劉沐函，張 磊，林 峰

（清華大學機械工程系，北京100084）

自“航空發(fā)動機與燃氣輪機重大專項”啟動以來，我國航空發(fā)動機研究發(fā)展迅速。為了進一步提高推重比和燃燒效率，新型航空渦輪發(fā)動機需采用能耐受更高溫度的材料，同時減輕部件自重。SiC纖維增強SiC陶瓷基復合材料 （簡稱SiCf/SiC復合材料）具有密度低、強度高、高溫耐腐蝕性能強、抗蠕變能力好、抗熱震沖擊能力強、高溫工作壽命長的特點[1-2]，是新一代航空發(fā)動機熱端部件的理想結構材料。

SiCf/SiC復合材料由SiC增強纖維、SiC陶瓷基體和界面層組成。其中，界面層可以調節(jié)纖維與基體的相互作用，達到傳遞載荷、阻斷裂紋、緩解熱應力、阻止高溫下的擴散與反應的效果[3-4]，決定了復合材料增韌效果等性能[5]。因此，界面層的設計與制備對于提升復合材料性能具有重要意義。SiCf/SiC復合材料常用的界面層體系有熱解碳（PyC）和氮化硼（BN）兩種[6]。BN在高溫抗氧化性能方面具有明顯優(yōu)勢，是要求高溫條件下使用壽命長的SiCf/SiC復合材料界面層的最優(yōu)選擇。

SiCf/SiC復合材料的界面層通常采用化學氣相沉積（CVD）法進行制備。以BN界面層沉積反應為例，采用BCl3（或BF3）與氨氣兩種先驅氣體，以SiC纖維束為基體，在其表面劇烈反應得到固態(tài)界面層?？紤]基體形狀、尺寸、反應特點等因素，采用普通的靜置式化學氣相沉積爐進行分批次沉積獲得的界面層質量差且不穩(wěn)定。為了保證界面層厚度均勻性、晶型一致性和工藝可控性，需讓SiC纖維束連續(xù)運動通過反應爐，在相同的反應條件和氣氛下進行界面層沉積。

國外對SiCf/SiC復合材料的研究已有四十多年的歷史。美國[7-8]、法國[9]、日本[10]等國于 20 世紀 90 年代就開始進行SiCf/SiC復合材料界面層連續(xù)沉積技術和設備的研發(fā)，隨后不斷改進并實現(xiàn)了大批量自動化生產(chǎn)，這是SiCf/SiC復合材料先進制造方法中必要而關鍵的一環(huán)。國外大量優(yōu)秀研究經(jīng)驗表明，纖維束界面層連續(xù)沉積已經(jīng)是界面層制備的主流方式，是值得跟隨的技術路線。

我國由于早期缺乏相關原材料等，到目前為止對SiCf/SiC復合材料的研究和應用尚十分有限[11]，相關制造、加工設備的研制也明顯滯后。在界面層制備方面，我國對SiC纖維的界面層研究起步較晚；國內現(xiàn)有的化學氣相沉積設備多數(shù)是為制備復合材料而開發(fā)，適用的基體為三維預制體或二維編織物，用于纖維束則無法獲得均勻一致的界面層且工藝可控性差，不利于實現(xiàn)批量自動化生產(chǎn)。綜上所述，為了解決新一代航空發(fā)動機結構件材料制備技術中的關鍵問題，亟需研制可用于SiC纖維束連續(xù)沉積界面層的化學氣相沉積設備。本文設計了一臺可連續(xù)運送SiC纖維束基體通過反應氣氛的化學氣相沉積設備，可實現(xiàn)SiC纖維束界面層的連續(xù)沉積，同時可將反應氣氛與非反應段分隔開，為設備的進一步改進提供了研制基礎。

1 SiC纖維束界面層連續(xù)化學氣相沉積設備的總體設計

1.1 設計要求分析

本文以在SiC纖維束表面沉積BN界面層為目標進行纖維束界面層連續(xù)化學氣相沉積設備的設計。設備技術指標要求見表1。

本設計要求為：SiC纖維束基體厚度約0.1 mm、寬度約2 mm；纏繞在直徑約90 mm、長約300 mm的軸筒上；一卷纖維束長度為500 m，纏繞半徑變化量約2～3 mm；反應氣體采用BCl3和NH3，具有一定腐蝕性；在高溫、低壓條件下反應；在基體表面以外的區(qū)域也可以反應生成固體粉塵；需要控制的工藝參數(shù)有反應氣體流量、反應氣體比例、反應溫度、反應壓強、在反應氣氛中停留時間等。

