陶瓷基復(fù)合材料

陶瓷基復(fù)合材料在航空工業(yè)領(lǐng)域是一種非常有發(fā)展前途的新型結(jié)構(gòu)材料，特別是在航空發(fā)動機制造應(yīng)用中，越來越顯示出它的獨到之處。陶瓷基復(fù)合材料除了具有重量輕，硬度高的優(yōu)點以外，還具有優(yōu)異的耐高溫和高溫抗腐蝕性能。目前陶瓷基復(fù)合材料在承受高溫方面已經(jīng)超過了金屬耐熱材料，并具有很好的力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性，是高性能渦輪發(fā)動機高溫區(qū)理想的極好材料。

例如美國驗證機的F120型發(fā)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(fā)動機的燃燒室和噴管等也都采用了陶瓷基復(fù)合材料。

碳/碳復(fù)合材料

C/C基復(fù)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(fù)合材料是被認(rèn)為唯一可做為推重比20以上，發(fā)動機進口溫度可達1930-2227℃渦輪轉(zhuǎn)子葉片的后繼材料，是美國21世紀(jì)重點發(fā)展的耐高溫材料，世界先進工業(yè)國家竭力追求的最高目標(biāo)。 C/C基復(fù)合材料，即碳纖維增強碳基本復(fù)合材料，它把碳的難熔性與碳纖維的高強度及高剛性結(jié)合于一體，使其呈現(xiàn)出非脆性破壞。由于它具有重量輕、高強度，優(yōu)越的熱穩(wěn)定性和極好的熱傳導(dǎo)性，是當(dāng)今最理想的耐高溫材料，特別是在 1000-1300℃的高溫環(huán)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(huán)境下的強度和風(fēng)度。因此C/C基復(fù)合材料在宇航制造業(yè)中具有很大的發(fā)展前途。

例如美國的F119發(fā)動機上的加力燃燒室的尾噴管，F(xiàn)100發(fā)動機的噴嘴及燃燒室噴管，F(xiàn)120驗證機燃燒室的部分零件已采用C/C基復(fù)合材料制造。法國的M88-2發(fā)動機，幻影2000型發(fā)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(fù)合材料。

樹脂基復(fù)合材料

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

圖1樹脂基復(fù)合材料在國外先進航空發(fā)動機冷端上的主要應(yīng)用部位

1）風(fēng)扇葉片

目前，國外已進行商業(yè)化應(yīng)用的復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的主要代表有為B777配套的GE90系列發(fā)動機，為B787配套的GEnx發(fā)動機，還有為中國商飛C919配套的LEAP-X發(fā)動機。

進入21世紀(jì)，航空發(fā)動機對高損傷容限復(fù)合材料的強烈需求牽引著復(fù)合材料技術(shù)進一步發(fā)展，而通過不斷提高碳纖維/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料韌性的方法已經(jīng)很難滿足高損傷容限的要求。在此背景下，3D編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料風(fēng)扇葉片應(yīng)運而生。Snecma公司采用3D編織/RTM技術(shù)來制造LEAP發(fā)動機的風(fēng)扇葉片，即首先用碳纖維編織成具有葉片形狀的預(yù)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(yù)浸料/模壓工藝的鋪層復(fù)合材料風(fēng)扇葉片，采用這種工藝成型的復(fù)合材料葉片具有非常優(yōu)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(fēng)扇機匣

相對于金屬葉片，復(fù)合材料葉片在脫落沖擊風(fēng)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(fù)合材料風(fēng)扇葉片在航空發(fā)動機上的應(yīng)用，全樹脂基復(fù)合材料風(fēng)扇機匣開始在航空發(fā)動機上推廣應(yīng)用。GEnx發(fā)動機即同時采用了復(fù)合材料風(fēng)扇葉片和全復(fù)合材料風(fēng)扇機匣，使樹脂基復(fù)合材料的減重優(yōu)勢得以充分發(fā)揮。這種風(fēng)扇包容機匣首先采用二維三軸編織技術(shù)制造編織預(yù)成型體，當(dāng)復(fù)合材料風(fēng)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%。

圖2風(fēng)扇機匣發(fā)展趨勢

3）風(fēng)扇帽罩

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

出口導(dǎo)流葉片作為靜止部件，出口導(dǎo)流葉片（OGV）已經(jīng)在國外先進航空發(fā)動機冷端部件上得到廣泛應(yīng)用，PW4084、PW4168發(fā)動機采用PR500環(huán)氧樹脂制造風(fēng)扇OGV。

PW1000G發(fā)動機采用AS7纖維/VRM37環(huán)氧樹脂RTM成型工藝制備風(fēng)扇OGV，并已形成成熟的復(fù)合材料靜子葉片工藝和技術(shù)體系。

4）短艙

相比航空發(fā)動機主機，樹脂基復(fù)合材料在航空發(fā)動機短艙具有更廣闊的應(yīng)用空間。根據(jù)資料，國外廠商已經(jīng)在短艙進氣道、整流罩、反推裝置、降噪聲襯部位大規(guī)模使用樹脂基復(fù)合材料。

金屬基復(fù)合材料

和樹脂基復(fù)合材料相比，金屬基復(fù)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(fù)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(fù)合材料可用來制造渦輪風(fēng)扇葉片。又如鎳鉻鋁銥纖維增強鎳基合金基體復(fù)合材料可用來制造渦輪及壓氣機用的密封元件。

其他如風(fēng)扇機匣、轉(zhuǎn)子、壓氣機盤等零件，國外都有采用金屬基復(fù)合材料制造的實例。但是這種復(fù)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(fā)生反應(yīng)而產(chǎn)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(yīng)更為突出。目前解決的辦法是根據(jù)不同纖維、不同基體，在纖維表面加適當(dāng)涂層，以及對基體金屬進行合金化，以減緩界面的反應(yīng)，保持復(fù)合材料性能的可靠性。