GE公司自我調整通用發動機技術(ADVENT)發動機驗證機採用CMC材料製造的低壓渦輪.
胡燕萍， 中國航空工業發展研究中心
原題目：美國正全力攻關下一代陶瓷基複合材料/國際航空
未來航空發動機的渦輪前進口溫度將遠超出高溫合金材料的溫度使用極限， 而陶瓷基複合材料（CMC）具有更好的耐高溫性能， 因此美國的研究人員正在探索研究各種具有更高耐熱性和更強耐損傷性能的CMC， 有望為未來發動機的發展帶來新的契機， 並全面革新發動機的結構設計和工作效率。
高溫材料對提升發動機性能至關重要。 目前發動機熱端部件主要採用的是使用溫度約1100℃的鎳、鈷基高溫合金， 開發使用溫度高於1100℃的新型高溫材料是業界的努力方向。 陶瓷材料具有耐高溫、低密度、高比強、高比模、抗氧化和抗燒蝕等優異性能， 但由於陶瓷材料脆性大， 導致材料結構可靠性差，
而陶瓷基複合材料（CMC）重量輕、強度高、耐高溫， 是發動機高溫部件的理想材料。 CMC與高溫合金相比， CMC具有如下優點：重量更輕， CMC部件重量僅為鎳基高溫合金部件的1/3；更耐高溫， CMC材料應用溫度比鎳基高溫合金高260℃；更高效， 部件可承受更高的溫度意味著需要更少的冷卻氣體， 可將更多的空氣用於燃燒室中燃燒從而發動機具有更大的推力；更節能， 可使發動機迴圈溫度更高、燃料燃燒更充分， 相應地可減少燃料消耗和氮氧化物排放。
經過30多年的發展， CMC渦輪噴嘴和渦輪罩環等靜子部件已經在商用發動機上有所應用； CMC動部件低壓渦輪葉片也通過了地面試驗，
CMC對於該圖所示的各種航空發動機零部件都是不錯選擇。
連續纖維增強的CMC是指以連續纖維作為增強體， 以陶瓷材料作為基體， 製成的一種複合材料。 由於採用了連續纖維增強增韌， 所以陶瓷基體材料克服了其脆性， 保留了其優異的耐高溫性能， 具有替代高溫合金且成為新一代發動機高溫結構材料的潛力。
陶瓷基複合材料的發展現狀和水準
CMC中研究最為廣泛的是以碳化矽（SiC）為基體的陶瓷基複合材料， 主要是因為相較於其他基體材料， 碳化矽材料具有更好的耐高溫性能， 可承受1316℃以上的高溫。 碳化矽基CMC主要有碳纖維增強碳化矽（C/SiC）和碳化矽纖維增強碳化矽（SiC/SiC）兩種。 C/SiC的最高使用溫度可達2000℃， SiC/SiC的最高使用溫度為1600℃。 由於C/SiC抗氧化性能較SiC/SiC差，
西方發達國家在SiC/SiC發動機高溫結構件的研究起步較早， 積累了大量的研究成果,部分已達到實用水準。 20世紀90年代， 美國NASA通過使能推進材料（EPM）專案的研究成果將SiC/SiC確定為民用飛機的最佳材料體系。 據GE公司統計， 在噴氣發動機的歷史裡， 發動機渦輪材料的耐受溫度平均每10年增加10℃；然而隨著陶瓷基複合材料的引入， 僅在最近10年裡， 發動機渦輪材料的耐受溫度提高了66℃。
GE公司自我調整通用發動機技術(ADVENT)發動機驗證機採用CMC材料製造的低壓渦輪.
