{首页主词},&

盤點最先進的航空發動機中的新型復合材料

2016-10-21 17:38:12 作者：本網整理來源：兩機動力控制分享至：

摘要：美國惠普公司研制的F119發動機，通用電氣公司的F120發動機，法國的SNECMA公司的M88-2發動機，英國、德國、意大利和西班牙四國聯合研制的EJ200發動機。這些代表世界先進水平的高性能航空發動機，它們的共同特點是普遍采用了新材料、新工藝和新技術。下面我們就來看看那些高性能航空發動機上的新材料。

    陶瓷基復合材料

    陶瓷基復合材料在航空工業領域是一種非常有發展前途的新型結構材料，特別是在航空發動機制造應用中，越來越顯示出它的獨到之處。陶瓷基復合材料除了具有重量輕，硬度高的優點以外，還具有優異的耐高溫和高溫抗腐蝕性能。目前陶瓷基復合材料在承受高溫方面已經超過了金屬耐熱材料，并具有很好的力學性能和化學穩定性，是高性能渦輪發動機高溫區理想的極好材料。

    例如美國驗證機的F120型發動機，它的高壓渦輪密封裝置，燃燒室的部分高溫零件，均采用了陶瓷材料。法國的M88-2型發動機的燃燒室和噴管等也都采用了陶瓷基復合材料。

    碳/碳復合材料

    C/C基復合材料是近年來最受重視的一種更耐高溫的新材料。到目前為止，只有C/C復合材料是被認為唯一可做為推重比20以上，發動機進口溫度可達1930-2227℃渦輪轉子葉片的后繼材料，是美國21世紀重點發展的耐高溫材料，世界先進工業國家竭力追求的最高目標。 C/C基復合材料，即碳纖維增強碳基本復合材料，它把碳的難熔性與碳纖維的高強度及高剛性結合于一體，使其呈現出非脆性破壞。由于它具有重量輕、高強度，優越的熱穩定性和極好的熱傳導性，是當今最理想的耐高溫材料，特別是在 1000-1300℃的高溫環境下，它的強度不僅沒有下降，反而有所提高。在1650℃以下時依然還保持著室溫環境下的強度和風度。因此C/C基復合材料在宇航制造業中具有很大的發展前途。

    例如美國的F119發動機上的加力燃燒室的尾噴管，F100發動機的噴嘴及燃燒室噴管，F120驗證機燃燒室的部分零件已采用C/C基復合材料制造。法國的M88-2發動機，幻影2000型發動機的加力燃燒室噴油桿、隔熱屏、噴管等也都采用了C/C基復合材料。

    樹脂基復合材料

    樹脂基復合材料的服役溫度一般不超過350℃。因此，樹脂基復合材料主要應用于航空發動機的冷端。樹脂基復合材料在國外先進航空發動機上的主要應用部位如圖1所示。

圖1樹脂基復合材料在國外先進航空發動機冷端上的主要應用部位

    1）風扇葉片

    目前，國外已進行商業化應用的復合材料風扇葉片的主要代表有為B777配套的GE90系列發動機，為B787配套的GEnx發動機，還有為中國商飛C919配套的LEAP-X發動機。

    進入21世紀，航空發動機對高損傷容限復合材料的強烈需求牽引著復合材料技術進一步發展，而通過不斷提高碳纖維/環氧樹脂預浸料韌性的方法已經很難滿足高損傷容限的要求。在此背景下，3D編織結構復合材料風扇葉片應運而生。Snecma公司采用3D編織/RTM技術來制造LEAP發動機的風扇葉片，即首先用碳纖維編織成具有葉片形狀的預制體，然后放入模具中采用RTM成型工藝灌注樹脂，相比采用預浸料/模壓工藝的鋪層復合材料風扇葉片，采用這種工藝成型的復合材料葉片具有非常優異的層間性能，其損傷容限與抗外物損傷性能大大提升。

    2）風扇機匣

    相對于金屬葉片，復合材料葉片在脫落沖擊風扇機匣時會分裂成更小的碎片，有利于機匣的包容。伴隨著樹脂基復合材料風扇葉片在航空發動機上的應用，全樹脂基復合材料風扇機匣開始在航空發動機上推廣應用。GEnx發動機即同時采用了復合材料風扇葉片和全復合材料風扇機匣，使樹脂基復合材料的減重優勢得以充分發揮。這種風扇包容機匣首先采用二維三軸編織技術制造編織預成型體，當復合材料風扇葉片碎片撞擊到包容機匣后，可以被有效包容，包容效率提高大約30%。

    3）風扇帽罩

    因為是非主承力構件，風扇帽罩是航空發動機上最先使用的復合材料制造的部件之一，使用復合材料制造的風扇帽罩可以提供更輕的重量、簡化的防冰結構、更好的耐蝕性以及更優異的抗疲勞性能。目前，在R.R公司RB211發動機、PW公司PW1000G、PW4000已經采用樹脂基復合材料制備風扇帽罩。

    出口導流葉片作為靜止部件，出口導流葉片（OGV）已經在國外先進航空發動機冷端部件上得到廣泛應用，PW4084、PW4168發動機采用PR500環氧樹脂制造風扇OGV。

    PW1000G發動機采用AS7纖維/VRM37環氧樹脂RTM成型工藝制備風扇OGV，并已形成成熟的復合材料靜子葉片工藝和技術體系。

    4）短艙

    相比航空發動機主機，樹脂基復合材料在航空發動機短艙具有更廣闊的應用空間。根據資料，國外廠商已經在短艙進氣道、整流罩、反推裝置、降噪聲襯部位大規模使用樹脂基復合材料。

    金屬基復合材料

    和樹脂基復合材料相比，金屬基復合材料具有良好的韌性，不吸潮，能夠耐比較高的溫度。以碳化硅纖維增強欽合金基體復合材料可用來制造壓氣機葉片。碳纖維或氧化鋁纖維增強鎂或鎂合金基體復合材料可用來制造渦輪風扇葉片。又如鎳鉻鋁銥纖維增強鎳基合金基體復合材料可用來制造渦輪及壓氣機用的密封元件。

    其他如風扇機匣、轉子、壓氣機盤等零件，國外都有采用金屬基復合材料制造的實例。但是這種復合材料存在的最大問題之一是增強纖維和基體金屬之間容易發生反應而產生脆性相，使材料性能變壞。尤其是在較高溫度下長時使用，界面的反應更為突出。目前解決的辦法是根據不同纖維、不同基體，在纖維表面加適當涂層，以及對基體金屬進行合金化，以減緩界面的反應，保持復合材料性能的可靠性。