盘点最先进的航空发动机中的新型复合材料

来源:中国航空技术网

发布时间:2016年10月14日下午 03:10:09

美国惠普公司研制的F119发动机,通用电气公司的F120发动机,法国的SNECMA公司的M88-2发动机,英国、德国、意大利和西班牙四国联合研制的EJ200发动机。这些代表世界先进水平的高性能航空发动机,它们的共同特点是普遍采用了新材料、新工艺和新技术。下面我们就来看看那些高性能航空发动机上的新材料。

大型客机的发展是新一代商用航空发动机技术不断发展的动力,在性能、涵道比、耗油率、制造与维护成本、噪声、长寿命等方面都对新一代航空发动机提出了更高的要求。以GEnx、PW1000G、Leap-X、Trent1000等为代表的新型大涵道比民用涡扇航空发动机为应对市场发展的挑战,均采用了多项新技术、新材料,以保证其产品的高性能、良好经济性、高可靠性和环保性,这在客观上也为未来大涵道比民用涡扇航空发动机的技术发展确立了新的标准和发展方向。在不改变目前涡扇航空发动机结构布局的前提下,新材料的应用和新的结构方案是实现航空发动机先进性的重要技术手段。

陶瓷基复合材料

陶瓷基复合材料在航空工业领域是一种非常有发展前途的新型结构材料,特别是在航空发动机制造应用中,越来越显示出它的独到之处。陶瓷基复合材料除了具有重量轻,硬度高的优点以外,还具有优异的耐高温和高温抗腐蚀性能。目前陶瓷基复合材料在承受高温方面已经超过了金属耐热材料,并具有很好的力学性能和化学稳定性,是高性能涡轮发动机高温区理想的极好材料。

目前世界各国针对下一代先进发动机对材料的要求,正集中研究氮化硅和碳化硅增强陶瓷材料,并取得了较大进展,有的已开始应用在现代航空发动机中。例如美国验证机的F120型发动机,它的高压涡轮密封装置,燃烧室的部分高温零件,均采用了陶瓷材料。法国的M88-2型发动机的燃烧室和喷管等也都采用了陶瓷基复合材料。

碳/碳复合材料

C/C基复合材料是近年来最受重视的一种更耐高温的新材料。到目前为止,只有C/C复合材料是被认为唯一可做为推重比20以上,发动机进口温度可达1930-2227℃涡轮转子叶片的后继材料,是美国21世纪重点发展的耐高温材料,世界先进工业国家竭力追求的最高目标。 C/C基复合材料,即碳纤维增强碳基本复合材料,它把碳的难熔性与碳纤维的高强度及高刚性结合于一体,使其呈现出非脆性破坏。由于它具有重量轻、高强度,优越的热稳定性和极好的热传导性,是当今最理想的耐高温材料,特别是在 1000-1300℃的高温环境下,它的强度不仅没有下降,反而有所提高。在1650℃以下时依然还保持着室温环境下的强度和风度。因此C/C基复合材料在宇航制造业中具有很大的发展前途。

C/C基复合材料在航空发动机上应用的主要问题是抗氧化性能较差,近几年美国通过采取一系列的工艺措施,使这一问题不断得到解决,逐步应用在新型发动机上。例如美国的F119发动机上的加力燃烧室的尾喷管,F100发动机的喷嘴及燃烧室喷管,F120验证机燃烧室的部分零件已采用C/C基复合材料制造。法国的M88-2发动机,幻影2000型发动机的加力燃烧室喷油杆、隔热屏、喷管等也都采用了C/C基复合材料。

树脂基复合材料

树脂基复合材料的服役温度一般不超过350℃。因此,树脂基复合材料主要应用于航空发动机的冷端。树脂基复合材料在国外先进航空发动机上的主要应用部位如图1所示。

图1树脂基复合材料在国外先进航空发动机冷端上的主要应用部位

风扇叶片

发动机风扇叶片是涡扇发动机最具代表性的重要零件,涡扇发动机的性能与它的发展密切相关。据统计,风扇段质量约占发动机总质量的30%~35%,降低风扇段质量是降低发动机质量和提高发动机效率的关键手段,采用更大、更轻的风扇叶片已成为发动机的发展趋势。风扇叶片每减重1kg,风扇机匣和传动系统也相应减少1kg,同时发动机结构和飞机的机翼/机身结构也分别减重0.5kg,这种由于风扇结构减重带来的叠代效应对飞机的减重非常重要。与钛合金风扇叶片相比,树脂基复合材料风扇叶片具有非常明显的减重优势。除具有明显的减重优势之外,树脂基复合材料风扇叶片受撞击后对风扇机匣的冲击较小,有利于提升风扇机匣包容性。

