陶瓷基復(fù)合材料（CMC）兼具金屬、陶瓷和碳等材料的優(yōu)點(diǎn)。美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）作為美國(guó)航空領(lǐng)域的先行者和引領(lǐng)者，資助CMC渦輪導(dǎo)葉相關(guān)技術(shù)的研究，并將其推廣應(yīng)用至航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件。

陶瓷基復(fù)合材料（CMC）是以陶瓷為基體與各種纖維復(fù)合的一類復(fù)合材料。碳化硅陶瓷基復(fù)合材料（CMC-SiC）兼具金屬材料、陶瓷材料和碳材料的優(yōu)點(diǎn)，具有材料結(jié)構(gòu)一體化和多尺度特征，綜合性能優(yōu)異，是目前應(yīng)用最成功的輕質(zhì)高溫結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，可用于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室、渦輪和噴管等熱端部件，被普遍視為發(fā)動(dòng)機(jī)高溫結(jié)構(gòu)材料的技術(shù)制高點(diǎn)。近年來(lái)，由美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）資助，在超高效發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)（UEET）計(jì)劃和環(huán)境負(fù)責(zé)航空（ERA）項(xiàng)目中，研究了CMC渦輪導(dǎo)葉及環(huán)境障涂層（EBC）的設(shè)計(jì)、制造與檢測(cè)等技術(shù)，并形成了眾多專利成果。

CMC渦輪導(dǎo)葉的設(shè)計(jì)

在UEET計(jì)劃中，由普惠公司主導(dǎo)，設(shè)計(jì)開發(fā)了燃?xì)廨啓C(jī)用碳化硅陶瓷基復(fù)合材料的渦輪導(dǎo)向葉片。該渦輪導(dǎo)向葉片采用的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)是普惠公司的FT-8航改燃?xì)廨啓C(jī)，輸出功率為27kW，天然氣轉(zhuǎn)化為電能的使用效率為37%。

CMC渦輪導(dǎo)向葉片的主要設(shè)計(jì)過(guò)程包括機(jī)械設(shè)計(jì)、空氣熱力學(xué)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其中，機(jī)械設(shè)計(jì)要從以下幾個(gè)方面考慮：可制造性（可編織、易致密化）、熱壓力、壓力產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力、EBC的應(yīng)用、密封性、易于裝配、可靠性和成本。在設(shè)計(jì)過(guò)程中的主要難點(diǎn)是陶瓷和金屬制件的熱膨脹系數(shù)不匹配問(wèn)題。在初步設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)了兩種導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)。一種為一體化導(dǎo)葉設(shè)計(jì)，即導(dǎo)葉全部采用CMC材料；另一種為半一體化式導(dǎo)葉，即緣板采用金屬材料，葉身采用CMC材料，并從可制造性方面對(duì)二者進(jìn)行了評(píng)估。因?yàn)橐惑w化導(dǎo)葉存在熱應(yīng)力高和難制造問(wèn)題，所以選擇了半一體化導(dǎo)葉設(shè)計(jì)，如圖1所示。半一體化導(dǎo)葉包括內(nèi)部金屬加強(qiáng)桿和外部CMC殼體，金屬加強(qiáng)桿起到支撐和引入冷卻氣體的作用，同時(shí)減少層間拉應(yīng)力，CMC殼體承載熱載荷。

圖1 UEET項(xiàng)目中設(shè)計(jì)的半一體化導(dǎo)葉

CMC渦輪導(dǎo)葉成形方法

Y形編織布成形方法

UEET計(jì)劃支持開發(fā)了一種特殊的制備碳化硅纖維Y形織物方式，如圖2所示。這種織物最先由NASA格倫研究中心開發(fā)并在具有恒定橫截面的渦輪導(dǎo)向葉片上驗(yàn)證，主要用于制備排氣邊尖端。Y形編織的設(shè)計(jì)目的是為了解決導(dǎo)葉排氣邊的制造難題，強(qiáng)化排氣邊高應(yīng)力區(qū)，同時(shí)在導(dǎo)葉的其余區(qū)域提供纖維結(jié)構(gòu)。這種纖維結(jié)構(gòu)已在其他的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)CMC部件中經(jīng)過(guò)了完整的驗(yàn)證。（2D）平紋編織，纖維密度為0.8束/mm。在Y形織物的末端，雙纖維束的經(jīng)紗分開形成了兩個(gè)五緞紋布平面，單個(gè)纖維束在周向和軸向方向間距均為0.8纖維束/mm，形成Y形織物的尖排氣邊。將Y形織物纏繞在一個(gè)內(nèi)部石墨芯軸上。因?yàn)槊繉宇A(yù)浸料的厚度約為0.25mm，為了保證最終導(dǎo)葉的尺寸滿足設(shè)計(jì)要求，內(nèi)部石墨芯軸的尺寸大小要留有1.52mm的工具間隙，以實(shí)現(xiàn)最終的6層構(gòu)造。完成預(yù)浸料分層纏繞疊接后，使用真空加壓袋將其壓實(shí)并干燥，然后將整個(gè)組件放入鋁制壓實(shí)工裝中形成導(dǎo)葉的外部近凈成形形狀。烘干預(yù)浸料后，將預(yù)制體從鋁制工裝中移除，并修整排氣邊。 最后基體采用化學(xué)氣象滲透（CVI）/漿料鑄造/熔滲工藝進(jìn)行基體滲透（如圖3所示）。具體的纏繞方式在不同的研究中也有所不同，在文卡特·韋杜拉（Venkat Vedula）等的研究中，有兩種不同的纏繞方式，如圖4所示。

