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  2. 第3414期   20190307
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航空发动机上典型复合材料的应用

GE90系列发动机采用树脂基复合材料制成的风扇转子叶片。

斯奈克玛公司将自愈合陶瓷基复合材料应用于研制燃烧室火焰筒和火焰稳定器。

GE公司采用陶瓷基复合材料叶片的涡轮转子。

复合化是新材料的重要发展方向,也是新材料的重要组成部分和最具生命力的分支之一。航空发动机使用最广泛的先进复合材料有:树脂基复合材料、陶瓷基复合材料和金属基复合材料,它们替代了传统材料,拥有显著的减重效果。

树脂基复合材料

树脂基复合材料具有高比强度和比模量、抗疲劳、耐腐蚀、可设计性强、便于大面积整体成型以及具有特殊电磁性能等特点。国外的树脂基复合材料减重效率在25%以上。树脂基复合材料主要应用在航空发动机的外涵机匣、进气机匣、风扇静子叶片、压气机静子叶片、风扇转子叶片、包容机匣和升力风扇驱动轴上。

陶瓷基复合材料

陶瓷基复合材料具有类似金属的断裂行为、对裂纹不敏感、没有灾难性损毁等特点,是军用和民用发动机不可或缺的高温材料。其中应用最广泛的是氮化硅基复合材料。

与高温合金和单相陶瓷相比,陶瓷基复合材料的优势有:密度低,仅为高温合金的1/4~1/3;具有很好的耐高温能力,只需较少气体冷却或根本不需要冷却;具有较高的氧化稳定性,使用该材料的高温部件可以不使用昂贵且沉重的隔热涂层或氧化保护涂层。陶瓷基复合材料主要应用于发动机的燃烧室、高压涡轮、低压涡轮和喷管等部件上。

从2015年起,GE公司开始在GEnx验证机上开展包含燃烧室火焰筒内外环、第一级高压涡轮罩环、第二级涡轮导向器、涡轮转子叶片的陶瓷基复合材料部件试验,来验证整套热端部件的功能性和耐久性。GE9X发动机的陶瓷基复合材料涡轮转子叶片能够实现叶片减重2/3,耐温提高20%,对耗油率改善的贡献率达30%;而使用陶瓷基复合材料的燃烧室火焰筒能以更少的冷却空气量应对更高的温度,改善发动机热效率。

金属基复合材料

金属基复合材料是唯一正在研制并具有固有延展率的强基体复合材料。在航空领域尤其是航空发动机上应用最多的主要是钛基复合材料(Ti- MMC)和铝基复合材料(Al-MMC)。

钛基复合材料主要应用于航空发动机的压气机整体叶环、空心风扇叶片、低压轴和作动杆等零部件上。

铝基合金复合材料是工作温度不超过150℃的航空发动机低压压气机和外涵等部件最具应用潜力的材料, 可以替换铝合金,在质量没有改变的同时提高了性能。

作为风扇出口导流叶片或压气机静子叶片,铝基合金复合材料的耐冲击(冰雹、鸟撞等外物打伤)能力比树脂基复合材料(石墨纤维/环氧)好, 且易于发现损伤。此外,铝基合金复合材料还具有七倍于树脂基复合材料的抗冲蚀(沙子、雨水等)能力,而使用成本只有树脂基复合材料的三分之二。

过去,航空发动机性能的提高有三分之一归功于新材料的采用,今后这个比例还将升高。如今,环境与能源问题逐渐成为人们关注的焦点,复合材料作为未来材料发展的主流,必将发挥更重要的作用。 (黄睿