民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片材料研究

馮樂然

（內(nèi)蒙古師范大學(xué)青年政治學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020）

1 前言

噴氣式客機(jī)面世已有70多年時(shí)間，隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能的不斷提升，現(xiàn)代的民航客機(jī)最大能夠?qū)崿F(xiàn)17000km的航程。目前，民用客機(jī)采用渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)，對發(fā)動(dòng)機(jī)的性能影響巨大，目前的渦輪葉片高溫合金承溫能力提升緩慢，難以匹配客機(jī)的發(fā)展。對于熱端部件而言，CMC陶瓷基復(fù)合材料輕質(zhì)、高強(qiáng)度、耐高溫、長壽命的優(yōu)點(diǎn)，是替代傳統(tǒng)高溫合金理想的材料。目前，國外已經(jīng)成功將陶瓷基復(fù)合材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件上進(jìn)行試驗(yàn)，在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中取得了優(yōu)異的成績。隨著制造工藝的優(yōu)化，專家學(xué)者預(yù)測未來很有可能應(yīng)用于制造渦輪葉片。

2 現(xiàn)代民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)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。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，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，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，鑄造葉片從此取代了鍛造葉片。高溫合金第二次重大變革標(biāo)志是單晶合金的出現(xiàn)。在20世紀(jì)80年代，科學(xué)家在定向凝固技術(shù)的基礎(chǔ)上，對工藝進(jìn)一步改進(jìn)，單晶合金研發(fā)以及應(yīng)用從此得到了快速發(fā)展。對航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能提升做出巨大貢獻(xiàn)。

2.2 現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)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，現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片一般采用鎳基高溫合金制作，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、稀有金屬，如鈷、鉻、鎢、鉬、錸、釕、鋁、鉭、鈦等。這些元素的添加可以改善鎳合金的性能，提高強(qiáng)度和韌性，最重要的是提升了高溫抗氧化性、抗腐蝕能力，使得鎳基合金葉片在950～1100℃下長時(shí)間工作。

目前，數(shù)量最多、最具代表性是波音737系列客機(jī)搭載的CFM56-7B發(fā)動(dòng)機(jī)以及空客A320系列客機(jī)搭載的CFM56-5B和V2500-A5發(fā)動(dòng)機(jī)。這3款發(fā)動(dòng)機(jī)都在上世紀(jì)80年代設(shè)計(jì)制造，使用了當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的第二代鎳基合金。其中CFM56-7B和CFM56-5B 2款發(fā)動(dòng)機(jī)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、CMSX-4相比，Rene N5最大的不同是添加了硼、碳、釔元素，含有硼、碳元素的葉片在高溫條件下壽命得到提高，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(dòng)機(jī)存在的問題與改進(jìn)方法

2.3.1存在的問題

目前，發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁囟纫呀?jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于渦輪葉片材料自身的承溫能力，工程師通過各種方法降低渦輪葉片工作時(shí)所承受的溫度以提高其使用壽命，第一是對葉片進(jìn)行冷卻，第二是減少高溫燃?xì)鈱θ~片的影響。于是，工程師設(shè)計(jì)出了表面帶有氣孔的空心渦輪葉片，并在葉片表面添加TBC熱障涂層。

渦輪葉片的冷卻氣源是從高壓壓氣機(jī)引入的氣體，引氣會(huì)引起壓氣機(jī)壓力損失，降低增壓比，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪運(yùn)轉(zhuǎn)速度高達(dá)12000轉(zhuǎn)/min，而熱障涂層的使用會(huì)增加高壓渦輪整體質(zhì)量，重量的增加會(huì)增大離心應(yīng)力，增加葉片的負(fù)載，降低高壓轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，同時(shí),因?yàn)閱尉Ц邷睾辖鹬屑尤肓隋n、鈷、釕等稀有金屬，占用了很大比例的制造成本,使航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造成本過高。

2.3.2改進(jìn)方法

第一，提高葉片的高溫性能。高溫性能更好的材料可以減少發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻引氣量，提高燃?xì)鉁囟龋瑢?shí)現(xiàn)提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能、改善發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率和增加發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命的目標(biāo)。第二，發(fā)展新型高溫材料。復(fù)合材料在航空航天產(chǎn)業(yè)上被逐步應(yīng)用，將復(fù)合材料應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件上成為世界各國的努力方向。專家學(xué)者經(jīng)過多年的研究發(fā)現(xiàn)，陶瓷基復(fù)合材料、碳復(fù)合材料的高溫性能優(yōu)秀，是替代高溫合金的理想材料。