圖2 渦輪導(dǎo)向葉片尾部邊緣用的Y形織物

圖3 制造態(tài)的CMC導(dǎo)葉分元件

圖4 CMC葉型結(jié)構(gòu)的卷層鋪放示意

Y形織物的接頭部分是二維

圓管預(yù)制體成形方法

在US7687016B1專 利 中，詹姆斯·迪卡洛（James Dicarlo）等用Sylramic纖維編織成3層、直徑50mm的2D管狀結(jié)構(gòu)，并在管中放入導(dǎo)葉形狀的石墨芯棒，然后將二者放入高溫氮?dú)鈼l件下使纖維轉(zhuǎn)化為SylramiciBN纖維。最終的結(jié)果不僅是將所有纖維轉(zhuǎn)化為Sylramic-iBN纖維，而且在移除芯棒后，管狀結(jié)構(gòu)預(yù)制體永久變?yōu)閷?dǎo)葉形狀。因此，對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)預(yù)制件，這個(gè)專利可用于同時(shí)改善Sylramic碳化硅纖維和預(yù)制件，實(shí)現(xiàn)部件成形，并且結(jié)構(gòu)中不存在殘余彈性應(yīng)力。

增材制造方法

在純非金屬渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)增材制造研究中，邁克爾·哈爾比格（Michael Halbig）等 使 用ExOne公司的M-Flex打印機(jī)對(duì)碳化硅陶瓷和CMC進(jìn)行黏結(jié)劑噴射打印。第一階段，在粉末床中填充碳化硅粉末，首先制備非增強(qiáng)材料。第二階段，將碳化硅纖維添加到粉末床的粉末混合物中，制成纖維增強(qiáng)CMC。研究中，該團(tuán)隊(duì)成功采用黏結(jié)劑噴射增材制造方法對(duì)兩種不同設(shè)計(jì)和尺寸的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)葉零件的制造進(jìn)行了演示，打印了不同尺寸的渦輪葉片：一個(gè)較大尺寸的冷卻雙聯(lián)導(dǎo)葉高壓渦輪導(dǎo)向器扇形段和兩個(gè)較小尺寸的一級(jí)導(dǎo)向器扇形段（如圖5所示）。

圖5 冷卻雙聯(lián)導(dǎo)葉的兩個(gè)較小一級(jí)導(dǎo)向器扇形段和兩個(gè)高壓渦輪導(dǎo)向器扇形段

CMC導(dǎo)葉EBC技術(shù)

美國(guó)的EBC涂層目前已經(jīng)發(fā)展到了第三代，均結(jié)合具體部件的研究同步開發(fā)。NASA在推進(jìn)材料快速研究（HSR-EPM）計(jì)劃中成立了NASAGE-普惠涂層研發(fā)團(tuán)隊(duì)，結(jié)合燃燒室襯套開發(fā)了可以在高速、高壓燃燒環(huán)境中保護(hù)CMC的涂層，即耐溫1300℃的第一代硅/莫來(lái)石+鋇鍶鋁硅酸鹽（BSAS）EBC結(jié)構(gòu)；在UEET計(jì)劃中進(jìn)一步開展研究，開發(fā)了第二代EBC，表面能夠承受1482℃的溫度，EBC/CMC的界面耐受溫度為2400℃的稀土硅酸鹽涂層；同樣在UEET計(jì)劃中研發(fā)了第三代復(fù)合EBC，表面耐溫1650℃，黏結(jié)層體系耐溫1482℃，并且結(jié)合先進(jìn)渦輪葉片應(yīng)用，這種多層涂層結(jié)合了熱障涂層的特征，旨在使EBC和EBCCMC體系隔熱，因此也被命名為熱環(huán)境障涂層（TEBC），如圖6所示。