CMC首先在發動機熱端靜子部件獲商業應用
20世紀90年代中期，斯奈克瑪公司與普惠公司在F100發動機的噴管部件上開展了連續纖維增強CMC的工程化研究應用，重點進行了模擬飛機發動機使用環境下的強度壽命考核子試驗驗證，並在F-15E戰鬥機和F-16戰鬥機的F100-PW-229發動機上進行飛行試驗，考察了連續纖維增強陶瓷基複合材料在發動機全壽命試驗下的使用可靠性和可維護性。
目前，SiC/SiC的CMC已經在CFM國際公司的LEAP發動機熱端靜子部件上實現了工程化應用，並完成了首飛。LEAP發動機的一級、二級高壓渦輪噴嘴和一級高壓渦輪罩環均使用了CMC，使得LEAP發動機的高壓渦輪的效率和耐久性大幅提高，發動機重量減輕了數百千克，節重放大效應遠遠超過3:1。此外，LEAP發動機的低壓渦輪導向器葉片採用SiC/SiCCMC，可耐1200℃以上的高溫，並且不需要冷卻，易於加工。
CMC熱端旋轉部件也完成了地面試驗
發動機原始設備製造商認為CMC最大的應用應該是在轉子部件上，而CMC材料從靜子件向轉子件過渡的一個關鍵挑戰是必須適應轉子部件的內部應力。2015年2月，GE公司通過F414渦扇發動機驗證機成功驗證了CMC低壓渦輪葉片，這也是世界上首個非靜子元件的輕質CMC部件。
GE公司SiC/SiC低壓渦輪葉片重量將僅為金屬葉片重量的1/3，且第二級CMC葉片不必空氣冷卻，氣動效率更高。此外，由於CMC葉片更輕，因此可以減小連接CMC葉片的金屬葉盤的尺寸和重量，且更輕的葉片導致更小的離心載荷，意味著輪盤、軸承和其他部件能夠更輕薄。F414發動機的CMC部件試驗經歷了500個嚴酷的迴圈，驗證了輕質、耐高溫CMC材料製造的渦輪葉片極強的耐高溫和耐久性能力，因此該材料將廣泛用於GE公司自我調整迴圈戰鬥發動機和下一代商用發動機。之後，該驗證機還將進一步設計並用於驗證GE公司當前與美國空軍研究實驗室合作開展的下一代自我調整發動機技術驗證機（AETD）專案在高應力工況下的耐高溫性能。
在商用發動機領域，GE公司正在研發的用於波音777X寬體客機的GE9X發動機，將含有5個不同類型的SiC/SiC CMC零件：燃燒室內/外襯、一級高壓渦輪罩環、一級噴嘴、二級噴嘴以及低壓渦輪轉子葉片。與LEAP僅在一級高壓渦輪罩環上使用CMC相比，燃燒室和渦輪葉片應用CMC材料是GE9X的一個重大技術突破，GE公司估計GE9X發動機採用陶瓷基複合材料渦輪轉子葉片後總重將降低約455kg，相當於GE90-115發動機淨重的6%。GE9X發動機的推力級別將達到450kN級，燃油效率較目前的GE90-115B將提高10%。
GE公司建成大規模CMC部件生產設施
GE公司預測，未來10年發動機中CMC的用量將增加10倍。為實現該目標，GE公司除了在紐約設立的全球研發中心以外，還完成了垂直一體化CMC供應鏈的4個生產設施，即GE航空集團總部負責CMC產品設計的CMC實驗室；CMC原材料及部件的小批量生產廠；CMC部件大批量生產廠，生產包括LEAP所使用的SiC/SiC渦輪罩環等部件，其目標是在2020年實現年產能超過36000個罩環；以及CMC大批量原材料生產設施，該設施包括兩間工廠，分別批量生產碳化矽陶瓷纖維和使用碳化矽纖維生產單向預浸料。
