■ 張巖 戴淑波 / 中國航發(fā)西航

陶瓷基復合材料（CMC）的密度只是鎳基合金的1/3，強度則是鎳基合金的兩倍且耐高溫能力提升了100～200℃。自1986年獲得第一個陶瓷基復合材料專利以來，GE公司在30余年的時間里持續(xù)投入了約10億美元，研究如何利用這種材料在經濟可承受前提下的批量生產，以替代目前廣泛使用的鎳基合金。

研發(fā)歷程

GE公司位于紐約的全球研發(fā)中心從20世紀90年代初開始研發(fā)CMC制備技術，最初只是用在發(fā)電用燃氣輪機中，在累積了足夠能力和經驗后，GE公司才開始將CMC應用到航空發(fā)動機上。

在GE公司大力推動CMC的過程中，雖然公司內部對于新技術的推廣也存在惰性和阻力，但GE公司一直堅持投資推動CMC的發(fā)展，用多年時間證明了CMC節(jié)約成本的能力和潛在的應用價值。

自2007年GE航空集團從GE能源集團接手陶瓷基復合材料產品部以來，CMC在航空發(fā)動機中的應用研究與開發(fā)取得了長足的進步。其中，2016年新建的碳化硅（SiC）陶瓷纖維工廠得到了美國空軍研究實驗室（AFRL）2190萬美元的資助，該工廠通過NGS先進纖維公司的技術授權，極大地提高了耐1588K高溫SiC陶瓷纖維的產能。目前，GE航空集團正致力于研究、擴大CMC的應用范圍，如圖1所示。

CMC的工程化

圖1 GE航空的CMC零件應用

GE全球研發(fā)中心從20世紀90年代初期開始CMC制備技術的研發(fā)，并制訂了基礎制備工藝流程。大約在2000年，CMC制備工藝的研究被轉移到了特拉華州的紐瓦克微工廠。紐瓦克微工廠作為實驗室與生產工廠之間的橋梁，是實現CMC制造技術工程化的主體。

紐瓦克微工廠不僅要研究如何擴大CMC生產規(guī)模的每一道工序，研究清楚與每道工序相關的因素，并努力使生產工藝經濟可行；還要研究CMC零件能夠承受的極限參數，在理解這些參數的基礎上，不斷縮小最大和最小極限參數的范圍。所以，將CMC的工藝從微工廠轉移給阿什維爾工廠大規(guī)模生產時，后者無須對這些參數進行研究與判定，可以直接了解極限參數。

針對CMC制備工藝，紐瓦克微工廠主要在以下幾個方面實現了突破。

圖2 GE公司CMC發(fā)展簡圖

一是纖維涂層。在纖維涂層工序中，GE全球研發(fā)中心制造了最初始的涂層反應器，在一次涂覆工序中能夠涂覆11股纖維束。而紐瓦克微工廠將該能力增加至一次性涂覆24股纖維束，并且如果有需求的話，還能研究在一次涂覆工序中涂覆72股纖維束。

二是單向帶制備。在單向帶制備工序中，需要使用鼓筒纏繞器。GE全球研發(fā)中心只有一個小型的鼓筒纏繞器，而紐瓦克微工廠的鼓筒纏繞器要大10倍，而且還在研究實現連續(xù)單向帶制備工藝。

三是鋪層。在鋪層工序中，GE全球研發(fā)中心用剪刀和刀具實現切割和堆疊成形，而紐瓦克微工廠則使用標準博戈（Gerber）技術切刀快速切割單向帶鋪層。目前，微工廠的鋪層工序仍是通過手工鋪層的方式，一層一層地鋪，在鋪層過程中必須使用參考點和其他措施保證每一層都在正確的位置，按正確順序鋪層。但手動鋪層不僅為不合格品的產生留下了隱患，而且還是一個重復性的人工密集型工序，因此微工廠目前正研究實現鋪層工序的自動化。

四是燒結和熔滲。燒結工藝和熔滲工藝的生產規(guī)模相較于在GE全球研發(fā)中心時明顯擴大。但是僅僅擴大規(guī)模是不夠的，還必須找到改進工藝的方法。

2013年，GE公司擴大了對紐瓦克微工廠的投資，建立精益實驗室，由制造部門和工程部門組成的聯合團隊，在開始生產零件之前先確定其制造成熟度等級，在批量生產之前研究出CMC零件的生產工藝并進行驗證。像紐瓦克微工廠這種集產品研發(fā)和制造為一體的模式，已成為GE制造的一個發(fā)展方向。

