■ 焦健 齊哲 呂曉旭 高曄 / 中國航發(fā)航材院

航空發(fā)動機是飛機的“心臟”，其使用工況十分復(fù)雜，且壽命要求極高：與飛機相比，關(guān)鍵熱端結(jié)構(gòu)材料的使用溫度更高（通常在1000℃以上）；與航天相比，材料的使用壽命更長（一般要求3000h以上）。因此，能同時滿足航空發(fā)動機高溫、長壽命使用要求的材料體系非常有限，而逐漸發(fā)展成熟的陶瓷基復(fù)合材料則正在成為一種理想的解決方案。

現(xiàn)階段，航空發(fā)動機燃燒室、渦輪等高溫結(jié)構(gòu)的材料仍以高溫合金為主。經(jīng)過40多年發(fā)展，以單晶合金為代表的金屬材料耐溫能力大幅提高，但仍與發(fā)動機燃燒溫度相差較大，而且在新一代發(fā)動機中，差距逐漸增大（如圖1所示）。為彌補材料耐溫能力不足的問題，設(shè)計人員大多采用“熱障涂層+氣膜冷卻”的主動冷卻方案。但冷卻氣的引入直接影響燃燒效率，而且燃燒溫度越高，影響作用越大。因此，耐溫能力的提升是實現(xiàn)發(fā)動機更新?lián)Q代的最根本的解決途徑。

陶瓷材料耐溫能力高、力學(xué)性能好、密度低，很早就被認(rèn)為是發(fā)動機高溫結(jié)構(gòu)的理想材料，但由于陶瓷韌性差，一旦損壞會引起發(fā)動機災(zāi)難性后果，因而限制了其應(yīng)用。為提高陶瓷材料的韌性，材料學(xué)家經(jīng)過不懈努力發(fā)展出陶瓷基復(fù)合 材 料（Ceramic Matrix Composite，CMC）。

陶瓷基復(fù)合材料的基本概念、分類及特點

陶瓷基復(fù)合材料基本概念

陶瓷基復(fù)合材料范圍很廣，已在發(fā)動機上得到應(yīng)用的主要有碳化硅纖維增強碳化硅復(fù)合材料（SiCf/SiC）和氧化物纖維增強氧化物復(fù)合材料（Ox/Ox）兩種。

SiCf/SiC復(fù)合材料由碳化硅纖維（一般直徑為12μm）、纖維表面界面層（厚度為0.2～0.5μm）、碳化硅基體3部分組成。該類材料抗氧化能力高、質(zhì)輕（密度2.1～2.8 g/cm3），高溫（1200～1400℃）燃氣壽命達幾千小時，遠高于高溫合金使用溫度，是軍用/商用航空發(fā)動機核心機熱端結(jié)構(gòu)最理想的材料（如圖2所示）。

圖1 發(fā)動機渦輪前進口溫度與輸出功率關(guān)系

Ox/Ox復(fù)合材料是指以氧化物陶瓷為基體與氧化物纖維（直徑一般為10～12μm）復(fù)合的一類材料。該材料比SiCf/SiC的耐溫能力略低（1150℃左右），但由于不存在氧化問題，其壽命可達到上萬小時，加之密度低（約2.5 g/cm3）、價格合理，是渦軸、燃氣輪機核心機高溫結(jié)構(gòu)及渦噴、渦扇發(fā)動機尾噴管結(jié)構(gòu)（如圖2所示）的優(yōu)選材料。

圖2 SiCf / SiC及Ox / Ox在航空發(fā)動機上的潛在使用部位

SiCf/SiC和Ox/Ox復(fù)合材料均具有韌性高、耐高溫、抗氧化、密度低等特性，因此，美國著名發(fā)動機材料學(xué)家格雷戈里·科爾曼（Gregory S. Corman）和克莉珊·盧瑟（Krishan L. Luthra）稱“陶瓷基復(fù)合材料代替超高溫合金引發(fā)了發(fā)動機高溫材料領(lǐng)域的一場革命”。

