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超级陶瓷颠覆烈火精钢?   

2015-12-18 18:54:23|  分类: 航空知识 |  标签: |举报 |字号 订阅

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超级陶瓷颠覆烈火精钢? - 司古 - 司古的博客
自航空喷气发动机发明以来,技术人员们便一直纠结于不断提升的涡轮前温度与不断落伍的高温合金这对矛盾体。为了让热端部件承受更高的温度,人们采取的对策是各种型号的镍基高温合金,到定向结晶多晶叶片,再到单晶叶片,还绞尽脑汁在叶片内部挖出迷宫般的微小通孔,其目的无非是让叶片能够承受更高的工作温度而不至过早报废。虽然工程师们一直依靠各种合金解决涡轮材料问题,但他们无时无刻不想颠覆金属材料的热端垄断地位!如今通用电气(GE)航空分部研制的陶瓷基复合材料(CMC)就是朝着这个目标去的。
2015年巴黎航展上,通用电气展出了CMC喷气发动机涡轮叶片。美国正在验证的新一代ADVENT自适应循环发动机采用的诸多先进技术,就包括通用电气的CMC材料,这在某种程度上解释了何以ADVENT首次试车就创下了航空喷气发动机有史以来最高工作温度纪录。GE技术人员表示,被称做“超级陶瓷”的CMC材料强度堪比金属,但重量却只及后者的三分之一。最令发动机设计人员兴奋得抓狂的是,CMC能够在1 450摄氏度环境中工作——这一指标比最棒的高温合金还高出许多。尽管这些数字指标看来无比诱人,但CMC材料的量产困难也是横亘在技术人员面前的一道障碍,如今GE正准备建立新的CMC工厂,解决量产难题。
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2015年巴黎航展上GE展出的喷气发动机CMC涡轮叶片 
在CMC美妙前景的背后,是GE技术人员近20年的不懈努力。从2000年开始,GE便开始在2兆瓦燃气轮机上测试CMC涡轮导向器。2007年通用电气航空分部开始考虑把CMC应用于航空发动机,先是在F136军用涡扇发动机上应用CMC涡轮导向器,接着又在CFM新一代LEAP商用飞机发动机内采用CMC静子部件。
2015年,GE开始在GE9X商用喷气发动机上测试CMC高压涡轮叶片和燃烧室部件,结果表明对发动机性能提升作用明显。但最令美军感兴趣的自然还是ADVENT:其上安装了GE首批CMC低压涡轮叶片,这是意义非凡的创新——意味着CMC材料由静入动,逐渐胜任更为严苛的高温高压高载荷工作环境。CMC转子带来的好处则显而易见:转子重量大幅降低,工作离心力相应锐减,这意味着涡轮叶片安装盘、发动机主轴都可随之“瘦身”。而由于耐高温性能更优,冷却部件可相应减少,这让发动机重量减少的同时还能更高效地利用进气,有效提升发动机推力并降低油耗。
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F414验证发动机上的低压涡轮采用了CMC叶片,其中一些表面施加了特殊的黄色涂层。
CMC究竟是什么?说到底,它是用特殊工艺生产的高技术复合材料。比如GE在发动机上使用的CMC,便是将碳化硅纤维以特殊结构形式与碳化硅基底材料结合的产物,最后的制成品表面再施加特种涂层。其性能特点就是,强度像金属,重量像塑料,耐高温像陶瓷,却不像瓷器那样易碎。
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