航空發(fā)動機陶瓷基復(fù)合材料渦輪部件研究進展

自十八大以來，習近平主席將創(chuàng)新提升到社會發(fā)展的一個新高度?？萍紕?chuàng)新對于一國來說是提升其核心競爭力的最重要的因素，也是我國立于世界民族之林的最有力的武器。材料學作為尖端學科，一直備受各界矚目。上至探測太空， 下至到訪深海，無不需要材料學提供最為基礎(chǔ)的工具原料。就目前而言，航空材料中以陶瓷復(fù)合材料為最尖端材料。其密度小耐磨損耐高溫，是制作航空發(fā)動機渦輪必不可少的材料。但由于我國科技水平的限制，各個方面技術(shù)和設(shè)備都不夠完善，理論的研究尚未落到實處，整個材料的檢測系統(tǒng)尚未建立完全。但是對于以科技強國為目標我國來說，這是必須要跨過的一道鴻溝。
1  陶瓷基復(fù)合材料的當前發(fā)展形勢
高強度的韌性和可能耐住超高溫的陶瓷基復(fù)合材料，吸引著諸如美國，英國等有著先進航空技術(shù)的國家不斷開展研究，探索如何將這種材料用于制作航空發(fā)動機渦輪高溫部件。伴隨的空氣動力學，結(jié)構(gòu)力學，熱力學，以及材料科學的飛速發(fā)展。人們對于用于運輸?shù)臏u輪發(fā)動機的要求越來越高，其中就包含了對于其環(huán)保性能，發(fā)動機的穩(wěn)定性，材料的經(jīng)濟性。由這幾種來看的話，發(fā)動機的穩(wěn)定性是目前來說最為重要的特征。相關(guān)的研究數(shù)據(jù)顯示，目前發(fā)動機的結(jié)構(gòu)布局已經(jīng)較為成熟，想要突破相關(guān)的技術(shù)的話只能夠在創(chuàng)新材料中做文章。
眾所周知，燃氣助力的渦輪發(fā)動機在航空器運行時所要承受的工作溫度極高。這超出了目前來說絕大多數(shù)高溫合金的安全范圍，在有關(guān)材料尚未完善的情況下，人們不得不利用外部制冷的方式來降低高溫部件運行溫度。但是這種方法帶來的弊處是極為明顯的，它使得發(fā)動機本身的機械效率降低，也增加了發(fā)動機的制造成本。于是人們千方百計的尋找能夠替代高溫合金的材料來制作航空器的發(fā)渦輪發(fā)動機。
高溫陶瓷基復(fù)合材料，在試驗中表現(xiàn)出極為穩(wěn)定的耐高溫性，也符合相關(guān)的力學要求。于是就順理成章的成為制造航空器生產(chǎn)廠商所青睞的尖端材料，生產(chǎn)廠商們不遺余力的推動這種高端材料的發(fā)展。
2  陶瓷基復(fù)合材料所表現(xiàn)出的優(yōu)越性，以及所呈現(xiàn)的相關(guān)問題
在前文看來，具有耐高溫，穩(wěn)定性，密度小，硬度大，耐腐蝕的陶瓷基復(fù)合材料是十分完美的制作航空器渦輪發(fā)動機的材料。但由于目前科技水平有限，其所表現(xiàn)出來的缺點也是十分突出的。陶瓷基復(fù)合材料可塑性極差，塑形之后呈現(xiàn)脆性，這是其極為致命的缺點，影響了其應(yīng)用于實際。
當然，科技在一直向前發(fā)展，科學理論水平也在不斷提升。人們設(shè)想，能否讓這種陶瓷基復(fù)合材料變?yōu)橄窭w維一樣的具有韌性和具有可塑性。答案是肯定的。事實證明，尖端科學的發(fā)展隨著人們的想象力的擴展而不斷的延伸。通過采用纖維增韌的方法改進其相關(guān)特性，制造出具有纖維韌性的增強版的陶瓷基復(fù)合材料。其原理是通過改變陶瓷基復(fù)合材料本身的粒子排列與相變韌化方法進行組合，使陶瓷基復(fù)合材料在斷裂的過程中原本重組的粒子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變而發(fā)生偏轉(zhuǎn)同時，與其融合的纖維絲拔出的同時固定住相應(yīng)的形態(tài)。這樣既保住了陶瓷基復(fù)合材料本身的耐高溫性和穩(wěn)定性，又能夠具有纖維絲的韌性和可塑性，這肯定是優(yōu)于原本的陶瓷基復(fù)合材料的。
