民用航空發動機渦輪葉片材料研究

馮樂然

（內蒙古師范大學青年政治學院，內蒙古 呼和浩特 010020）

1 前言

噴氣式客機面世已有70多年時間，隨著航空發動機綜合性能的不斷提升，現代的民航客機最大能夠實現17000km的航程。目前，民用客機采用渦輪風扇發動機，對發動機的性能影響巨大，目前的渦輪葉片高溫合金承溫能力提升緩慢，難以匹配客機的發展。對于熱端部件而言，CMC陶瓷基復合材料輕質、高強度、耐高溫、長壽命的優點，是替代傳統高溫合金理想的材料。目前，國外已經成功將陶瓷基復合材料在航空發動機熱端部件上進行試驗，在發動機試驗中取得了優異的成績。隨著制造工藝的優化，專家學者預測未來很有可能應用于制造渦輪葉片。

2 現代民用航空發動機渦輪葉片材料發展

2.1 高溫合金制造工藝的發展

高溫合金的發展經歷了2次重大的變革。第一次革命是1950年真空熔爐的出現，美國的Darmava發明了真空熔煉爐，真空熔模鑄造渦輪葉片在高溫環境中具有更優秀的性能，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志是單晶合金的出現。在20世紀80年代，科學家在定向凝固技術的基礎上，對工藝進一步改進，單晶合金研發以及應用從此得到了快速發展。對航空發動機的性能提升做出巨大貢獻。

2.2 現代航空發動機渦輪葉片材料分析

由于鎳基合金制造工藝比較成熟，以及性能優異，現代航空發動機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℃下長時間工作。

目前，數量最多、最具代表性是波音737系列客機搭載的CFM56-7B發動機以及空客A320系列客機搭載的CFM56-5B和V2500-A5發動機。這3款發動機都在上世紀80年代設計制造，使用了當時最先進的第二代鎳基合金。其中CFM56-7B和CFM56-5B 2款發動機的高壓渦輪葉片使用了GE生產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 目前航空渦輪發動機存在的問題與改進方法

2.3.1存在的問題

目前，發動機燃氣溫度已經遠遠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所承受的溫度以提高其使用壽命，第一是對葉片進行冷卻，第二是減少高溫燃氣對葉片的影響。于是，工程師設計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引入的氣體，引氣會引起壓氣機壓力損失，降低增壓比，影響發動機的性能。航空發動機高壓渦輪運轉速度高達12000轉/min，而熱障涂層的使用會增加高壓渦輪整體質量，重量的增加會增大離心應力，增加葉片的負載，降低高壓轉子的轉速，影響發動機的性能，同時,因為單晶高溫合金中加入了錸、鈷、釕等稀有金屬，占用了很大比例的制造成本,使航空發動機制造成本過高。

2.3.2改進方法

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動機冷卻引氣量，提高燃氣溫度，實現提高發動機性能、改善發動機熱效率和增加發動機使用壽命的目標。第二，發展新型高溫材料。復合材料在航空航天產業上被逐步應用，將復合材料應用在發動機熱端部件上成為世界各國的努力方向。專家學者經過多年的研究發現，陶瓷基復合材料、碳復合材料的高溫性能優秀，是替代高溫合金的理想材料。

3 陶瓷基復合材料葉片可行性分析

3.1 陶瓷基復合材料的概念

陶瓷基復合材料CMC(Ceramic Matrix Composite）屬于無機非金屬基復合材料，基體是陶瓷。陶瓷材料中SiC、SiN、AlO2等應用廣泛，目前，對它們的研究較為全面。研究發現，若在引入增韌纖維后，單相陶瓷的脆性、對裂紋敏感等缺點在陶瓷基復合材料上得到明顯改善，經實驗室測試發現，在不對試驗件進行冷卻的情況下，陶瓷基復合材料可在1250℃的高溫下持續工作，材料性能衰減緩慢。

3.2 陶瓷基復合材料的分類

根據增韌方式的不同，陶瓷基復合材料分為顆粒增強陶瓷基復合材料、晶須增強陶瓷基復合材料、層狀增強陶瓷基復合材料和連續纖維增韌陶瓷基復合材料。目前，世界各國的航空發動機設計和制造企業都把研發重點放在抗氧化的纖維增強陶瓷基復合材料上。為了提高材料強度和韌性，研究人員對陶瓷基體發生斷裂的行為深入研究，結果發現如果采用碳纖維或碳化硅纖維對陶瓷基體進行增強，引入的纖維束會在材料斷裂時產生纖維斷裂和纖維拔出的機制，這種機制能抑制斷裂的現象，使得材料強度和韌性得到提高。

3.3 纖維增強SiC陶瓷基復合材料的不足與改進方法

3.3.1纖維增強SiC陶瓷基復合材料的缺點

與實驗室測試中模擬的環境不同，航空發動機真實服役工作過程中不僅僅吸入空氣，受不同天氣條件影響，發動機會吸入水蒸氣和大量沙塵。高溫燃氣和水蒸氣以及固體顆粒物形成的環境會加速SiCf/SiC復合材料的氧化以及腐蝕，進而造成材料的失效。這是因為熱解碳PyC、六方BN等提高復合材料力學性能的界面相在類似環境中有加速氧化的傾向，而且陶瓷基復合材料制造時產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，當前制備工藝并未能生產出致密化更高的SiCf/SiC復合材料，目前SiCf/SiC CMC的抗蠕變能力和熱穩定性等還并不能滿足航空發動機的工作要求，必須提高SiCf/SiC CMC長時間抗高溫氧化能力，滿足葉片在高溫空氣和水氧耦合環境下的使用。

3.3.2改進方法

（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對基體的影響，提高基體抗氧化性。并且能與氧化性物質反應生成封填相，保護纖維和界面層，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，界面層對陶瓷基復合材料力學性能有很大影響，它能傳遞載荷，能抑制纖維裂紋偏轉來保護纖維，提高復合材料的抗彎強度。其中，熱解碳PyC和六方氮化硼BN是應用較多的界面層。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，一層提高力學性能，一層提高抗氧化性，如（PyCSiC)n或（BN-SiC)n，有望同時實現弱結合界面和提高抗氧化性的目的。

（3）EBC環境屏障涂層

高溫合金抗氧化能力強，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，環境屏蔽涂層EBC主要應用于陶瓷基復合材料體系，其主要作用是抵御燃氣環境對材料的腐蝕。同時，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CMC-SiC構件，防止裂紋、孔隙擴大，提高其在燃氣環境中的使用壽命。

4 總結

本文從航空發動機的發展趨勢總結了航空發動機對于材料應用的要求，詳細地介紹了應用于航空發動機渦輪葉片的高溫合金發展歷史，并總結了當前高溫合金存在的問題，結合目前復合材料在航空工業上逐步普及的趨勢，引出了使用陶瓷基復合材料制造發動機渦輪葉片的可能性，同時介紹了目前陶瓷基復合材料的研究、制備、應用現狀。經過閱讀文獻進行理論研究得出，高溫合金發展至今已經有數十年，通過改良制造工藝，可制造出強度更高的合金，通過優化合金成分，提高合金的綜合性能。同時，采取在葉片內部設計復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、高應力的環境中工作。航空發動機發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，新材料應遵循“先靜止后轉動”的規則，后期可逐步在轉動件上開展試驗。