表1 SiC纖維束界面層連續(xù)化學氣相沉積設備技術要求

該設備的設計意圖是要使SiC纖維束基體從一端放出，連續(xù)運動通過反應區(qū)，再在另一端進行收卷；纖維束在放卷區(qū)、反應區(qū)、收卷區(qū)三個連通空間中運動。但反應氣體具有一定腐蝕性且會在基體以外區(qū)域生成粉塵，會對非反應區(qū)造成污染，不利于設備長時間穩(wěn)定工作，故需將反應氣氛盡量約束在反應區(qū)。纖維束運送和連通空間中的氣氛控制是該設備設計過程中要解決的兩個主要問題。

1.2 設備總體設計

本文設計的SiC纖維束基體界面層連續(xù)化學氣相沉積設備示意圖見圖1。設備由纖維束運送機構、化學氣相沉積爐和低壓密封系統(tǒng)三部分組成。其中，管式化學氣相沉積爐已有成熟產(chǎn)品，本設計使用OTF-1200X-III-VT三溫區(qū)管式爐對法蘭等部件進行了重新設計。

圖1 SiC纖維束基體界面層連續(xù)化學氣相沉積設備示意圖

為了規(guī)避運送過程中纖維束下垂帶來的相關問題，本設計整體采用了立式結構。纖維束自下向上運送，反應氣體由上方通入，尾氣由下方抽出；纖維束和氣流運動方向相反，利于反應充分進行。

纖維束運送機構使纖維束連續(xù)運送通過反應區(qū)。收卷軸在收卷電機的驅動下帶動纖維束運動；布線電機驅動絲杠滑塊模組往復運動為纖維束導向，使纖維束均勻排布在收卷軸上；纖維束中的張力由磁滯制動器對放卷軸施加的阻力矩提供，同時可通過張力傳感器反饋進行閉環(huán)控制。與纖維束接觸的軸筒和滑輪采用聚四氟乙烯加工。

化學氣相沉積爐為界面層沉積反應的場所。管式爐采用電阻式加熱，爐內溫度可控。

低壓密封系統(tǒng)保證設備氣密性，并控制反應壓強?？紤]到低壓條件下散熱困難的問題，本設計將發(fā)熱明顯的收卷電機、布線電機和磁滯制動器安裝在密封腔體外，軸穿過腔體壁的地方采用動密封。反應氣體和載氣流量通過流量計調節(jié)。真空泵組為反應提供壓強條件，抽走尾氣并在中和裝置中進行處理。收、放卷密封腔體與管式爐連接的法蘭上僅有尺寸略大于纖維束寬度的小孔使其通過。兩個密封腔體上連接有氣體管路，可向內通入保護氣體。

本設計需加工制造部分的主體結構三維模型見圖2。

圖2 SiC纖維束基體界面層連續(xù)化學氣相沉積設備主體三維模型

2 纖維束運送機構設計與控制

2.1 纖維束運送機構設計

纖維束運送機構需要實現(xiàn)纖維束在放卷區(qū)、反應區(qū)、收卷區(qū)的連續(xù)運動，起到控制收卷速度、保證張力和均勻布線的作用。

在設計時，根據(jù)設備技術要求計算出纖維束運送機構的原動機即收卷電機需要提供的動力矩，發(fā)現(xiàn)適宜采用直流電機；纖維束在反應氣氛中停留時間是需要控制的重要工藝參數(shù)，而停留時間由收卷速度決定，因此為保證收卷速度的控制精度，使用內置高精度速度閉環(huán)控制的伺服電機作為收卷電機；考慮到要求的收卷速度范圍，需配合使用40行星齒輪減速器。

纖維束收卷過程中要求的張力數(shù)值不大，設備設計主要滿足張力穩(wěn)定且便于控制的要求。磁滯制動器產(chǎn)生的力矩可由其兩端電壓進行控制，在一定范圍內，力矩大小和通過磁滯制動器的電流大小基本呈線性關系，控制簡單。本設計使用磁滯制動器對放卷軸施加阻力矩，從而在纖維束中產(chǎn)生張力。同時由張力傳感器對纖維束中的實時張力進行測量，便于對張力進行閉環(huán)控制。

如圖3所示，纖維束收卷的布線方式通常有兩種：一是采用往復運動的導向輪引導纖維束在收卷軸上均勻排布；二是使收卷軸在收卷同時沿軸向往復運動，實現(xiàn)均勻布線的目的。方式一中，導向輪的運動會使纖維束經(jīng)過反應區(qū)的速度有一個小的波動量（在可接受范圍內）；方式二中，收卷軸除了轉動還有軸向運動，使得密封難度增加，且要求的空間較方式一更大?？紤]到設備的密封性能和穩(wěn)定性，本設計采用方式一進行布線，將導向輪安裝在電機驅動的絲杠滑塊模組上，換向動作以安裝在換向點的光電傳感器作為信號輸入。布線電機負載較小，為了便于控制，本設計采用配合減速器的步進電機。

圖3 纖維束收卷布線方式

2.2 纖維束運送機構的控制實現(xiàn)

