陶瓷基复合材料：热引擎解决方案

针对客运、监管和成本的压力，航空发动机制造商花费了数年的时间研究外来材料，这些材料可能有助于降低商业客机的发动机噪音、减少排放和燃料消耗（衡量发动机设计效率的推力输出，主要与质量或重量有关）。为了达到这些目的，他们仔细研究了超耐热材料，这些材料显示了在预计生命周期内的可靠性能，足以应对飞机发动机所经历的各种条件下产生的最达可达1093℃的极端温度。

在包括镍超级合金在内的候选材料中，陶瓷基复合材料（CMCs）成为其中的佼佼者，不同形式的陶瓷基复合材料已经在通用电气、劳斯莱斯、普惠公司等主要飞机发动机制造商的研发中存在多年。

高温材料的先驱者

位于美国加利福尼亚州的复合材料公司CHI（Composites Horizons）是一家高温材料先驱企业，其于2010 年赢得了GE 航空公司的合同，为通用电气新近通过FAA认证的Passport 20 发动机构建CMC 排气混合器、锥形中心体和核心机整流罩部件。Passport 发动机应用于庞巴迪公司的远程商用飞机、环球7000 及环球8000 飞机，以及其他原始设备制造商的类似机型。到目前为止，CHI 已经在GE 合同下生产了300 多个陶瓷元件。

CHI的业务始于高温有机聚合物，公司自1974 年成立以来一直专注于高温复合材料。2016 年公司被Berkshire Hathaway 集团旗下的Precision Castparts 公司所收购。CHI 总裁兼首席执行官Jeff Hynes 说：“我们是二十世纪70 年代末和80 年代初期聚酰亚胺复合材料的早期创新者之一，并且与发动机和飞机制造商合作了所有关键的聚酰亚胺材料。但这还不够，我们的发动机客户在高温领域一贯和持久的关注，也激发了我们在无机陶瓷材料中研究和追求高温材料的兴趣，这是有机复合材料所无法实现的。因此说，我们公司一直始终如一专注于高温材料。”

CHI 凭借其高温材料方面经验，以及航空航天、工业市场对高品位热区材料日益明显的需求，作出了充分投资CMC 技术的战略决策。然而，Hynes 解释说：“你不能简单地把这些材料放在加工聚合物基复合材料（PMC）的刀具上，或者把它们放在PMC 铺陈的工厂里。”Hynes 说，“你可能会碰到污染方面的问题。”

步骤1：在用特殊脱模剂处理金属模具后，将切割图案按照指定的层厚安排在模具上。

步骤2：将成品叠层真空包装，并将部件转移到高压釜中以在高热和高压下固化。

步骤3：固化后，取出真空袋和垫片，将零件脱模，然后转移到烧结炉中。

因此，2014 年，Composites Horizons 公司在获得GE 公司Passport 20 发动机（庞巴迪7000和8000 超远程商务机）喷嘴零件合同后，新增加了一个3,252m2的CMC 专业厂， 并引进新的CNC 刀具（刀片设计用于切割磨料陶瓷材料）、热压罐、1093℃烧结炉、激光投影系统、五轴数控铣床等。

此外，原波音公司航天飞机项目32 年的资深人士Bill Roberts被聘为公司陶瓷业务的副总裁。

与金属相比，CMC 在发动机中的好处

如上所述，CMC 的一个重要特点是它能够承受极热的引擎和引擎排放热气。在这个应用中，这是一个重要优势，因为当喷气发动机在高温下运行时，可以通过减少冷却气流，提高涡轮热效率，而且降低结构复杂性和制造难度。

CMCs 的另一个优点是，与较耐高温的PMCs 材料一样，它具有柔性特性，并可以形成非常紧凑的半径，例如发动机混合器的紧凑半径和复杂的形状。Hynes 指出，这与在这种或类似复杂的部位上不灵活的金属形成了鲜明的对比。

步骤4：将零件从烧结炉中取出并冷却后，在这台Fooke 5 轴数控铣床上进行加工。

第5 步：质量控制检查，由Romer 坐标测量机进行的表面测量。

第6 步：对混合器进行NDI 无损检查。检查前，非反射涂层进行处理，以改善热成像图像的质量。

混合器用于小型到中型飞机发动机，以改善热芯发动机排气与冷却旁路空气的混合（由发动机风扇驱动空气绕过核心发动机）。在CMCs 混合器中可以实现的光滑、紧凑的形状，因而有助于混合旁路空气和排气。更有效的气流混合，以实现更好的燃油消耗。这样可以提高发动机效率，降低发动机噪音。