與之前的高溫合金相比，經(jīng)過增強后的陶瓷基復(fù)合材料首先是具有密度低這一特點。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，利用纖維強化過的陶瓷基復(fù)合材料所制作的航空器的渦輪發(fā)動機相較于高溫合金材料所制作的發(fā)動機，質(zhì)量減少了62%。其次就是其具有的耐高溫能力。再也不需要傳統(tǒng)高溫合金所特制的冷卻裝置，這樣極大的減少了制作成本。對于燃料本身的利用率來說，增強后的陶瓷基復(fù)合材料改善了燃料燃燒時的燃燒條件，使得材料充分燃燒，減少了污染排放。第三就是其具有的穩(wěn)定性和抗腐蝕性。傳統(tǒng)的高溫合金制作的航空器的渦輪發(fā)動機，其外表總是需要涂抹一層經(jīng)過特殊處理的涂層減少外在的腐蝕性，而強化后的材料則根本不需要這樣處理，是在一定程度上加長了航空器發(fā)動機的使用壽命。
說完了他的長處，我們在實際的應(yīng)用中所看到的問題也不少。
由于相關(guān)技術(shù)的不成熟，對于加強板的陶瓷基復(fù)合材料的制作具有不確定性。傳統(tǒng)的加工方法對于這種材料的制作不具有太大的參考性，我們需要更為穩(wěn)妥確定的新的工藝方法來制作，而這種工藝手段的改進，需要長期的累積過程以及需要充分的驗證和發(fā)展。其次就是對于新的技術(shù)的掌握不夠。相關(guān)的數(shù)據(jù)和試驗都還沒有進行多次驗證，相關(guān)實驗數(shù)據(jù)的支撐也不能夠確定和評估材料的實際問題。第三就是進行這種科學實驗的研究成本費用過高，不確定因素太多致使材料的浪費極為明顯。
3  航空器渦輪發(fā)動機應(yīng)用新型陶瓷基復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀
1980年以來，諸如美國日本法國這種經(jīng)濟相對來說較為發(fā)達的國家的發(fā)動機制造廠商對于新型的陶瓷基復(fù)合材料產(chǎn)生了極為濃烈的興趣。
法國的一家公司為了減輕渦輪發(fā)動機質(zhì)量，提高其高溫的耐久度。不計成本的使用陶瓷基復(fù)合材料噴管調(diào)節(jié)片，某種程度上來說，這一家法國公司具有無可比擬的超前眼光。在后續(xù)的發(fā)展與研究中，中期的不計成本的投入，使其在市場競爭中站在最前列的位置。這家公司成功研制出利用碳纖維增強的碳化硅陶瓷基復(fù)合材料。利用碳釬維的多層次分布增強其耐高溫性，然后利用碳化硅滲透其機體構(gòu)筑其新結(jié)構(gòu)。這種材料具有非脆性，耐高溫，抗氧化，密度小等特性，并且該公司在當時還進行了大量試驗證明了其壽命長這一特色特點，之后便進行大批量生產(chǎn)應(yīng)用到m882發(fā)動機之上。
法國在先，美國緊隨其后。1990年后，美國航空公司，發(fā)動機制造廠商制定一系列計劃，重點研究先進材料。其中便包括了對于陶瓷基復(fù)合材料的研究。
在這一系列計劃中，美國航空公司通過改進工藝利用精細化生產(chǎn)。去除原本在陶瓷基復(fù)合材料中易蠕變的組成部分，然后通過處理其相關(guān)表面提升抗蠕變性，在優(yōu)化工藝手段上去降低這種復(fù)合材料的特性分散度。在這些年的發(fā)展進程過程中，美國航空公司通過與其他公司合作開發(fā)研制出一系列的類似于F414發(fā)動機這樣的高精尖端發(fā)動機，并在其上配備了碳纖維增強過后的陶瓷基復(fù)合材料調(diào)節(jié)片。并在經(jīng)過了標準硬件的測試和實驗過后驗證了其具有的高溫性能和穩(wěn)定性能，目前已廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)斗機。
總而言之，增強型的陶瓷基復(fù)合材料的應(yīng)用前景極為廣泛，而對于航空器渦輪發(fā)動機的應(yīng)用只是其中之一。目前我國在這一塊的研究尚未進入世界前列，仍需更多的有識之士通過學習和研究來推進我國相應(yīng)陶瓷基復(fù)合材料的發(fā)展。

本文來源：《企業(yè)科技與發(fā)展》：http://m.k2057.cn/w/qk/21223.html