碳化矽陶瓷纖維工廠將是美國國內首家規模量產該材料的工廠，此前全球範圍內僅在日本有一家隸屬于NGS先進纖維公司的碳化矽陶瓷纖維量產工廠，正是該工廠一直為GE提供CMC部件所需的碳化矽纖維原材料，其中NGS是日本碳素株式會社（50%股權）、GE（25%股權）和法國賽峰集團（25%股權）於2012年共同出資建立的合資公司。在工藝技術方面，GE的碳化矽纖維工廠主要來自NGS公司的授權；資金方面則來源於美國空軍實驗室的資助（2190萬美元）和GE自籌的資金。碳化矽纖維工廠竣工投產後，美國國防部、GE航空、賽峰集團將成為其主要客戶。單向預浸料工廠的資金由GE公司單獨承擔，產品將供給CMC工廠生產零件，完工的零件運送到先進陶瓷塗層公司（ACC）進行表面處理，將陶瓷環境障塗層（EBC）應用在SiC/SiC元件表面，從而保護元件免受侵蝕。
美國下一代陶瓷基複合材料的技術攻關方向
美國下一代CMC用在發動機熱端部件時面臨兩項挑戰：一是材料韌性不足，難以滿足疲勞性能需求；二是材料製備工藝複雜、成本高等問題。目前的應對措施之一是開發不同於GE所用的熔融滲透製備工藝，因為老工藝下矽揮發過多，導致基體中形成裂縫，造成材料脆性大、韌性不足。措施之二是，改進材料成分，改變含矽材料在高溫下會與水蒸氣反應、造成成分損失的問題，從而減少對多層環境障塗層的依賴，達到降成本的目的。
新專利水樣聚合物具有更高溫穩定性
美國堪薩斯州立大學的研究人員開發出一種水樣聚合物（具有與水類似的密度和黏度），可加工成1700℃的陶瓷材料，品質密度比其他超高溫陶瓷（如硼化鋯和碳化鉿等）低3～6倍。這種聚合物由矽、硼、碳、氮和氫5種成分組成，比其他的SiBNC聚合物具有更長的保質期，其生成的陶瓷具有隨機微觀結構，這種結構在傳統陶瓷材料中一般觀察不到：矽原子與氮和碳連接而不是與硼連接；碳原子與另一個碳連接形成類石墨烯的鏈狀結構。這種獨特的結構可以延遲與氧氣的反應，從而使得材料在高溫下具有較高的穩定性。
這種水樣聚合物也可以用於製造陶瓷纖維。當加熱到50℃～100℃，該聚合物成為一種糖漿樣凝膠，可以拉絲製成陶瓷織物或網。它也可以注入模具，加熱成形，製成高精度、複雜形狀陶瓷部件。其他靈活的加工方式包括用於高溫防護的可噴塗塗層以及3D列印。這種聚合物與碳納米管相結合，由此產生的黑色物質能吸收所有的波段光而不發生反射損失，甚至包括紫外線和紅外線等波段，能耐受功率密度達15000W/cm2的高溫能量場。
SiC須狀纖維可有效增強複合材料韌性
針對火箭發動機中的CMC零件必須承受1600℃的溫度，且在氧氣中容易產生裂紋及變脆的問題，美國賴斯大學與NASA合作，探索碳納米管如何改善碳化矽基CMC的耐損傷性能。其中，賴斯大學將碳納米管和碳納米線嵌入到NASA提供的碳化矽纖維表面，形成了一個納米級的“維可牢”（Velcro）,纖維暴露在外的部分捲曲，像鉤子和環一樣，在纖維纏繞的位置產生了很強的內鎖連接力，這不僅使得複合材料不易開裂，同時也將複合材料密封起來防止氧氣改變纖維的化學成分。
其具體的工藝流程包括3步：研究人員先將碳化矽纖維浸沒在鐵催化劑中，以生成連接碳納米管的化學鍵；然後使用水輔助化學氣相沉積(CVD)直接將碳納米管嵌入到纖維表面；隨後加熱至高溫，將碳納米管轉化為碳化矽纖維的晶須。測試結果表明，生長碳納米管的碳化矽比無碳納米管的碳化矽纖維更耐高溫，且很容易做到耐受1000℃的高溫。在高壓力狀態下，生長碳納米管的碳化矽可以輕鬆地在納米壓頭下反彈，極大地增加了其抗裂韌性。
GE公司自我調整通用發動機技術(ADVENT)發動機驗證機採用CMC材料製造的低壓渦輪.