出于同样原因，CMCs 也比其他材料，例如焊接的钛，更能抵抗声音或振动疲劳，特别是在混合器等设计中。弯曲或成型半径非常小的金属常常会出现疲劳损坏，但CMCs 相比之下更为宽容和耐用，结构耐久性更好。利用CMC 材料可以制造出众多、奇特的几何形状，而且没有焊接接头的疲劳风险。

作为额外的好处，CMCs 有助于轻量化发动机的结构。氧化物陶瓷约为镍合金密度的三分之一，但却具有相似甚至更高的温度能力。所以使用CMCs 可以显著降低发动机结构的整体质量。

为GE 设计零件和材料

通用电气航空公司在美国阿拉巴马州设立了一个单独的工厂，通过与赛峰集团（Safran Aircraft Engines）的合资企业生产碳化硅（SiC）CMC 材料，用于制造其LEAP 和其他发动机的涡轮罩、喷嘴和其他“超级热区”的部件。然而，为了控制成本，通用电气的Passport 20 转向了不同的CMC材料。CHI 销售和市场副总裁Tim Shumate 解释说：“连续SiC 纤维增强SiC 复合材料（SiC / SiC）是一种非常昂贵的材料，而Passport 20 排气组件的温度要求并不需要SiC/SiC 来提供耐受更高温度的能力。”

对于混合器、中心体和核心罩的CMCs 部件，GE 设计了使用氧化铝纤维和氧化铝基体的CMC 预浸料坯——称为Ox-Ox CMC——并随后对Passport 20 的预浸料以及一些军事应用进行了认证。预浸料坯由Axiom Materials Inc. 公司根据GE的规格进行生产。Axiom 使用3M Advanced Materials 生产的3M Nextel 720 氧化物连续长丝陶瓷纤维编织GE 的织物。然后织物被氧化铝基质预浸渍。

陶瓷基质是氧化铝和其他填料和材料的浆料。当基质在高压釜中加热然后烧结时，纤维和基质熔合在一起。这一过程与标准的PMCs 不同，在标准的PMCs 中，两种非常不同的有机材料，如碳纤维和环氧热固性树脂，被结合并热模塑成新的分子结构。Hynes 解释说，Ox-Ox CMC 材料中的纤维和基体具有非常相似的化学结构，衍生自粉末和各种其他混合物。当这些材料被烧结和硬化时，它们的化学成分保持不变。

Hynes 说，这些零件的设计载荷来自发动机核心气流和外部气流的空气载荷，主要是压力载荷，而不是拉伸或压缩。像碳纤维或玻璃纤维一样，氧化物纤维可以在叠层中取向以获得准各向同性的结构。

生产Ox-Ox CMC 部分

对于Passport 20 发动机，CHI 公司所生产的Ox-Ox CMC部件由混合器、排气中心体和发动机核心罩组成。混合器和中心体都是发动机喷嘴的一部分。为此，在Gerber 自动平板数控切割机上将Axiom 多轴预浸料坯裁切成预先设计的图案。Ox-Ox CMC 预浸料使用具有挥发性灰点的溶剂，因此必须冷藏直至使用。因此，它们在室温下累积的时间有限，需要严格的控制程序。

精密切割的图案是由手工铺在定制的金属模具上，之前使用特殊的脱模剂进行处理。由Gerber 子公司Virtek Vision
International 提供的激光投影系统进行辅助铺陈。模具由GE或AIP Aerospace 提供，后者是CHI 公司之前的所有者。

混合器组件，是生产中最复杂的部件，直径965毫米，长610毫米。该混合器采用多段金属工具进行成型，组装后用于叠层，然后在高压釜固化后拆卸，以便将工具安全地从零件上取下。在铺叠后，使用来自Airtech International Inc. 尼龙袋真空装袋并在高温高压下在高压釜中固化，然后在烧结之前脱模。由于高压釜循环使陶瓷处于绿色状态——即压实但未完全固化——Hynes 解释说：“在烧结炉完全硬化之前，我们必须非常小心地对这种复杂部件进行脱模。”