3 陶瓷基復(fù)合材料葉片可行性分析

3.1 陶瓷基復(fù)合材料的概念

陶瓷基復(fù)合材料CMC(Ceramic Matrix Composite）屬于無機(jī)非金屬基復(fù)合材料，基體是陶瓷。陶瓷材料中SiC、SiN、AlO2等應(yīng)用廣泛，目前，對它們的研究較為全面。研究發(fā)現(xiàn)，若在引入增韌纖維后，單相陶瓷的脆性、對裂紋敏感等缺點(diǎn)在陶瓷基復(fù)合材料上得到明顯改善，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室測試發(fā)現(xiàn)，在不對試驗(yàn)件進(jìn)行冷卻的情況下，陶瓷基復(fù)合材料可在1250℃的高溫下持續(xù)工作，材料性能衰減緩慢。

3.2 陶瓷基復(fù)合材料的分類

根據(jù)增韌方式的不同，陶瓷基復(fù)合材料分為顆粒增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料、晶須增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料、層狀增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料和連續(xù)纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料。目前，世界各國的航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和制造企業(yè)都把研發(fā)重點(diǎn)放在抗氧化的纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料上。為了提高材料強(qiáng)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，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(jìn)行增強(qiáng)，引入的纖維束會(huì)在材料斷裂時(shí)產(chǎn)生纖維斷裂和纖維拔出的機(jī)制，這種機(jī)制能抑制斷裂的現(xiàn)象，使得材料強(qiáng)度和韌性得到提高。

3.3 纖維增強(qiáng)SiC陶瓷基復(fù)合材料的不足與改進(jìn)方法

3.3.1纖維增強(qiáng)SiC陶瓷基復(fù)合材料的缺點(diǎn)

與實(shí)驗(yàn)室測試中模擬的環(huán)境不同，航空發(fā)動(dòng)機(jī)真實(shí)服役工作過程中不僅僅吸入空氣，受不同天氣條件影響，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)吸入水蒸氣和大量沙塵。高溫燃?xì)夂退魵庖约肮腆w顆粒物形成的環(huán)境會(huì)加速SiCf/SiC復(fù)合材料的氧化以及腐蝕，進(jìn)而造成材料的失效。這是因?yàn)闊峤馓糚yC、六方BN等提高復(fù)合材料力學(xué)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(fù)合材料制造時(shí)產(chǎn)生的孔隙和裂紋表面活性較大，同樣容易被氧化和腐蝕。由此可見，當(dāng)前制備工藝并未能生產(chǎn)出致密化更高的SiCf/SiC復(fù)合材料，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(dòng)機(jī)的工作要求，必須提高SiCf/SiC CMC長時(shí)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。

3.3.2改進(jìn)方法

（1）基體改性

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

（2）界面層改性

界面層是纖維與基體之間一相，也是纖維表面的涂層，界面層對陶瓷基復(fù)合材料力學(xué)性能有很大影響，它能傳遞載荷，能抑制纖維裂紋偏轉(zhuǎn)來保護(hù)纖維，提高復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度。其中，熱解碳PyC和六方氮化硼B(yǎng)N是應(yīng)用較多的界面層。目前，提高界面層的方法有2種，第一種方法是在界面層中加入硅，改善界面層抗氧化性；第二種方法是使用多層界面，一層提高力學(xué)性能，一層提高抗氧化性，如（PyCSiC)n或（BN-SiC)n，有望同時(shí)實(shí)現(xiàn)弱結(jié)合界面和提高抗氧化性的目的。

（3）EBC環(huán)境屏障涂層

高溫合金抗氧化能力強(qiáng)，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。與熱障涂層不同，環(huán)境屏蔽涂層EBC主要應(yīng)用于陶瓷基復(fù)合材料體系，其主要作用是抵御燃?xì)猸h(huán)境對材料的腐蝕。同時(shí)，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(hù)CMC-SiC構(gòu)件，防止裂紋、孔隙擴(kuò)大，提高其在燃?xì)猸h(huán)境中的使用壽命。

4 總結(jié)

本文從航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展趨勢總結(jié)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)對于材料應(yīng)用的要求，詳細(xì)地介紹了應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的高溫合金發(fā)展歷史，并總結(jié)了當(dāng)前高溫合金存在的問題，結(jié)合目前復(fù)合材料在航空工業(yè)上逐步普及的趨勢，引出了使用陶瓷基復(fù)合材料制造發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的可能性，同時(shí)介紹了目前陶瓷基復(fù)合材料的研究、制備、應(yīng)用現(xiàn)狀。經(jīng)過閱讀文獻(xiàn)進(jìn)行理論研究得出，高溫合金發(fā)展至今已經(jīng)有數(shù)十年，通過改良制造工藝，可制造出強(qiáng)度更高的合金，通過優(yōu)化合金成分，提高合金的綜合性能。同時(shí)，采取在葉片內(nèi)部設(shè)計(jì)復(fù)雜冷卻通道以及在葉片表面添加熱障涂層的方案，使得高溫合金能夠在高溫、高應(yīng)力的環(huán)境中工作。航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展帶來的渦輪前溫度大幅提升是不變的趨勢，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，新材料應(yīng)遵循“先靜止后轉(zhuǎn)動(dòng)”的規(guī)則，后期可逐步在轉(zhuǎn)動(dòng)件上開展試驗(yàn)。