连续纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料在国内航空发动机工程化应用中存在的问题

我国在连续纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料研究方面起步相对较晚,近年来通过国家项目的支持,目前国内相关高校和研究单位在航空发动机用连续纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料和构件制造技术方面已取得可喜的技术突破。
我国在连续纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料研究方面起步相对较晚,近年来通过国家项目的支持,目前国内相关高校和研究单位在航空发动机用连续纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料和构件制造技术方面已取得可喜的技术突破。

我国在连续纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料研究方面起步相对较晚,近年来通过国家项目的支持,目前国内相关高校和研究单位在航空发动机用连续纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料和构件制造技术方面已取得可喜的技术突破,但在材料的工程化应用方面还需在以下几个方面进行深入的研究。

1 增强体纤维

作为结构材料,尽管碳化硅陶瓷具有耐高温能力强、抗氧化能力强、抗高温蠕变性好、线性膨胀系数小等优点,但是塑性低、不能承受剧烈的机械冲击和热冲击,严重影响了实际应用。为此,通过采用连续纤维进行增韧/ 增强,提高复合材料强度和韧性。碳化硅纤维与碳纤维相比,在1200℃下其拉伸强度和弹性模量均无明显下降,在高温下具有更好的稳定性,与碳化硅陶瓷基体的匹配性也更好,因此更适合用于制造长寿命、高可靠性的航空发动机的构件。

国外已经研制出使用温度1400~1450℃的第三代碳化硅纤维,并已形成商品化。我国目前仅有少数几家单位能够生产出使用温度为1100℃的第一代连续碳化硅纤维。对于长期使用温度为1200~1250℃的第二代碳化硅纤维的连续化制备关键技术尚未完全突破,实验室制造的单丝力学性能指标达到了国外同类产品水平,但束丝的性能远低于国外产品。限于设备能力,还存在电子束交联能力低(束丝产量低)、批次质量还不够稳定等问题。国产碳化硅纤维的质量和产量,严重制约了连续碳化硅纤维增强碳化硅材料和构件工程化研究进程。

2 复合材料与金属件的连接

由于陶瓷基复合材料与所连接的高温合金连接件之间的线膨胀系数差异很大,在发动机使用过程中,由于温度的变化在两种材料的界面处,会产生较大残余热应力,严重影响复合材料的承载能力。在发动机特殊工作状况下,与外载荷产生的应力相叠加所产生的拉应力可能接近甚至超过组元或纤维和基体界面的破坏应力,以致复合材料中产生微裂纹,甚至破坏。因此金属件与复合材料基体之间必须设计特殊的连接以保证两者的热膨胀相匹配,特别是在构件从低到高的使用温度范围内,其匹配程度决定了复合材料的使用寿命,理想的连接方式是在连接界面附近对复合材料基体中产生适度的压缩应力,这个预压缩应力使脆性较大的陶瓷基体在复合材料承受拉伸载荷时抵抗变形和开裂的能力增加,提高构件的抗疲劳寿命。目前对于复合材料与金属件的连接多采用铆接法,但是连接的可靠性还需要在发动机真实环境下进行长时间的试验考核。

3 无损检测

陶瓷基复合材料制造成本通常很高,生产周期长,使用环境对其质量要求严格,如何有效提高其可靠性是非常迫切的问题。采用合适的无损评价方法对制造过程进行有效控制、保证成品质量和服役期性能,提高产品可靠性都将起到非常关键的作用,连续纤维增强陶瓷基复合材料的工程化应用需要解决构件的无损检测技术。红外热成像、X 射线照相和CT 技术是陶瓷基复合材料常用的3 种无损检测方法。3 种方法的技术特点相比较,红外热成像、X 射线照相两种技术不受构件的尺寸影响,能够构建平面图,并显示缺陷的所在的位置和大小,成本较低,红外热成像技术对于材料的热辐射值敏感,能较好地检测出材料内部的分层、孔隙等缺陷,X 射线照相技术对材料的密度敏感,能较好地检测出与材料密度有关联的缺陷,但不能针对该材料容易产生的分层进行直观的描述;工业CT 技术以断层扫描进行分割,并且通过软件形成重构图,对复合材料的裂纹表达有明显的直观效果,可以得到裂纹的位置和大小的定性定量描述,而且对材料的密度分布敏感,但是其取截面进行全图构建的方式不可能面面俱到地反映出实际构建的所有缺陷,同时该方法的成本很高。因此,在工程化应用方面,应针对典型构件加强各种无损检测方法的研究,积累并建立不同的失效标样和数据图谱。