CMC首先在發動機熱端靜子部件獲商業應用
20世紀90年代中期，斯奈克瑪公司與普惠公司在F100發動機的噴管部件上開展了連續纖維增強CMC的工程化研究應用，重點進行了模擬飛機發動機使用環境下的強度壽命考核子試驗驗證，並在F-15E戰鬥機和F-16戰鬥機的F100-PW-229發動機上進行飛行試驗，考察了連續纖維增強陶瓷基複合材料在發動機全壽命試驗下的使用可靠性和可維護性。
目前，SiC/SiC的CMC已經在CFM國際公司的LEAP發動機熱端靜子部件上實現了工程化應用，並完成了首飛。LEAP發動機的一級、二級高壓渦輪噴嘴和一級高壓渦輪罩環均使用了CMC，使得LEAP發動機的高壓渦輪的效率和耐久性大幅提高，發動機重量減輕了數百千克，節重放大效應遠遠超過3:1。此外，LEAP發動機的低壓渦輪導向器葉片採用SiC/SiCCMC，可耐1200℃以上的高溫，並且不需要冷卻，易於加工。
CMC熱端旋轉部件也完成了地面試驗
發動機原始設備製造商認為CMC最大的應用應該是在轉子部件上，而CMC材料從靜子件向轉子件過渡的一個關鍵挑戰是必須適應轉子部件的內部應力。2015年2月，GE公司通過F414渦扇發動機驗證機成功驗證了CMC低壓渦輪葉片，這也是世界上首個非靜子元件的輕質CMC部件。
GE公司SiC/SiC低壓渦輪葉片重量將僅為金屬葉片重量的1/3，且第二級CMC葉片不必空氣冷卻，氣動效率更高。此外，由於CMC葉片更輕，因此可以減小連接CMC葉片的金屬葉盤的尺寸和重量，且更輕的葉片導致更小的離心載荷，意味著輪盤、軸承和其他部件能夠更輕薄。F414發動機的CMC部件試驗經歷了500個嚴酷的迴圈，驗證了輕質、耐高溫CMC材料製造的渦輪葉片極強的耐高溫和耐久性能力，因此該材料將廣泛用於GE公司自我調整迴圈戰鬥發動機和下一代商用發動機。之後，該驗證機還將進一步設計並用於驗證GE公司當前與美國空軍研究實驗室合作開展的下一代自我調整發動機技術驗證機（AETD）專案在高應力工況下的耐高溫性能。
在商用發動機領域，GE公司正在研發的用於波音777X寬體客機的GE9X發動機，將含有5個不同類型的SiC/SiC CMC零件：燃燒室內/外襯、一級高壓渦輪罩環、一級噴嘴、二級噴嘴以及低壓渦輪轉子葉片。與LEAP僅在一級高壓渦輪罩環上使用CMC相比，燃燒室和渦輪葉片應用CMC材料是GE9X的一個重大技術突破，GE公司估計GE9X發動機採用陶瓷基複合材料渦輪轉子葉片後總重將降低約455kg，相當於GE90-115發動機淨重的6%。GE9X發動機的推力級別將達到450kN級，燃油效率較目前的GE90-115B將提高10%。
GE公司建成大規模CMC部件生產設施
GE公司預測，未來10年發動機中CMC的用量將增加10倍。為實現該目標，GE公司除了在紐約設立的全球研發中心以外，還完成了垂直一體化CMC供應鏈的4個生產設施，即GE航空集團總部負責CMC產品設計的CMC實驗室；CMC原材料及部件的小批量生產廠；CMC部件大批量生產廠，生產包括LEAP所使用的SiC/SiC渦輪罩環等部件，其目標是在2020年實現年產能超過36000個罩環；以及CMC大批量原材料生產設施，該設施包括兩間工廠，分別批量生產碳化矽陶瓷纖維和使用碳化矽纖維生產單向預浸料。