SiCf/SiC復(fù)合材料的分類

經(jīng)過40多年的發(fā)展，國外SiCf/SiC復(fù)合材料在發(fā)動機上的應(yīng)用已相對成熟，完整的規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)是該材料成熟的重要標(biāo)志之一。2016年，美國材料與試驗協(xié)會（ASTM）發(fā)布的SiCf/SiC復(fù)合材料分類具體標(biāo)準(zhǔn)，通過8個“數(shù)字+字母”組合描述該材料的基本屬性，即“SC2-”。其中SC2是SiCf/SiC復(fù)合材料的縮寫；前3位描述材料的基本組成及工藝，x1代表纖維種類、n1代表增強方式、x2代表致密化工藝；中間三位代表材料的基本物理性能，n2代表纖維體積分?jǐn)?shù)，x3代表密度、n3代表孔隙率；最后兩位代表材料的基本力學(xué)性能，n4代表強度、n5代表模量。每個字母或數(shù)字按照類型或數(shù)值大小分為不同等級，具體分級標(biāo)準(zhǔn)見表1。

必須指出，“設(shè)計—材料—制造”一體化是復(fù)合材料最為重要的特點。因此，陶瓷基復(fù)合材料的分類比金屬材料的分類復(fù)雜得多，涵蓋了關(guān)鍵原材料、增強方式、致密化工藝、物理性能、力學(xué)性能等一系列信息，可為設(shè)計提供初步篩選依據(jù)，但這些數(shù)據(jù)是非?；A(chǔ)的，遠不能支持設(shè)計選材所需。

工程選材是一個非常復(fù)雜的過程，涉及的因素眾多，主要從材料可行性、制造可行性及產(chǎn)品可設(shè)計性等3個方面考慮。一種新材料要想在發(fā)動機上應(yīng)用需要經(jīng)過大量的試驗，以美國GE航空集團為例，陶瓷基復(fù)合材料代替金屬積累了幾百萬小時的試驗數(shù)據(jù)，特別是材料級試驗更是一個數(shù)據(jù)大量積累的過程，絕非可以一蹴而就的。按照“數(shù)據(jù)應(yīng)用屬性”，材料試驗一般要經(jīng)歷幾個階段：材料篩選試驗（screening tests），即在特定使用條件下開展的試驗，也就是常說的關(guān)鍵性能試驗，該階段關(guān)鍵性能的提取非常重要；材料鑒定試驗（qualification tests），即材料是否滿足產(chǎn)品的使用要求，提供最初的設(shè)計用數(shù)據(jù)；材料驗收試驗（acceptance tests），即主要驗證產(chǎn)品關(guān)鍵性能的一致性、穩(wěn)定性，通常要對多批次試驗進行統(tǒng)計；等同性評價用數(shù)據(jù)（equivalence tests），即主要評價替換材料的主要性能與替換前材料的性能一致。一般而言，以上數(shù)據(jù)很難在公開的文獻、手冊中出現(xiàn)，設(shè)計人員須根據(jù)自身產(chǎn)品的工況特點及不同階段提出具體的試驗項目及數(shù)量。

陶瓷基復(fù)合材料產(chǎn)品制造的關(guān)鍵技術(shù)

復(fù)合材料致密化技術(shù)

由碳化硅纖維到SiCf/SiC復(fù)合材料的過程一般被稱為致密化過程，不同致密化工藝制備的復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)不同，所以其性能截然不同，適用行業(yè)也不同。目前，較為成熟的致密化工藝包括熔滲工藝（Melt Infiltration，MI）、 化學(xué)氣相滲透（Chemical Vapor Infiltration，CVI）和先驅(qū)體滲透裂解（Polymer Infiltration Pyrolysis，PIP）。