纖維運送機構中，需控制其量的參數(shù)有收卷電機轉速、布線電機轉速及方向和磁滯制動器力矩。為了實現(xiàn)控制的可靠、穩(wěn)定且方便操作，本設計采用PLC對纖維運送機構進行控制，實現(xiàn)的主要功能如下：

（1）收卷工作：向PLC設置收卷速度，PLC計算后向收卷電機和布線電機發(fā)送高頻脈沖控制其轉動速度，驅動機構進行收卷和布線運動，同時根據(jù)光電傳感器信號決定布線電機轉動放線。

（2）正向點動：收卷電機正向轉動，方便沉積反應前后的安裝和收尾工作。

（3）滑塊復位：使直線模組中的滑塊運動到外側換向點，方便反應前的纖維束安裝工作。

（4）張力PID控制：通過比較設置的張力值與張力傳感器測得的實時張力值，對磁滯制動器兩端電壓進行PID控制，從而控制纖維束張力。

（5）張力異常停機：當張力傳感器檢測到張力異常（過大或無張力）時，使設備停機。

3 低壓密封系統(tǒng)設計與仿真驗證

3.1 低壓密封系統(tǒng)設計

由于在SiC纖維束表面沉積BN界面層的反應氣體具有一定腐蝕性，且可能在基體以外區(qū)域反應生成粉塵，若反應氣體和粉塵產(chǎn)物進入非反應區(qū)則可能損壞、污染元件，影響設備穩(wěn)定性和使用壽命，因此需將反應區(qū)氣氛與非反應區(qū)分隔開，盡量將反應氣氛約束在反應區(qū)內。為了實現(xiàn)這一目的，本文設計的低壓密封系統(tǒng)需保證管式爐與放卷、收卷腔體連接處的氣流方向是由兩個腔體流向管式爐。

考慮放卷腔體、化學氣相沉積爐、收卷腔體三段空間均具有進氣、抽氣能力，設計的模型見圖4。

圖4 低壓密封系統(tǒng)模型

同時，考慮放卷腔體和收卷腔體的對稱性，僅需對放卷腔體進行分析，有：

式中：s1為放卷腔體抽速；Q1為放卷腔體進氣量；p1為放卷腔體內壓強；p2為管式爐內壓強；c2為連接處（即法蘭上的小孔）的流導。

只要保證 Q1-s1·p1＞0，即可使 p1＞p2。 取 Q1＞0、s1=0，即在反應時向放卷腔體內通入保護氣體，不再另設抽氣泵，就可實現(xiàn)連接處氣流由放卷腔體流向管式爐的目的。

此時：

在向放卷腔體通入氣體流量Q1一定的情況下，連接處流導c2越小，兩側壓強差p1-p2越大，越不利于反應氣氛向放卷腔體擴散。流導與連接處幾何尺寸有關，對小孔而言，直徑越小，流導越小，這也是在連接處法蘭上只設計有小孔連通的原因。

綜上分析，為了實現(xiàn)反應氣氛與非反應區(qū)的分隔，設計時需考慮在反應的同時向收、放卷腔體通入保護氣體，以保證反應氣體不會由管式爐流向兩端腔體。

3.2 氣氛分隔設計的仿真驗證

針對前述低壓密封系統(tǒng)的氣氛分隔設計，本文用Comsol軟件進行了模擬仿真，對氣氛分隔控制效果進行驗證。氣壓分布的仿真結果見圖5。從圖5a所示氣壓分布可看出，在收、放卷腔體與管式爐之間形成了正壓差。由圖5b可看出，在連接處只有保護氣體由收、放卷腔體流向管式爐，而反應氣體沒有向兩端腔體流動，被約束在了反應爐內。由此可驗證本文提出的在管式爐內通氣反應的同時向兩端腔體通入保護氣體的設計可以實現(xiàn)分隔反應氣氛的目的。

圖5 氣氛分隔設計仿真結果

這種氣氛分隔設計的效果受兩端腔體通入保護氣體流量、連接處流導等因素的影響。兩端通入保護氣體流量越大或連接處流導越小，都會導致兩端和管式爐形成的正壓差越大，進而促使反應氣體的約束效果越好。

4 結束語

本文設計研制了能連續(xù)運送SiC纖維束進行界面層化學氣相沉積的設備。通過纖維運送機構實現(xiàn)了SiC纖維束基體在設備內的連續(xù)運動及收卷速度、張力的控制。同時提出了低壓密封系統(tǒng)的氣氛分隔設計，實現(xiàn)了將反應氣氛控制在反應爐區(qū)域內而不向非反應區(qū)流動的目的。該設備可以實現(xiàn)SiC纖維束界面層的連續(xù)化學氣相沉積，為實現(xiàn)均勻、一致、穩(wěn)定的界面層的自動化制備奠定了基礎，推進了新一代航空發(fā)動機熱端結構SiCf/SiC復合材料的工程化進程。