CMC—SIC火焰筒典型件設(shè)計(jì)研究

摘 要：本文分析了陶瓷基復(fù)合材料的材料特點(diǎn)，列舉了對(duì)CMC-SIC連接件的力學(xué)研究試驗(yàn)，分析了CMC-SIC的力學(xué)性能。并結(jié)合火焰筒的結(jié)構(gòu)和使用條件，進(jìn)行火焰筒結(jié)構(gòu)典型件設(shè)計(jì)。并在此基礎(chǔ)上總結(jié)CMC-SIC作為火焰筒材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)及后續(xù)研究方向。

關(guān)鍵詞：火焰筒；復(fù)合材料；典型件

引 言

高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)是當(dāng)今發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪進(jìn)口溫度和降低結(jié)構(gòu)重量是提高推重比的主要途徑。目前很多高推重比的發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前溫度已經(jīng)超過(guò)1950K，同時(shí)溫升也顯著提升，為保證燃燒性能，燃燒空氣比例顯著增加，導(dǎo)致燃燒室壁面的冷卻空氣比例減少，預(yù)計(jì)僅約為燃燒室空氣流量的25%～30%（含頭部冷卻空氣流量）。因此為滿(mǎn)足火焰筒的使用要求，對(duì)火焰筒的壽命研究顯得尤為重要。目前主要有兩種趨勢(shì)一是采用先進(jìn)壁面冷卻技術(shù)節(jié)約冷卻冷氣降低壁面溫度，另一種是使用新型的耐溫材料以適應(yīng)火焰筒壁面溫度的不斷升高。連續(xù)纖維增韌碳化硅陶瓷基復(fù)合材料（后文簡(jiǎn)稱(chēng)：CMC-SiC）是目前主要研究的耐熱結(jié)構(gòu)材料之一，它具有耐溫能力高、密度低和比強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)由于其類(lèi)似金屬的斷裂行為使其在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用成為可能。

1 CMC-SiC材料特點(diǎn)

陶瓷特有的共價(jià)鍵離子鍵結(jié)構(gòu)使其具有耐高溫、低密度、高比強(qiáng)、高比模、高硬度、抗氧化、耐腐蝕、耐磨損等優(yōu)異特性，但又具有脆性大和可靠性差的致命弱點(diǎn)。為了克服陶瓷材料脆性大和可靠性差的致命弱點(diǎn)，使陶瓷材料兼具優(yōu)良的強(qiáng)度和韌性，需要對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)韌化處理。目前，已發(fā)展的多種強(qiáng)韌化途徑，歸納起來(lái)有“納米結(jié)晶增韌”、“原位自生增韌”、“仿生結(jié)構(gòu)增韌”和“增強(qiáng)體積增韌”四種。

CMC是指在陶瓷基體中引入增強(qiáng)材料，形成以引入的增強(qiáng)材料為分散相，以陶瓷基體為連續(xù)相的復(fù)合材料。CMC-SiC，具有較低的密度、極好的高溫穩(wěn)定性、較高的氧化穩(wěn)定性和較好的力學(xué)性能（不同材料的使用溫度和密度之間的對(duì)比見(jiàn)）。CMC-SiC的密度僅為高溫合金的1/3～1/4，采用該材料可以有效減輕構(gòu)件重量，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比。目前該材料的長(zhǎng)期使用溫度可比高溫合金提高150～350℃，潛在使用溫度可達(dá)1600℃，是最有潛力的熱結(jié)構(gòu)材料之一。

由于CMC-SiC具有密度低、使用溫度高等優(yōu)點(diǎn)，其在航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件上應(yīng)用的具有以下優(yōu)勢(shì)：

a）減輕發(fā)動(dòng)機(jī)重量。首先，CMC-SiC密度僅為高溫合金的1/3左右，同樣的構(gòu)件可以減重較多；其次，CMC-SiC材料耐溫更高，采用高溫合金時(shí)因冷卻需要的復(fù)雜結(jié)構(gòu)因此得到簡(jiǎn)化，同時(shí)一些因冷卻而設(shè)置的附加機(jī)構(gòu)也可以省去或簡(jiǎn)化，以減輕發(fā)動(dòng)機(jī)重量。

b）提高主燃燒室溫升。發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的提高很大程度上依靠燃燒室溫升的提高，而火焰筒及渦輪的使用溫度制約了燃燒室的溫升。CMC-SiC材料的許用溫度與目前高溫合金最高的許用溫度高了至少100℃，從而可以提高燃燒室的溫升潛力。

c）提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率。由于CMC-SiC具有很好的高溫抗蠕變性能和較低的膨脹率，因此CMC-SiC構(gòu)件尺寸穩(wěn)定。當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)、靜子及外環(huán)板使用CMC-SiC構(gòu)件時(shí)，可以有效減少狀態(tài)變化帶來(lái)的葉間間隙變化，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。

2 CMC-SiC材料力學(xué)性能研究

連續(xù)纖維增韌是增強(qiáng)體積增韌的一種，能夠最大限度抑制陶瓷缺陷的體積效應(yīng)。通過(guò)使用連續(xù)碳或SiC纖維，使SiC陶瓷在斷裂的過(guò)程中，發(fā)生裂紋偏轉(zhuǎn)、纖維斷裂和纖維拔出等的同時(shí)，吸收能量，從而發(fā)揮纖維的增韌和補(bǔ)強(qiáng)作用，使其具有類(lèi)似金屬的斷裂行為，對(duì)裂紋不敏感，不發(fā)生災(zāi)難性損毀的特征。