熔滲工藝通常指在高溫（一般大于硅熔點1410℃）下，將熔融硅滲入到多孔體中，并迅速形成致密基體的過程。

MI工藝方法眾多、工藝步驟繁雜、技術(shù)難度最大，但大體上主要分為四步：纖維或其編織物界面層制備；纖維增強樹脂基復(fù)合材料及構(gòu)件成型；纖維增強樹脂基復(fù)合材料碳化；高溫滲硅。MI工藝制備的SiCf/SiC復(fù)合材料表現(xiàn)出非常優(yōu)異的高溫抗氧化、抗疲勞蠕變性能，這主要是因為其基體致密性高，最大程度地保留了碳化硅陶瓷本身特點。此外，該工藝制備周期短（1～2周），易于實現(xiàn)大規(guī)模批產(chǎn)。但MI工藝也有一定的缺點，主要是工藝溫度高，容易對纖維造成損傷；此外，由于基體中含有少量自由硅，在高于硅熔點使用時，存在氧化問題。GE航空集團、羅羅公司等主流航空發(fā)動機企業(yè)都開展了基于熔滲工藝的SiCf/SiC復(fù)合材料研究，并形成了多個材料牌號，按照上述分類標(biāo)準(zhǔn)，GE航空集團采用預(yù)浸料-熔滲工藝制備的材料應(yīng)劃歸為SC2-A1M-2B2-42。

CVI工藝是由化學(xué)氣相沉積（Chemical Vapor Deposition， CVD）工藝發(fā)展而成，是最早的制備碳化硅基復(fù)合材料的工藝。其工藝過程是將氣源和載氣按照特定比例通入負壓的沉積室中，通過氣體擴散作用或由壓力差產(chǎn)生的定向流動將氣態(tài)先驅(qū)體擴散至纖維預(yù)制體內(nèi)部，進而在纖維表面裂解和沉積，實現(xiàn)纖維預(yù)制體的致密化。

CVI工藝制備的SiC基體以較為理想的β-SiC晶體為主，硅碳比由于工藝參數(shù)差別會略有不同。由于沉積溫度較低（1000℃左右），制備過程中纖維損傷較小。但該工藝缺點主要包括制造周期長（通常為幾個月）、成本高、復(fù)合材料孔隙率也較高（一般＞10%）。法國的賽峰集團是最早開發(fā)該工藝的公司之一，最先在M88-2型發(fā)動機尾噴管外調(diào)節(jié)片上實現(xiàn)應(yīng)用。

PIP工藝也是近10年來發(fā)展最為迅速的一種制備復(fù)合材料的方法。PIP工藝過程是以纖維預(yù)制體為骨架，在一定的溫度和壓力下，將適當(dāng)理論原子比的液態(tài)聚合物(如聚碳硅烷、聚硅烷等)浸滲到預(yù)制體中，在惰性氣體保護下進行交聯(lián)固化，然后進行高溫?zé)峤馐骨膀?qū)體聚合物轉(zhuǎn)化為所需要的陶瓷基體。

由于熱解過程中伴隨著小分子逸出形成的氣孔和基體熱解后的體積收縮，制備過程需要多次反復(fù)進行浸漬—固化—熱解才能使復(fù)合材料致密化。該工藝最早應(yīng)用于C/C復(fù)合材料的制備，后來廣泛應(yīng)用于制備SiC、Si3N4、BN等陶瓷基復(fù)合材料。與其他工藝相比，該工藝比較簡單、無須加壓、熱解且成形溫度低，對纖維的機械損傷和熱損傷程度小，材料的加工性也較好，更重要的是可以通過先驅(qū)體調(diào)整實現(xiàn)基體組分的設(shè)計。裂解工藝制備的基體的缺點包括基體穩(wěn)定性差、孔和微裂紋較多，所以容易形成氧通道導(dǎo)致纖維性能退化，因此通常需要結(jié)合其他工藝，例如美國國家航空航天局（NASA）發(fā)展出的CVI+PIP雜化工藝制備的N26。