圖6 NASA耐1650℃的復(fù)合EBC體系

圖7 制造有EBC的導(dǎo)葉

CMC導(dǎo)葉的測(cè)試與評(píng)估

CMC導(dǎo)葉的測(cè)試

在UEET項(xiàng)目中，NASA格倫研究中心負(fù)責(zé)CMC導(dǎo)葉分元件的研制與測(cè)試，制造了CMC葉型。GE公司和古德里奇（Goodrich）公司分別使用Sylramic-iBN纖維制備了導(dǎo)葉，使用了UTRC開發(fā)的4層（硅/莫來(lái)石/BSAS/莫來(lái)石）EBC結(jié)構(gòu)，并用NASA的高壓燃燒室試驗(yàn)臺(tái)（HPBR）模擬渦輪工作環(huán)境進(jìn)行了測(cè)試。整體測(cè)試結(jié)果顯示該復(fù)合材料有潛力用作葉片材料。

在ERA項(xiàng)目中，基于Hi-Nicalon Type S纖維評(píng)估了兩種不同的碳化硅纖維強(qiáng)化的碳化硅基復(fù)合材料生產(chǎn)方法。GE公司使用0° / 90°單向帶鋪層，采用預(yù)浸料熔滲（MI）工藝制造，纖維體積約為21%；Hyper-Therm公司使用5股線束緞紋編織織物作為加強(qiáng)相，采用化學(xué)氣相滲透（CVI）工藝制造，纖維體積約為35%。使用這兩種方法制成了簡(jiǎn)單的葉型結(jié)構(gòu)（如圖8所示）。設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化導(dǎo)葉形狀采用了一些具有挑戰(zhàn)性的加工特性，如加強(qiáng)肋部分、尖排氣邊半徑和不同的壁厚。進(jìn)行機(jī)械和熱力性能試驗(yàn)后，CVI導(dǎo)葉的基體密度降低，MI導(dǎo)葉的彎曲強(qiáng)度損失。對(duì)導(dǎo)葉進(jìn)行測(cè)試的設(shè)備是HPBR試驗(yàn)設(shè)備，能夠在模擬發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)中準(zhǔn)確評(píng)估涂層和CMC體系。

圖8 簡(jiǎn)化的導(dǎo)葉試驗(yàn)件圖解輪

CMC導(dǎo)葉的無(wú)損評(píng)估

在UEET項(xiàng)目和ERA項(xiàng)目中，對(duì)燃燒測(cè)試試驗(yàn)后的CMC導(dǎo)葉進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的設(shè)備是工業(yè)計(jì)算機(jī)斷層（CT）掃描儀。UEET項(xiàng)目中的CT掃描儀采用線性陣列探測(cè)器，X射線源能量為420KeV。雖然使用線性陣列探測(cè)器掃描整個(gè)葉片的時(shí)間約為12h，但是與平板陣列相比信噪比非常高。掃描的空間為0.5mm，光圈為0.3mm。將測(cè)得的原始數(shù)據(jù)構(gòu)建成184張750×750像素的圖片（如圖9所示），并根據(jù)圖片創(chuàng)建了三維模型。利用工業(yè)CT檢測(cè)方法可以快速、直觀地發(fā)現(xiàn)材料的損傷。但CT圖像給出的是CMC的密度變化分布，據(jù)此確定缺陷的位置、形狀，對(duì)缺陷類型（如孔隙、裂紋、分層等）的判斷，則需要結(jié)合其他的無(wú)損檢測(cè)方法。

圖9 經(jīng)過(guò)燃燒測(cè)試試驗(yàn)后CMC葉型橫截面的CT掃描圖

結(jié)束語(yǔ)

從NASA資助的研究項(xiàng)目可以看出，在材料成熟的基礎(chǔ)上，導(dǎo)葉的研究與EBC的開發(fā)是同步的，因?yàn)樵诎l(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)境中模擬或研究導(dǎo)葉時(shí)必須有涂層來(lái)防止導(dǎo)葉的退化。NASA采用的渦輪導(dǎo)葉仍為空心導(dǎo)葉分元件，且在其相關(guān)的報(bào)告中也提到了CMC渦輪導(dǎo)葉的連接技術(shù)發(fā)展，這說(shuō)明先制作導(dǎo)葉分元件，再將其與緣板連接是一種有發(fā)展前景的工藝路線。