4 高温抗氧化涂层

航空发动机燃烧室出口的燃气温度在1300℃以上,高温热端部件基本超出了碳化硅陶瓷基复合材料的长期使用温度,此外燃气中还有微量的硫化物和水蒸气,与碳化硅陶瓷基复合材料会发生化学反应,导致材料的稳定性发生恶化,材料的力学性能明显下降。因此,在研究碳化硅陶瓷基复合材料的同时必须解决高温

抗氧化问题。国外相继开发了二代环境障涂层,国内相关研究单位也相继开展了环境障涂层材料、制备工艺等方面的研究,对环境障涂层的抗高温氧化、抗热冲击、抗水蒸汽性能及涂层的失效机理和涂层对基体力学性能的影响等进行了研究。目前存在的最大问题是最高使用温度受到限制,只能在1300℃以下安全使用,并且涂层寿命与发动机使用要求相比还有较大差距,应该加大力度研究。

5 复合材料的修复

连续纤维增强陶瓷基复合材料部件的制造成本较高,特别是第二代碳化硅纤维材料成本每千克高达近10万元,考虑到复杂构件制造合格率,构件的制造周期和制造成本都难以适应工程化的要求;而且复合材料构件长期工作在高温燃气高速冲刷的环境下,容易出现烧蚀等损伤,因此复合材料的修复研究工作非常重要。但是这方面的研究还非常薄弱,在后续的研究中应该加强和重视这方面的工作,通过元件和典型件试验,评估修复部位与基材的相容性、力学匹配性和疲劳寿命,尽可能地降低复合材料构件的全寿命使用费用,提高经济性。

作者:航空制造网

相关文章

国际航协:二季度航空客运货运量双双增长

国际航空运输协会7月份针对航空公司首席财务官和航空货运负责人进行的季度调查结果显示,今年第二季度航空客运量和货运量均出现增长,未来12个月,航空运输量将继续增长。航空公司盈利预期从高点回落,但盈利前景依然乐观。

体验飞行究竟体验什么

飞行绝不仅仅指空中时间,它是一个系统的程序,包括飞行前的地面准备、空中飞行实施和飞行后的讲评总结三个阶段。

中国支线航空市场的现状和未来发展展望

中国支线航空发展在近十年得到了民航政策支持并且正在经历快速的发展,在民航运输体系和中国建设普遍航空服务的民航发展规划中占据不可替代的地位。

襟副翼残骸被证实属于波音777,一块残骸能帮我们找到MH370吗?

马来西亚已经着手联络印度洋沿岸国家,呼吁各国民航当局帮忙留意和搜集印度洋里漂来的疑似马航残骸。

巴航工业与多彩贵州航空签署航材库存共享协议

巴西航空工业公司日前宣布:与多彩贵州航空有限公司签署了一份航材库存共享项目的长期协议

NIST与NSF成立制造预见联盟支持先进制造发展

2015 年10月2日,美国制造日(每年10月的第一个周五)当天,美国商务部国家标准与技术研究院(NIST)和国家科学基金会(NSF)宣布成立一个新的先进制造联盟——制造预见联盟(MForesight),以支持先进制造。该联盟由密歇根大学领导,将确定先进制造的新领域和新兴领域,这些领域将得到研发、教育和培训方面的公私投资。