超硬材料加工技術(shù)

陶瓷基復(fù)合材料的精密加工技術(shù)是保證陶瓷基復(fù)合材料工程化用的關(guān)鍵步驟。高硬度是SiCf/SiC復(fù)合材料最主要的特征。該材料主要由碳化硅纖維及碳化硅基體組成。碳化硅的結(jié)晶形態(tài)多種多樣，受工藝因素影響較大。SiCf/SiC復(fù)合材料中常見的結(jié)晶形態(tài)主要是立方碳化硅（β-SiC）、不定形態(tài)碳化硅或混合狀態(tài)：β-SiC是一種超硬脆陶瓷材料，莫式硬度為9.2～9.7，僅次于金剛石，高于剛玉；不定形態(tài)碳化硅的硬度較低，與工藝條件相關(guān)。材料不均勻性是SiCf/SiC復(fù)合材料的另外一個特點，纖維與基體的硬度有差別，基體內(nèi)通常存在大量孔隙，特別是CVI和PIP工藝制備的復(fù)合材料，孔隙率通常達到10%以上?？傮w而言，SiCf/SiC復(fù)合材料硬度高、均勻性差，導(dǎo)致該材料的加工面臨一系列困難。

從發(fā)動機結(jié)構(gòu)特點而言，SiCf/SiC復(fù)合材料構(gòu)件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包括氣膜孔、安裝孔、邊緣輪廓和曲面等。因此，常見的加工需求主要包括精修以及冷卻孔、密封槽等微結(jié)構(gòu)加工兩大類。經(jīng)過致密化后SiCf/SiC復(fù)合材料結(jié)構(gòu)坯體與設(shè)計圖紙仍有較大的差距，需要表面去除、切邊等精修處理才能符合圖紙對精度的需求，常用加工方法有金剛石磨削、水切割、電火花加工、超聲加工、激光加工等，但加工中存在著容易崩邊、加工效率低等問題，硬脆材料的低損傷、高效加工問題是未來該材料工程化過程中的關(guān)鍵問題之一。雖然SiCf/SiC復(fù)合材料耐溫能力有了較大提升，但仍需冷卻孔、密封槽等結(jié)構(gòu)，由于微孔、微槽尺寸小、精度要求高，使得機械刀具、水刀、電火花（EDM ）和超聲加工都面臨分辨率或刀具磨損問題，激光加工可能是未來解決該類技術(shù)難題最有效的途徑之一。

環(huán)境障涂層技術(shù)

高溫干燥條件下SiCf/SiC復(fù)合材料的性能很穩(wěn)定，氧化后表面生成一層致密的SiO2薄膜對內(nèi)部材料起到保護作用，然而在高溫水氧環(huán)境下則會生成容易揮發(fā)的Si(OH)4，導(dǎo)致復(fù)合材料的不斷損耗。消耗速率由反應(yīng)溫度、流速及水蒸氣的分壓比等因素決定，如在6atm、20m/s的燃氣條件時，1250℃下100h后材料質(zhì)量損失為5%左右，而1350℃下則達到了12%～13%。因此，需要在其表面涂覆一層氧化物涂層，以屏障發(fā)動機燃氣環(huán)境對碳化硅基體性能的破壞，這個涂層即環(huán)境障涂層。

環(huán)境障涂層按照材料體系可大致分為3代。

第一代涂層主要是莫來石涂層體系，即3Al2O3·2SiO2。該材料的膨脹系數(shù)與SiC熱膨脹系數(shù)較接近，且化學(xué)相容性好、耐高溫腐蝕性能好，可以在一定程度上保護碳化硅基體。但莫來石的SiO2活度較高，易與水蒸氣反應(yīng)而揮發(fā)，僅留下疏松的Al2O3層，從而引起失效。