另外，GE公司在俄亥俄州的埃文代爾也有研究CMC的實驗室和工廠，兩種機構以工程化研究和供應鏈團隊的形式合作，不僅能夠設計零件，還可以制造、測試零件，使實驗室能夠快速了解制造全過程的優(yōu)點、缺點和關鍵點，并找出CMC材料系統的突出價值。按GE公司的規(guī)劃，目前正在使用的CMC發(fā)展路線如圖2所示。其中，CMC復合材料的研發(fā)與生產過程由技術成熟度/制造成熟度（TRL/MRL）0、3、6和9級劃分為不同區(qū)間，每個區(qū)間有不同的實施主體，分別對應不同的工作內容。

CMC的生產

GE公司采用熔滲（Melt Infiltration，MI）方法進行CMC復合材料制備，其在20世紀90年代使用的熔滲工藝如圖3所示。

先由NGS先進纖維公司生產SiC連續(xù)纖維或尼卡龍（Nicalon）纖維。然后在紐瓦克工廠利用化學氣相沉積（CVD）技術在纖維上涂“專有”涂層。然后，將帶涂層的纖維轉化成預制帶，這個過程與處理碳纖維復合材料的工藝類似——纖維浸入漿料混合物，使?jié){料黏結在纖維上，然后將纖維纏繞在鼓筒上，纖維受基體材料環(huán)繞且纖維與纖維之間的距離緊密，得到約9381mm寬、1270mm長、0.17～0.20mm厚的條帶。將條帶切成不同的形狀，把切好的條帶在定形工裝中壘疊，然后送入熱壓罐固化。

圖3 預制件加工

圖4 CMC的熔滲工藝

將熱壓罐固化后內部殘留的所有有機成分燒光。剩下帶陶瓷涂層SiC纖維制成的多孔柵格結構。再用另一個爐子，將與零件接觸的硅熔化后進入柵格結構，將基體內部所有剩余的成分都轉化成SiC。熔滲之前是多孔碳基體，熔滲后得到碳化硅基體。雖然基本成分都是碳化硅，但是熔滲后的SiC纖維在基體內部，這也是材料有韌性的原因。GE公司現在幾乎能夠生產出完全致密的零件，密度為98%或更高，同時纖維性能也沒有損失（如圖4所示）。

CMC材料超硬且耐磨，不適合使用傳統刀具加工。GE公司采用的是帶金剛石涂層的、能夠高效大批量切割CMC的刀具，五軸編程和行業(yè)內使用的編程相同。除了本工序使用帶有金剛石涂層的刀具外，剩余的工序是普通的機械加工。

CMC的應用

首個投入使用的CMC零件是LEAP發(fā)動機的高壓渦輪一級外環(huán)，每臺發(fā)動機有18個外環(huán)來引導氣流，保障渦輪葉片的效率。該零件由GE公司阿什維爾工廠制造，同時該工廠還制造GE9X發(fā)動機的燃燒室內、外襯套和第1級、第2級導向器。

GE公司制造的小型CMC零件有CMC渦輪外環(huán)，周長約為127mm；制造的大型CMC零件有CMC燃燒室襯套，直徑約為813mm，軸向長度203～254 mm。

目前，GE公司認為能夠在航空發(fā)動機中使用CMC的零件如圖5所示，包括燃燒室襯套、外環(huán)、導葉、工作葉片等零件。

圖5 可使用CMC的發(fā)動機零件

CMC零件的大小不同，制備工藝也會受到影響。對于小尺寸的CMC而言，高溫熱解和熔滲工序不受影響，但是當尺寸變小時，鋪層工序就變得更復雜。相反，較大尺寸零件的鋪層工序要簡單得多。但是當零件過大時，就需要熔滲更多的硅進入零件，這是控制難點。

目前，CMC復合材料的生產能力面臨嚴峻考驗：每臺LEAP發(fā)動機有18個CMC渦輪外環(huán)，在配裝波音777X的 GE9X發(fā)動機中，CMC材料也用在燃燒室和高壓渦輪部分，目前將近有700臺的GE9X發(fā)動機訂單，對CMC材料的需求將不斷擴大。為了滿足航空發(fā)動機對CMC材料的需求、提高CMC零件生產效率，GE公司目前正在實驗室研究采用增材制造技術生產CMC零件。另外，碳化硅纖維價格比碳纖維價格高100倍，由碳化硅纖維制備的CMC材料價格更高，有報道稱每千克上萬美元。因此，如何降低CMC材料的成本也是GE公司未來需要解決的問題。

結束語

據GE公司預測，未來10年航空發(fā)動機對CMC零件的需求量將增長10倍。近年來，GE公司一方面通過“內外兼修”的方式，保持CMC材料生產、制造的持續(xù)領先地位；另一方面還積極在美國本土建立CMC的供應鏈，以實現陶瓷基復合材料從原材料到成品的全過程生產，掌握整個流程以保證未來航空發(fā)動機所需的最新材料。