陶瓷基复合材料涡轮外环研制初探.pdf

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1、复材应用COMPOSITESAPPLICATION陶瓷基复合材料涡轮外环研制初探ResearchandManufacturingonCMCTurbineShroudRing总参谋部陆航部驻株洲地区军事代表室彭秀云叶飞中国航空动力机械研究所刘志远目前涡轮外环通常采用镍基和钴基高温合金材料并通冷气冷却，难以满足发动机安全可靠工作所必需的高温蠕变强度和高温抗氧化腐蚀能力，以及降低发动机结构重量提高功重比的需求，因此，开展陶瓷基涡轮外环的材料、工艺及应用研究是十分必要的。DOI:10.16080/j.issn16

2、71-833x.2015.14.098复合材料的研制应用得到了重视。作的扇形涡轮外环；LEAP-1A/1B/1C美国“综合高性能涡轮发动机的第一级高压涡轮衬环也将以往的技术计划（IHPTET）”中明确指出镍基合金更换为CMC。实践表明，彭秀云了陶瓷基复合材料（CeramicMatrix航空发动机采用CMC构件降低了结总参陆航部驻株洲地区军事代表Composites，简称CMC）的研制和使构重量，提高了工作温度，大大节约室军代表、高级工程师，从事航空发动机[2]用目标。CMC是以陶瓷为基体，了冷却气量，使发

3、动机油耗降低约研制与生产质量监督。并与各种纤维复合的一类复合材1.5%，并有助于使用寿命的提高。图料。陶瓷基体可以是氮化硅、碳化硅1为不同年代发动机使用材料的变[2]提高航空发动机推重比/功重等高温结构陶瓷，其密度是镍基合化趋势。比最主要的措施之一是要尽力降低金的1/4~1/3，可承受温度高出后者发动机涡轮外环是涡轮主要静[3]发动机零部件的重量，而降低发动110~220℃。，GE公司首创了CMC子件，承受高温、高压，要求能自由膨机重量的措施之一是要尽量选用密在航空发动机上的应用，目前CMC胀、耐磨，以适

4、应机匣的膨胀和转子度低的材料，但目前一些钢、镍及其已在推重比9~10一级的多种型号的适当碰磨。目前涡轮外环通常采合金使用已到了其材料性能的极限军民用发动机的中等载荷静止件上用镍基和钴基高温合金材料并通冷[1]值；措施之二是不断提升涡轮前温试验成功。美国的F-414发动机气冷却，难以满足发动机安全可靠工度，这对材料提出越来越高的要求。成功采用了CMC燃烧室，并已开展作所必需的高温蠕变强度和高温抗目前，航空发动机中广泛应用的镍基了CMC材料转子叶片试验；法国的氧化腐蚀能力，以及降低发动机结构高温合金材料接近其

5、使用温度极限，M88-Ⅲ发动机采用CMC作尾喷管重量提高功重比的需求，因此，开展发展潜力有限，难以满足未来高推重调节片，已试验成功；英国的Trend陶瓷基涡轮外环的材料、工艺及应用比/功重比航空发动机的需要。因此，（遄达）发动机成功采用了CMC制研究是十分必要的。98航空制造技术·2015年第14期复材应用COMPOSITESAPPLICATION构方案图。70陶瓷基复合材料硬度高，薄壁零60件加工难度大，而陶瓷基涡轮外环零钢50金属基复合材料件壁厚相对较大，结构比普通高温合40金简单，图3为涡轮外环的U

6、G图。陶瓷基涡轮外环与涡轮内机匣比例/%30镍通过挂钩形式实现径向定位，后端面陶瓷基复合材料20与机匣贴合实现轴向定位；涡轮外钛树脂基复合材料环与机匣间通过销钉实现周向、轴向10铝固定。陶瓷基涡轮外环采用分段设190019701980199020002010计，整环分6段，段与段之间通过密年代图1不同年代发动机用材趋势涡轮内机匣体，但是异型预制体在SiC沉积和高涡轮外环研制的主要性能指标温过程中易变形，因此制作孔隙均涡轮外环作为发动机高温易氧匀、近尺寸和具有尺寸稳定性碳纤维化部件，其工作条件恶劣，为保证零

7、预制体是难点之一。部件的可靠性，陶瓷基涡轮外环需满（2）纤维/SiC、Si和Zr等热膨足以下性能指标：（1）1350~1450℃胀系数相差大，它们之间易因热膨胀燃气条件下稳定工作时间＞2000h；失配而产生裂纹形成氧的快速扩散（2）室温抗拉强度≥400MPa；（3）通道，导致纤维/SiC零件失效。因此，1350~1450℃弯曲强度≥150MPa；控制裂纹形成，制备长寿命抗氧化涂（4）1450℃/50次热震强度保持层以降低氧的扩散等是难点之二。挡板率≥75％；（5）室温断裂韧性（3）由于涡轮外环一般由多段1

8、/2陶瓷基涡轮外环KIC≥15MPa·m；（6）韦布尔模数组成，段与段之间有封严槽（封严槽≥20；（7）抗热冲击≥500℃/s；（8）为一端开口、一端封闭的形式）。陶销钉2150h氧化失重/增重＜0.015mg/m；瓷基复合材料不导电，常用的电火花图2陶瓷基涡轮外环结构方案图3（9）密度＜2.6g/cm。加工受到限制，线切割加工也因封严槽的具体结构受到限制。因此，封严技术难点及可行性分析槽的加工是难点之三。国际普遍认为，碳化硅