蛛網(wǎng)式骨架增強陶瓷基復合材料渦輪葉盤設計及驗證

■ 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合材料（CMC）耐高溫、低密度和可設計的優(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，開展了陶瓷基復合材料在熱端轉(zhuǎn)子件上的工程應用探索。

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)。

當前束縛陶瓷基復合材料渦輪葉盤工程應用的關(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合材料渦輪葉盤承載能力。此外，該項目突破了陶瓷基復合材料渦輪葉盤與金屬軸熱匹配連接設計、復雜纖維預制體編織和高致密度基體制備等多個關(guān)鍵技術(shù)，為陶瓷基復合材料在我國航空發(fā)動機熱端轉(zhuǎn)子件上的工程應用打下了基礎。

圖1 陶瓷基復合材料渦輪葉盤應力分布

陶瓷基復合材料渦輪葉盤纖維骨架結(jié)構(gòu)設計

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力區(qū)，分別是輪心周向高應力區(qū)和葉根徑向高應力區(qū)，如圖 1所示。為提升渦輪葉盤高應力區(qū)承載能力須根據(jù)應力分布特點設計纖維走向，保證輪心周向高應力區(qū)和葉根徑向高應力區(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)引起的拉伸主應力。經(jīng)調(diào)研，傳統(tǒng)復合材料纖維骨架結(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力區(qū)沿主應力方向的承載能力。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力高而軸向應力較低的特點，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?？紤]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計和加工，在此基礎上完成了蛛網(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

陶瓷基復合材料渦輪葉盤與金屬渦輪軸連接結(jié)構(gòu)設計

由于陶瓷基復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合材料，因此不能采用緊配合方式連接陶瓷基復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合材料渦輪葉盤輪心應力，本項目對連接結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設計，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力下降了27%。

圖4 陶瓷基復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

陶瓷基復合材料渦輪葉盤試驗驗證

創(chuàng)新團隊基于“設計—工藝—試驗”三者迭代改進優(yōu)化的總體研制思路，針對不同設計和工藝方案開展了陶瓷基復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，這也是陶瓷基復合材料渦輪葉盤工程化應用必須解決的問題。

圖7 陶瓷基復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合材料在熱端轉(zhuǎn)子件上的應用探索，通過開展陶瓷基復合材料渦輪葉盤的纖維骨架設計技術(shù)研究、纖維骨架編織工藝攻關(guān)、盤軸連接方案優(yōu)化設計，實現(xiàn)了陶瓷基復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，為陶瓷基復合材料在發(fā)動機轉(zhuǎn)子件上的應用積累了設計經(jīng)驗和試驗數(shù)據(jù)。