針對莫來石涂層的問題，發(fā)展出了黏結(jié)層/過渡層/封填層的3層涂層體系，即第二代涂層體系。該體系通常采用Si作為黏結(jié)層，莫來石或者莫來石+ BSAS（BaxSr1-xAl2Si2O8）作為過渡層， BSAS作為封填層。BSAS與莫來石匹配性較好，且SiO2活度大幅降至0.1左右，能減少涂層在腐蝕環(huán)境中的揮發(fā)。早期索拉透平公司（Solar Turbines）在Centaur 50S型燃氣輪機上的試車結(jié)果顯示，涂覆了該涂層的SiCf/SiC復(fù)合材料燃燒室壽命可達到近15000h，而無涂層僅為4000h左右。

BSAS的耐溫能力有限，在1400℃左右開始發(fā)生相變，為進一步提高使用溫度，開發(fā)了耐溫能力更優(yōu)的稀土硅酸鹽材料為主的新型封填層材料以代替BSAS，也就是常見的第三代環(huán)境障涂層，其使用溫度可達到1480℃。

陶瓷基復(fù)合材料在發(fā)動機上的批量應(yīng)用

GE航空集團的陶瓷基復(fù)合材料應(yīng)用全面開花

GE航空集團是迄今為止SiCf/SiC復(fù)合材料應(yīng)用最成功的發(fā)動機公司。1992年，在美國能源部項目支持下，GE航空集團開創(chuàng)性地發(fā)展出預(yù)浸料-熔滲工藝，實現(xiàn)了高性能SiCf/SiC復(fù)合材料的快速、低成本制備，歷經(jīng)了10余年的“碳化硅纖維研發(fā)—復(fù)合工藝”多輪迭代，以及“材料級—元件級—零件級—部件級—整機”積木式的驗證過程，累計試車時間達到百萬小時以上。2009年，該公司研制的SiCf/SiC復(fù)合材料低壓導(dǎo)向葉片在F136發(fā)動機上完成驗證，并于2010年完成首飛。雖然該型發(fā)動機并未實現(xiàn)量產(chǎn)，但該材料作為一項通用型技術(shù)，已被推廣至商用發(fā)動機、燃氣輪機及下一代軍用渦扇/渦軸發(fā)動機等各類發(fā)動機新型號中。

在商用航空發(fā)動機方面，2016年在LEAP發(fā)動機的渦輪外環(huán)率先使用SiCf/SiC復(fù)合材料并已批產(chǎn)，繼而在新型GE9X商用發(fā)動機的燃燒室、導(dǎo)向葉片、渦輪外環(huán)等結(jié)構(gòu)使用了該材料，耗油率比GE90-115B降低10%，該型號已于2018年開始試飛。

在燃氣輪機方面，H型燃氣輪機使用了SiCf/SiC復(fù)合材料渦輪外環(huán)，其燃燒效率創(chuàng)造的了世界紀(jì)錄。

新一代軍用渦軸GE3000發(fā)動機使用了陶瓷基復(fù)合材料，比T700型發(fā)動機耗油率降低25%、全生命周期成本降低35%，壽命延長20%，功重比提高65%。

2014年GE航空集團以F414發(fā)動機為驗證平臺，開展了渦輪轉(zhuǎn)子葉片的試驗，預(yù)示著其在下一代自適應(yīng)-變循環(huán)軍用渦扇發(fā)動機中打造“全陶瓷發(fā)動機”的雄心。

2016年以來，GE航空集團先后建立了涵蓋“碳化硅纖維—預(yù)浸料—結(jié)構(gòu)件”等工藝全流程的4個工廠，產(chǎn)量預(yù)計達到每年2萬件以上。大規(guī)模廠房及人力的投入標(biāo)志著該材料及技術(shù)已經(jīng)成熟。