目前,国外已进行商业化应用的复合材料风扇叶片的主要代表有为B777配套的GE90系列发动机,为B787配套的GEnx发动机,还有为中国商飞C919配套的LEAP-X发动机。

进入21世纪,航空发动机对高损伤容限复合材料的强烈需求牵引着复合材料技术进一步发展,而通过不断提高碳纤维/环氧树脂预浸料韧性的方法已经很难满足高损伤容限的要求。在此背景下,3D编织结构复合材料风扇叶片应运而生。Snecma公司采用3D编织/RTM技术来制造LEAP发动机的风扇叶片,即首先用碳纤维编织成具有叶片形状的预制体,然后放入模具中采用RTM成型工艺灌注树脂,相比采用预浸料/模压工艺的铺层复合材料风扇叶片,采用这种工艺成型的复合材料叶片具有非常优异的层间性能,其损伤容限与抗外物损伤性能大大提升。

值得注意的是,这两种结构的树脂基复合材料风扇叶片均采用钛合金加强边对叶片前缘、叶尖、叶根等关键部位进行增强。

风扇机匣

风扇机匣是航空发动机最大的静止部件,它的减重将会直接影响航空发动机的推重比与效率。因此,国外先进航空发动机OEM也一直致力于风扇机匣的减重与结构优化工作。图2为所示为国外先进航空发动机风扇机匣发展趋势。

相对于金属叶片,复合材料叶片在脱落冲击风扇机匣时会分裂成更小的碎片,有利于机匣的包容。伴随着树脂基复合材料风扇叶片在航空发动机上的应用,全树脂基复合材料风扇机匣开始在航空发动机上推广应用。GEnx发动机即同时采用了复合材料风扇叶片和全复合材料风扇机匣,使树脂基复合材料的减重优势得以充分发挥。这种风扇包容机匣首先采用二维三轴编织技术制造编织预成型体,当复合材料风扇叶片碎片撞击到包容机匣后,可以被有效包容,包容效率提高大约30%。

图2风扇机匣发展趋势

风扇帽罩

因为是非主承力构件,风扇帽罩是航空发动机上最先使用的复合材料制造的部件之一,使用复合材料制造的风扇帽罩可以提供更轻的重量、简化的防冰结构、更好的耐蚀性以及更优异的抗疲劳性能。目前,复合材料替代合金作为风扇进气帽罩的材料已经成为了一种趋势。

目前,在R.R公司RB211发动机、PW公司PW1000G、PW4000已经采用树脂基复合材料制备风扇帽罩。

出口导流叶片作为静止部件,出口导流叶片(OGV)已经在国外先进航空发动机冷端部件上得到广泛应用,PW4084、PW4168发动机采用PR500环氧树脂制造风扇OGV。 PW1000G发动机采用AS7纤维/VRM37环氧树脂RTM成型工艺制备风扇OGV,并已形成成熟的复合材料静子叶片工艺和技术体系。

短舱

相比航空发动机主机,树脂基复合材料在航空发动机短舱具有更广阔的应用空间。根据资料,国外厂商已经在短舱进气道、整流罩、反推装置、降噪声衬部位大规模使用树脂基复合材料。

其他部位根据资料,在航空发动机风扇流道板、轴承封严盖、盖板等部位也在不同程度的应用树脂基复合材料。

金属基复合材料

和树脂基复合材料相比,金属基复合材料具有良好的韧性,不吸潮,能够耐比较高的温度。以碳化硅纤维增强钦合金基体复合材料可用来制造压气机叶片。碳纤维或氧化铝纤维增强镁或镁合金基体复合材料可用来制造涡轮风扇叶片。又如镍铬铝铱纤维增强镍基合金基体复合材料可用来制造涡轮及压气机用的密封元件。

其他如风扇机匣、转子、压气机盘等零件,国外都有采用金属基复合材料制造的实例。但是这种复合材料存在的最大问题之一是增强纤维和基体金属之间容易发生反应而产生脆性相,使材料性能变坏。尤其是在较高温度下长时使用,界面的反应更为突出。目前解决的办法是根据不同纤维、不同基体,在纤维表面加适当涂层,以及对基体金属进行合金化,以减缓界面的反应,保持复合材料性能的可靠性。

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