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復(fù)合材料在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用

  目前，復(fù)合材料在航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用的范圍越來(lái)越廣且比例越來(lái)越大，使航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)向"非金屬發(fā)動(dòng)機(jī)"或"全復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)"方向發(fā)展。

  美國(guó)針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)施的IHPTET 和VAATE 計(jì)劃，以及歐洲實(shí)施的ACME 和AMET 計(jì)劃，均將復(fù)合材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用列為重點(diǎn)內(nèi)容予以驗(yàn)證和突破，包括:風(fēng)扇寬弦復(fù)合材料葉片、纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料機(jī)匣、350℃ 熱塑性復(fù)合材料中介機(jī)匣、SiC長(zhǎng)纖鈦基復(fù)合材料的葉環(huán)、葉鼓和低壓渦輪軸、陶瓷基復(fù)合材料全環(huán)燃燒室、CMC 碳化硅復(fù)合材料浮壁燃燒室、CMC 碳化硅復(fù)合材料渦輪導(dǎo)向器、CMC 和C/C 復(fù)合材料渦輪轉(zhuǎn)子等相關(guān)結(jié)構(gòu)，由此可見(jiàn)，復(fù)合材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的大量使用己成為必然。

  在NASA N+3 先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目中，除整體碳纖維風(fēng)扇導(dǎo)向器/前機(jī)匣、復(fù)合材料風(fēng)扇葉片和復(fù)合材料風(fēng)扇機(jī)匣外，復(fù)合材料的應(yīng)用還包含:復(fù)合材料附件機(jī)匣、新一代陶瓷基復(fù)合材料燃燒室、新一代陶瓷基復(fù)合材料高壓渦輪導(dǎo)向器葉片、新一代陶瓷基復(fù)合材料高壓渦輪葉片、新一代陶瓷基復(fù)合材料有圍低壓渦輪葉片、陶瓷基復(fù)合材料高壓渦輪支撐罩環(huán)和整流罩等，以及全復(fù)合材料整體發(fā)動(dòng)機(jī)短艙。圖1 顯示了NASA N+3 先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目中先進(jìn)新材料應(yīng)用情況。

圖1　NASA N+3 先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目中復(fù)合材料應(yīng)用情況

樹脂基復(fù)合材料

  憑借比強(qiáng)度高、比模量高、耐疲勞與耐腐蝕性好、阻噪能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，樹脂基復(fù)合材料采用耐高溫樹脂(聚酰亞胺)制造，工作溫度可達(dá)250~350℃ ，用作發(fā)動(dòng)機(jī)冷端部件，主要是在發(fā)動(dòng)機(jī)的外涵道機(jī)匣、風(fēng)扇機(jī)匣、進(jìn)氣機(jī)匣、風(fēng)扇靜子和轉(zhuǎn)子葉片、壓氣機(jī)葉片、包容機(jī)匣以及發(fā)動(dòng)機(jī)短艙、反推力裝置等部件上得到廣泛應(yīng)用。如在美國(guó)F404 、F101 、RB211 等發(fā)動(dòng)機(jī)的復(fù)合材料外涵道整流罩或外涵道機(jī)匣及我國(guó)某發(fā)動(dòng)機(jī)的復(fù)合材料外涵機(jī)匣等上都已廣泛應(yīng)用。

F119發(fā)送機(jī)結(jié)構(gòu)圖

  F119 發(fā)動(dòng)機(jī)的碳纖維增強(qiáng)的聚酰亞胺基復(fù)合材料外涵機(jī)匣采用Dow-UT 公司研發(fā)的先進(jìn)樹脂傳遞模塑(RTM) 成型法制造，外環(huán)、內(nèi)轂、葉型支板模塑成一整體，通道表面光滑且滿足尺寸要求，工作溫度為316℃ ，質(zhì)量減輕15% ~20% ，成本降低30%~35% 。該技術(shù)可以制造形狀復(fù)雜的進(jìn)氣機(jī)匣，其所有外部氣流通道的表面粗糙度、最終尺寸精度可與經(jīng)機(jī)械加工的鈦合金進(jìn)氣機(jī)匣相媲美，并可使進(jìn)氣機(jī)匣減少零件總數(shù)和取消許多勞動(dòng)密集的裝配工序，因而可以大幅度減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量和降低成本。

