展歷史，并總結(jié)了當前高溫合金存在的問題洛惹，結(jié)合目前復合材料在航空工業(yè)上逐步普及的趨勢唯乃，引出了使用陶瓷基復合材料制造發(fā)動機渦輪葉片的可能性，同時介紹了目前陶瓷基復合材料的研究奋构、制備壳影、應用現(xiàn)狀。經(jīng)過閱讀文獻進行理論研究得出弥臼，高溫合金發(fā)展至今已經(jīng)有數(shù)十年宴咧，通過改良制造工藝，可制造出強度更高的合金径缅，通過優(yōu)化合金成分掺栅，提高合金的綜合性能。同時纳猪，采取在葉片內(nèi)部設計復雜冷卻通道以及在葉片表面添加熱障涂層的方案柿冲，使得高溫合金能夠在高溫、高應力的環(huán)境中工作兆旬。航空發(fā)動機發(fā)展帶來的渦輪前溫度大幅提升是不變的趨勢假抄，這對渦輪葉片原材料的要求越來越高，高溫合金每更新一代的性能提升幅度不大丽猬，新材料應遵循“先靜止后轉(zhuǎn)動”的規(guī)則宿饱，后期可逐步在轉(zhuǎn)動件上開展試驗。

（《中國設備工程》 2022年第7期 P268-269）

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