发动机排气中心体为一个锥形结构，直径约460毫米（前端），610毫米高。它位于混合器的内部，并从混合器的后缘向外突出。对于这部分，切割的图案是由手工放置凹（阴模）模具，并覆盖有一个特殊材料制成的垫板，以施加和平衡压力。在进入烧结循环之前，它也被真空袋装、高压釜固化并脱模。

核心罩由四部分组成，每部分长约1.52米，弯曲形成一个围绕发动机核心的气缸。这些部件也被放置在单面凹面模具中，覆盖有盖板并真空包装。而且，它们也在烧结炉中进行高压釜固化、脱模和精加工。

在每种情况下，固化后的部件在脱模后转移到烧结炉中。定制设计的炉子具有电脑控制的可拆卸地板，该设计可保护工作人员不必进入炉子。加载部件后，地板启动，自动在炉下滑动，然后提升到位。将装载的地板放入炉内后，关闭隔热门，使炉温达到工作温度。当炉子达到1093℃时，陶瓷基质熔丝和残余有机材料燃尽。

将部件从烧结炉中取出并冷却后，使用专门设计的切割工具将这些部件转移到Fooke GmbH5 轴数控铣床上进行铣削、磨削和钻孔。

下一步是质量控制：首先使用Hexagon Metrology Inc. 的Romer CMM（坐标测量机）测量外表面，以确认表面尺寸和形状。接下来，使用红外线热成像设备在现场进行无损检测（NDI）。 自动检测系统包括一个机器人和各种其他铰接装置，使前视红外热像仪（FLIR）能够在复杂部件上保持直视，并扫描每个零件表面的100%，以检测孔隙和分层。在灰分热成像中，使用热源（例如短暂的光脉冲）加热样品表面，而红外相机记录表面温度的变化。当样品冷却时，它的表面温度会受到内部缺陷的影响，包括不粘结、空隙或夹杂物，从而阻碍热量流入样品。

最后，使用机械紧固件组装金属细节和陶瓷部件，然后完成的单元被包装运往GE，最终组装完成。

Hynes 指出，发动机零部件的紧固件技术是知识产权，通常由原始设备制造商密切保护，因为在发动机组件中发现的材料的热膨胀系数（CTE）不同。尽管氧化CMC 在运行中耐高温，但其CTE与铝相似。因此，附着在镍合金上的氧化物组分之间的热失配是重要的设计考虑因素。

市场和应用

2015年，与通用电气合同正在进行中，CHI同时开始开发自己的Ox-Ox CMC基质材料，分别命名为AXC-610和AXC-720。Hynes 说，CHI目前正在将这些材料用于其他两种应用：一种用于航空航天，另一种用于工业应用。

Hynes进一步解释说，CHI开始与Nextel氧化铝连续纤维供应商3M先进材料公司和预浸料供应商Axiom Materials公司合作，使用AXC氧化物基体测试几种氧化物织物，以寻求替代工业标准陶瓷织物的更低成本替代方案。

大多数Ox-Ox CMC材料是使用非常细的（和昂贵的）1,500丹尼尔纱线完成的，但是3M可以供应更高丹尼尔的纱线（3000、4,500和10,000丹尼尔），增加丝束中的细丝数量，同时保持相同的单丝直径。这在纤维生产中产生了显著的成本优势，并可以传递给供应链和零件制造商。

然而，强烈建议在选择适用于特定应用的最低成本CMC织物时应仔细考虑部件轮廓和铺层特性。例如，使用高达3,000丹尼尔的预浸料可以获得紧密的轮廓，但不推荐用于4500丹尼尔纱线。不过，较高的丹尼尔数可以使平缓的几何形状成为可能。

Hynes说，使用成本较低的织物形式，该方案成功地展现了与用更昂贵的工业标准陶瓷织物形式达到的性能相当的机械性能，温度高达1177℃。除织物外，Ox-Ox CMC丝束、胶带或短切纤维也可制成。这种成本更低，更高丹数的Ox-OxCMC 材料的市场包括高性能航空航天应用，以及工业、能源和可能的高端汽车应用。

消耗量量更少

陶瓷基复合材料正在为飞机发动机带来颠覆性的影响，它改变了游戏规则，这是一个融合了先进材料和技术（包括通用电气的创新碳纤维复合材料风机）的集成推进系统。其结果是降低了8% 的燃料消耗量；降低了振动和噪音；显著减少了排放量，提升了远程性能。