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陶瓷基复合材料(CMC)“武装”的航空发动机

航空发动机热端部件在高温、高压和氧化严重的极端热、力环境中服役,与高温燃气直接接触,易受到燃气热腐蚀并承受强大气动和热疲劳载荷。为满足先进航空发动机的使用要求,人们通常会选用在高温下抗氧化及耐腐蚀性能好的CMC部件。鉴于SiCf/SiCCMC具有优异的热力学特性及其在热结构应用上的巨大潜力,因此在航空发动机热端部件的应用最为广泛。

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燃烧室及火焰筒

燃烧室是燃气涡轮发动机的核心部件,其运行状况直接决定航空发动机性能。服役环境下的航空发动机燃烧室承受着极端的热环境和力学环境(高温、复杂应力、水氧/腐蚀和热冲击),其性能和工作状态直接决定发动机的总体性能。燃烧室火焰筒、加力燃烧室内锥体和隔热屏均为大型薄壁回转体结构,均为航空发动机典型的静止部件且承受载荷不大,因此各国都率先在燃烧室部件采用CMC,显著提高使用温度同时减轻结构质量。

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世界著名的F136,F414,Trent1000,F119,F135和GE9X等发动机燃烧室火焰筒,M88发动机火焰筒和火焰稳定器等,经过全寿命周期的考核并已服役应用。CMC在军用及先进商用航空发动机上的成功应用,极大地推动各国在该领域的深入研究。

实际应用中在CMC表面喷涂环境障涂层(EBC),可在材料和外部环境间建立屏障,减小发动机工作环境对材料性能的影响,提高CMC部件在复杂服役环境下的可靠性。在燃烧室环境中,环境障涂层EBCs对于隔绝CMC材料被氧化和腐蚀具有显著的效果,在相同的服役环境和热力条件下能够大幅延长部件使用寿命和服役可靠性。

为了最大限度地减小燃烧室环境对增强纤维性能的影响,氮化硼、氧化铝及Al4B2O9等被用于在高温氧化环境中对碳化硅纤维的保护,因此可在1250K以上的氧化环境中可以大幅改善CMC部件的抗氧化性并保持优异的热-力学性能。随着CFM56的大量装机应用,直接促进了CMC燃烧室衬套设计和应用的快速发展。

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此外,CMC材料在燃烧室中的应用还改善了燃料燃烧的燃烧条件,使燃料充分燃烧,减少了污染物排放。另外无需传统高温合金所特制的冷却装置,从而极大地减少了冷气的消耗,同时燃烧室的热循环敏感性降低,使用寿命更长。CMC材料的导热系数较低,导致该燃烧室的局部温度梯度高达1000℃/mm,直接威胁增强纤维的寿命,因此关于大温度梯度下燃烧室CMC部件的设计具有极为重要的意义。

高性能航空发动机需在短时间内提供最大推力,加力燃烧室筒体壁温要最高燃气温度(一般超过1850℃),高温合金隔热屏需要冲击/发散冷却层板方式来强化冷却,保证其安全运行。尽管如此,服役状态的加力燃烧室在极端热环境下的使用寿命成为发动机整体安全性和可靠性的关键影响因素。加力燃烧室隔热屏隔几何结构的特殊性与复杂性对CMC部件预制体的编织技术以及复合材料的制备工艺提出了更高的要求。CMC在加力燃烧室隔热屏上的应用目前国外都处于高度保密,尚未有公开的文献报道。

涡轮叶片和端壁

涡轮叶片是燃气涡轮的做功部件,承受着极高的热、力载荷(高温、高压、高转速、振动、热冲击),高温合金叶片通常需要精细化的冷却系统来保证叶片的安全运行。CMC涡轮叶片首先应用在静子导向叶片,近几年逐渐用在转子叶片上。GE航空集团与罗罗公司一起研制了第三级低压涡轮CMC导向叶片并应用在第五代战机F-35“闪电”的发动机F136上。另外,目前最先进民用航空发动机GE9X,大范围采用CMC材料并用于第1,2级高压涡轮静子部件、第2级高压涡轮转子叶片,大幅地减轻了重量,显著提升了发动机性能。

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日本在连续纤维增韧陶瓷基复合材料(CFCC)的研究及应用上一直处于世界前列,在增强体纤维的制备方面具有绝对的垄断地位。石川岛播磨重工更是在CMC材料以及结部件的研制方面处于世界前沿水平,该公司研制的涡轮导向叶片在400h严苛的热环境考核后经过严格检查,叶片没有损伤,充分显示出CMC在导叶在服役环境下的应用潜力,另外该公司计划建立完整的CMC材料数据库同时考虑加工制造的损伤特征,最终得到CMC叶片的寿命预估方法再进行大规模量产。另外,由于CMC材料的构成特点使其具有优异的可设计性,因此将静子叶片与端壁一起编织制造,增强叶片的整体性和可靠性。