碳化矽陶瓷纖維工廠將是美國國內首家規模量產該材料的工廠，此前全球範圍內僅在日本有一家隸屬于NGS先進纖維公司的碳化矽陶瓷纖維量產工廠，正是該工廠一直為GE提供CMC部件所需的碳化矽纖維原材料，其中NGS是日本碳素株式會社（50%股權）、GE（25%股權）和法國賽峰集團（25%股權）於2012年共同出資建立的合資公司。在工藝技術方面，GE的碳化矽纖維工廠主要來自NGS公司的授權；資金方面則來源於美國空軍實驗室的資助（2190萬美元）和GE自籌的資金。碳化矽纖維工廠竣工投產後，美國國防部、GE航空、賽峰集團將成為其主要客戶。單向預浸料工廠的資金由GE公司單獨承擔，產品將供給CMC工廠生產零件，完工的零件運送到先進陶瓷塗層公司（ACC）進行表面處理，將陶瓷環境障塗層（EBC）應用在SiC/SiC元件表面，從而保護元件免受侵蝕。
美國下一代陶瓷基複合材料的技術攻關方向
美國下一代CMC用在發動機熱端部件時面臨兩項挑戰：一是材料韌性不足，難以滿足疲勞性能需求；二是材料製備工藝複雜、成本高等問題。目前的應對措施之一是開發不同於GE所用的熔融滲透製備工藝，因為老工藝下矽揮發過多，導致基體中形成裂縫，造成材料脆性大、韌性不足。措施之二是，改進材料成分，改變含矽材料在高溫下會與水蒸氣反應、造成成分損失的問題，從而減少對多層環境障塗層的依賴，達到降成本的目的。
新專利水樣聚合物具有更高溫穩定性
美國堪薩斯州立大學的研究人員開發出一種水樣聚合物（具有與水類似的密度和黏度），可加工成1700℃的陶瓷材料，品質密度比其他超高溫陶瓷（如硼化鋯和碳化鉿等）低3～6倍。這種聚合物由矽、硼、碳、氮和氫5種成分組成，比其他的SiBNC聚合物具有更長的保質期，其生成的陶瓷具有隨機微觀結構，這種結構在傳統陶瓷材料中一般觀察不到：矽原子與氮和碳連接而不是與硼連接；碳原子與另一個碳連接形成類石墨烯的鏈狀結構。這種獨特的結構可以延遲與氧氣的反應，從而使得材料在高溫下具有較高的穩定性。
這種水樣聚合物也可以用於製造陶瓷纖維。當加熱到50℃～100℃，該聚合物成為一種糖漿樣凝膠，可以拉絲製成陶瓷織物或網。它也可以注入模具，加熱成形，製成高精度、複雜形狀陶瓷部件。其他靈活的加工方式包括用於高溫防護的可噴塗塗層以及3D列印。這種聚合物與碳納米管相結合，由此產生的黑色物質能吸收所有的波段光而不發生反射損失，甚至包括紫外線和紅外線等波段，能耐受功率密度達15000W/cm2的高溫能量場。
SiC須狀纖維可有效增強複合材料韌性
針對火箭發動機中的CMC零件必須承受1600℃的溫度，且在氧氣中容易產生裂紋及變脆的問題，美國賴斯大學與NASA合作，探索碳納米管如何改善碳化矽基CMC的耐損傷性能。其中，賴斯大學將碳納米管和碳納米線嵌入到NASA提供的碳化矽纖維表面，形成了一個納米級的“維可牢”（Velcro）,纖維暴露在外的部分捲曲，像鉤子和環一樣，在纖維纏繞的位置產生了很強的內鎖連接力，這不僅使得複合材料不易開裂，同時也將複合材料密封起來防止氧氣改變纖維的化學成分。
其具體的工藝流程包括3步：研究人員先將碳化矽纖維浸沒在鐵催化劑中，以生成連接碳納米管的化學鍵；然後使用水輔助化學氣相沉積(CVD)直接將碳納米管嵌入到纖維表面；隨後加熱至高溫，將碳納米管轉化為碳化矽纖維的晶須。測試結果表明，生長碳納米管的碳化矽比無碳納米管的碳化矽纖維更耐高溫，且很容易做到耐受1000℃的高溫。在高壓力狀態下，生長碳納米管的碳化矽可以輕鬆地在納米壓頭下反彈，極大地增加了其抗裂韌性。