圖3 GE航空集團研制的渦輪外環(huán)（左）、轉(zhuǎn)子葉片（右）

其他發(fā)動機公司抓緊陶瓷基復(fù)合材料布局

GE航空集團在SiCf/SiC復(fù)合材料方面建立起了巨大的優(yōu)勢，使其在下一代自適應(yīng)-變循環(huán)發(fā)動機競爭中處于優(yōu)勢地位，率先獲得美國軍方支持。其老對手普惠公司很早也意識到了SiCf/SiC復(fù)合材料的重要價值，但由于工藝路線等原因?qū)е缕溴e誤地估計了形勢。據(jù)悉，普惠公司已意識到早期決策失誤，目前正大力增加該方面的投入。

法國賽峰集團也是SiCf/SiC復(fù)合材料的主要踐行者之一。該公司掌握了化學(xué)氣相滲透工藝，并首先應(yīng)用于在M88-2發(fā)動機的尾噴管外調(diào)節(jié)片上。此后，該公司研制的SiCf/SiC復(fù)合材料的內(nèi)調(diào)節(jié)片在F-15和F-16飛機上進行了試飛。

羅羅公司于2014年收購了美國加州的專門從事SiCf/SiC復(fù)合材料研發(fā)的Hyper-Therm公司，并進行了大規(guī)模擴建及考核驗證工作。該公司掌握了料漿-熔滲工藝，并在Advance及Ultra-fan等新型號中開展渦輪外環(huán)的驗證工作。同時，羅羅公司與波音公司合作，研發(fā)出的氧化鋁纖維增強氧化鋁的內(nèi)錐體，并借助遄達1000發(fā)動機平臺，于2013年年底在波音787客機上進行飛行測試。

陶瓷基復(fù)合材料發(fā)展帶來的啟示

通過分析陶瓷基復(fù)合材料發(fā)展歷程，不難發(fā)現(xiàn)，該專業(yè)的發(fā)展大致可分為兩個階段，即碳化硅纖維研制階段和復(fù)合材料研制及應(yīng)用研究階段，且兩個階段相互關(guān)聯(lián)，纖維為復(fù)合材料快速發(fā)展提供原材料基礎(chǔ)，復(fù)合材料需求為纖維工藝優(yōu)化提供指導(dǎo)方向。

為早日實現(xiàn)陶瓷基復(fù)合材料在發(fā)動機上應(yīng)用的目標(biāo)，結(jié)合上文提出如下建議。

一是盡快完成材料級初篩，聚焦至具有工程化前景工藝上。不同致密化工藝制備的SiCf/SiC復(fù)合材料性能千差萬別，適用的工況及部位也不盡相同。現(xiàn)階段我國多種致密化工藝并行模式，使原本就耗時、耗力、耗資的發(fā)動機材料研究更加舉步維艱。建議發(fā)揮中國航發(fā)集團在行業(yè)中的優(yōu)勢，建立起適用于本行業(yè)的陶瓷基復(fù)合材料篩選評價方法及機制，盡快完成不同牌號材料的篩選工作，集中精力盡快實現(xiàn)該材料的工程化。

二是建立材料級考核驗證平臺及大量開展數(shù)據(jù)積累工作。在發(fā)動機零部件選材之初，一般要先經(jīng)過材料關(guān)鍵性能驗證以評估其可行性，而我國發(fā)動機一度以測仿為主，該階段驗證過程一直缺失，造成了陶瓷基復(fù)合材料“設(shè)計想用，但不敢用、不會用”的尷尬局面，其根本原因是材料級試驗裝置匱乏、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)積累不足。建議盡快建立發(fā)動機用材料級考核平臺，大量積累設(shè)計用數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)發(fā)動機的正向設(shè)計。

三是牽引新型纖維發(fā)展。21世紀(jì)以來，以碳化硅纖維為代表的陶瓷纖維發(fā)展進入相對平穩(wěn)的階段，技術(shù)發(fā)展進入瓶頸期，建議發(fā)動機行業(yè)注重牽引更新型纖維的研究，為耐溫更高、增韌效果更好、成本更低的陶瓷基復(fù)合材料的研發(fā)提前布局。