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羅爾斯航空發動機公司

汽車 更新时间:2025-06-13 22:28:48

CMC 作為一種新型材料,通過相應的新結構設計,運用到商用航空發動機制造時,需要進行大量實測評估、試驗考核,以确保産品的安全和可靠性、滿足适航要求。

美國的CMC 應用領先離不開諸多創新型高科技企業的支撐,諸如以MATECH、ATK 和COICeramicsInc. 等高科技企業作為創新主體的CMC 産業鍊初具規模。研發力求穩定CMC 性能和增加陶瓷纖維(氧化物和非氧化物)産量,各供應商基于成熟的定型工藝,已從全尺寸的演示、試制件考核中獲得良好的評價結果。

作為新的發動機用材,基于CMC 風險因素考量,CFM 先期僅在固定部件上應用,現有技術成熟度可滿足固定部件的可靠性要求,未來CMC 材料還将用在發動機的更多部件上。CMC 還存在若幹阻礙其商用推廣的問題需要解決:

首先,CMC 材料性能數據短缺、設計應用經驗不足,需要開發特定應用環境下壽命評估方法的及必要的軟件工具。

由于纖維增強CMC 結構強度具有很大的随機性,作為航空發動機的高溫部件無法采用常規金屬部件慣用的安全系數等确定性設計方法,有必要采用概率設計方法,進行可靠性分析。同時,還要重視CMC材料标準、性能數據、壽命評估方法與工具等體系方面的積累,建設基于CMC 數據庫支撐的評價方法,形成一套完整、經過驗證的CMC 适航符合性設計與驗證技術體系。

依據中國民用航空發布的新版《航空發動機适航規定》,CMC 作為商用航空發動機用用的新材料,需要滿足第33.15 條的規定:發動機所用材料的适用性和耐久性必須滿足下列要求:(1)建立在經驗或試驗的基礎上;(2)符合經批準的規範(如工業或軍用規範),保證這些材料具有設計資料(數據)中采用的強度和其他性能。

其次,CMC 部件的制造費用仍高出傳統高溫合金數倍,成本偏高,需在确保質量的前提下,實施精益制造,改進加熱溫度、升溫時間、降溫周期等來控制工藝各周期中化學組分的變化,通過縮短循環周期等優化批量生産工藝來有效降低成本,實現最佳效益。今後,如何運用CMC 提高航空發動機性價比,是在商用航空發動機普及應用該先進材料的一大挑戰。

再則,發動機構件工況苛刻,某些部件需暴露于高溫、氧化、冷熱沖擊循環中,還需承受水汽、氧和燃燒固體顆粒的侵蝕;若在海上飛行,還要承受海鹽的侵蝕,燃燒室還需耐受由富含燃燒副産物氯化鹽和硫酸鹽等所引起的加速氧化等考驗。

此外,CMC 的表面完整性精細加工也應引起足夠重視。因為SiC的硬度接近金剛石,工業上常用作磨料或刀具來加工其他材料,所以需采用堅硬的金剛石來研磨,近年來借助脈沖激光手段加工精細微孔等漸受青睐。

還有需要引起重視的關聯技術,就是CMC與金屬間的聯結和結構完整性(Joining and Integration)工藝探索,随着擴散連接(焊)(Diffusion bonding)、高溫耐久釺焊(Brazing)的進步,必将開拓以金屬骨架接合CMC 結構為代表部件的廣闊應用領域。

國際同行普遍認為,CMC 是發動機高溫結構材料的技術制高點之一,技術門檻高、投入大,通常反映所國航空裝備設計和制造能力的頂尖水準。目前僅有美國、法國等少數國家掌握高性能SiC 纖維和緻密化CMC 的産業化技術。

羅爾斯航空發動機公司(CMC面向商用航空發動機産品的機遇與挑戰)1

SNECMA公司研制的複雜形狀的CMC制Mixer部件

GE 旗下的航空業務集團已計劃在GE9X 燃燒室襯套、高壓渦輪噴嘴、外環和渦輪葉片這些熱端部件上使用CMC 材料;相應地,LEAP 系列發動機也能從GE9X 項目中借鑒諸多寶貴的工程化和産品化經驗。

盡管當年GE90 發動機上采用寬弦葉片也廣被質疑,最終是通過實踐證明了其正确的選擇。GE 方面已經為CMC 材料進行過大量測試,與風扇葉片從金屬材料轉到樹脂基複合材料所付出的時間等考驗相類似,轉向CMC 的應用同樣需要花費相應的代價來證明,允許人們從中建立起對CMC 安全可靠應用的信念。

出于風險控制的考量,現階段CMC還隻能應用在固定部件上。基于已有的數據有理由相信,随着研究深入和科技進步,穩固而紮實的創新将漸趨完美地發揮出CMC的優異特性,未來勢必開拓出更多商用航空發動機核心部件上的新應用。

國内商用發動機由中航工業商發作為主承制商,牽頭實施國家級商用發動機研發項目,負責組織國内外産、學、研優勢資源,通過強強聯合、協同攻關拓展國際國内合作空間,為渦輪靜子件、浮動瓦塊應用掃清路障,逐步夯實CMC 工程化、産業化的應用基礎。

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