除此之外，CMC-SiC還具有非均質(zhì)性和各向異性的特點(diǎn)。由于CMC-SiC微觀(guān)結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)單元多，尺寸跨度大，功能復(fù)雜等特點(diǎn)，因此通過(guò)不同工藝路線(xiàn)得到的構(gòu)件其力學(xué)性能有較大差別。為得到適合工業(yè)應(yīng)用的材料，有很多針對(duì)復(fù)合材料本身的斷裂研究及復(fù)合材料間銷(xiāo)釘（鉚釘）連接的斷裂研究。

2.1 復(fù)合材料缺陷結(jié)構(gòu)拉剪切特性

通常用常溫和高溫氧氣環(huán)境下含有最大可檢缺陷復(fù)合材料板材強(qiáng)度、含有結(jié)構(gòu)最常見(jiàn)開(kāi)孔的復(fù)合材料板材強(qiáng)度來(lái)表征復(fù)合材料熱結(jié)構(gòu)的面內(nèi)拉伸和壓縮設(shè)計(jì)許用值。一般可用帶孔或缺口的復(fù)合材料板來(lái)模擬。對(duì)復(fù)合材料本身的斷裂研究主要有開(kāi)孔和缺口兩種形式，研究表明開(kāi)孔板拉伸和壓縮破壞試驗(yàn)的結(jié)果表明，拉伸和壓縮的破壞形式基本相同，開(kāi)孔對(duì)CMC-SiC平板的強(qiáng)度的影響是比較顯著的，在考慮孔或其他缺口或損傷對(duì)CMC-SiC結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響時(shí)，還需要進(jìn)一步研究CMC-SiC板的應(yīng)力集中問(wèn)題。

2.2 復(fù)合材料間銷(xiāo)釘（鉚釘）剪切特性

復(fù)合材料間的銷(xiāo)釘（鉚釘）剪切強(qiáng)度可以采用類(lèi)似層間剪切試驗(yàn)，通過(guò)壓縮加載試驗(yàn)來(lái)測(cè)定為試驗(yàn)測(cè)試情況的照片，為壓縮剪切試驗(yàn)和單搭接拉伸試驗(yàn)的試件破壞照片，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果兩種試件的破壞模式均為鉚釘被剪斷。從試件破壞斷面的形貌可以看到，斷面上除了有被剪斷的鉚釘之外，還有搭接板的部分表層。但是通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)連接板的最小截面上的拉伸平均正應(yīng)力遠(yuǎn)低于單釘鉚接板的拉伸強(qiáng)度。因此可以認(rèn)為復(fù)合材料鉚釘連接件的強(qiáng)度是由鉚釘?shù)募羟袕?qiáng)度控制的。當(dāng)連接螺栓為多個(gè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)連接件破壞時(shí)螺栓的平均剪切強(qiáng)度等于單個(gè)螺栓的剪切強(qiáng)度。但是這時(shí)連接板的最小截面上的拉伸正應(yīng)力遠(yuǎn)低于復(fù)合材料的開(kāi)孔拉伸強(qiáng)度。因此可以認(rèn)為該復(fù)合材料螺栓連接件的強(qiáng)度是由螺栓的剪切強(qiáng)度控制的。

3. CMC-SiC火焰筒典型件設(shè)計(jì)

因?yàn)镃MC-SiC還具有陶瓷的另一個(gè)特點(diǎn)，熱膨脹系數(shù)小。一般高溫合金在1000K時(shí)的膨脹系數(shù)約為15（10-6/K），而CMC-SiC的熱膨脹系數(shù)在1000K時(shí)的膨脹系數(shù)僅為高溫合金的1/3左右，約為5.8（10-6/K）。由于陶瓷基復(fù)合材料與所連接的高溫合金連接件之間的線(xiàn)膨脹系數(shù)差異很大，所以在進(jìn)行火焰筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮它們的熱不協(xié)調(diào)性及連接結(jié)構(gòu)的氣密性。

為保證復(fù)合材料與高溫合金連接結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，目前普遍的設(shè)計(jì)方法為在高溫合金一側(cè)加工膨脹槽及止裂孔，高溫合金與復(fù)合材料通過(guò)高溫合金螺栓進(jìn)行連接。需要通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證熱應(yīng)力對(duì)此結(jié)構(gòu)的影響以及高溫合金螺栓在此結(jié)構(gòu)中對(duì)復(fù)合材料的影響。

4.結(jié)論

1.CMC-SIC以其優(yōu)異的耐高溫性能、低密度和有類(lèi)金屬特性是一種能應(yīng)用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的材料。

2.復(fù)合材料間的連接方法宜采用鉚接法（同種材料的復(fù)合材料鉚釘）進(jìn)行連接。

3.因發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，不同角度及不同厚度的復(fù)合材料間連接的拉剪特性仍需要繼續(xù)試驗(yàn)。

4.復(fù)合材料與金屬件的連接多采用螺栓連接，但需要通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證其與金屬的熱不協(xié)調(diào)性。

5.以上連接結(jié)構(gòu)的可靠性除試驗(yàn)分析外，還需要在發(fā)動(dòng)機(jī)真實(shí)環(huán)境下進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的試驗(yàn)考核。

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