  普·惠公司在經(jīng)濟(jì)可承受的樹脂基復(fù)合材料研究計(jì)劃(后轉(zhuǎn)至JSF 研究計(jì)劃)下的推進(jìn)系統(tǒng)可承受的復(fù)合材料研究項(xiàng)目(ACP) ，與Dow-UT 公司合作采用先進(jìn)RTM 工藝制造風(fēng)扇進(jìn)口結(jié)構(gòu)和風(fēng)扇出口機(jī)匣。現(xiàn)在，為F119 發(fā)動(dòng)機(jī)研制的復(fù)合材料風(fēng)扇進(jìn)口機(jī)匣已完成相關(guān)驗(yàn)證。經(jīng)驗(yàn)證，與鈦合金的機(jī)匣相比較，費(fèi)用降低了32% ，質(zhì)量減輕了44% 。

GE90發(fā)動(dòng)機(jī)

  通用電氣公司吸取了GE36UDF 發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片的研制經(jīng)驗(yàn)，采用樹脂基復(fù)合材料制造的單級(jí)大直徑(3 .43m) 寬弦實(shí)心復(fù)合材料風(fēng)扇葉片。GE90 發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片(圖2) 的葉身和葉根均采用赫克塞爾(Hexcel) 公司的8551-7 高強(qiáng)度抗損傷結(jié)構(gòu)用增韌改性環(huán)氧樹脂作為基體材料，用IM7 高強(qiáng)度、大伸長(zhǎng)、中模量碳纖維作為增強(qiáng)體，制造成被稱為"大力神"的IM7/8551-7 碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料預(yù)浸料。再由400 層預(yù)浸料帶從葉根到葉尖采用鋪層逐漸減薄的鋪層方式制成風(fēng)扇葉片。為了提高葉片抗大鳥撞擊的能力，將鈦合金薄片用3MRAF191 膠黏在葉片前緣上，在葉尖與后緣處用凱芙拉細(xì)線進(jìn)行縫合，這種結(jié)構(gòu)不僅可以分散外物撞擊能量，還可以防止復(fù)合材料在葉片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)發(fā)生脫層。

圖2 GE90 復(fù)合材料風(fēng)扇葉片

  復(fù)合材料的使用，大大減輕了風(fēng)扇組件的質(zhì)量。該風(fēng)扇采用低葉尖速度、彈性變形吸收沖擊能量并重新分布、葉根在榫槽中偏擺減緩沖擊和局部包裹鈦合金的辦法成功地保證了風(fēng)扇葉片的抗外物打擊性能;采用涂覆聚氨酯抗腐蝕涂層和使用特殊絲線縫合復(fù)材脫層部位等方式提高了風(fēng)扇葉片的抗腐蝕性能。

  波音787 用的GEnx 發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇機(jī)匣采用7.62mm厚的三維織物以±60℃方式編織，并在邊角及彎曲處與工維織物混編在一起。編織采用自動(dòng)化工藝，織物繞一風(fēng)扇機(jī)匣工具編織成平面狀回在中部編織厚層作為風(fēng)扇葉片的包容層，從而取消了鋁合金機(jī)匣上用的凱芙拉墊。織物一經(jīng)鋪成，便從機(jī)匣外引入樹脂。

  GEnx 風(fēng)扇葉片設(shè)計(jì)方法與GE90-115B 相同，但葉片數(shù)量降到18 片(GE90-115B 為22片)，直徑為2.82m 的風(fēng)扇又進(jìn)一步降低了噪聲。由于尖銳邊緣的復(fù)合材料有磨損的趨向，在葉片的前緣、葉尖及后緣增加了可以更換的鈦金屬包覆層。這種葉片邊緣也可以將外物打傷能量分散到風(fēng)扇復(fù)合材料中去。復(fù)合材料風(fēng)扇的使用除減重外，葉片數(shù)量的減少還可減少空氣阻力、降低噪聲(比CF6 降低30%)。由于復(fù)合材料本身具有耐腐蝕、耐疲勞的特性， GE公司認(rèn)為復(fù)合材料風(fēng)扇葉片在使用中可以免維護(hù)。由于復(fù)合材料葉片受到外物撞擊后，易于破碎成幾塊，在吸收撞擊能量的同時(shí)，還降低了對(duì)風(fēng)扇機(jī)匣和包容環(huán)的撞擊程度，這使得復(fù)合材料葉片在減輕自身質(zhì)量的同時(shí)，還減輕了風(fēng)扇包容系統(tǒng)、風(fēng)扇盤以及整個(gè)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的質(zhì)量。另外，復(fù)合材料葉片還在抗顫振等方面優(yōu)于金屬葉片，更利于實(shí)現(xiàn)大涵道比，進(jìn)而達(dá)到降低泊耗和提高效率的目的。

  法國(guó)斯奈克瑪(Snecma) 發(fā)動(dòng)機(jī)公司采用編織復(fù)合材料和樹脂傳遞模塑(RTM) 技術(shù)最新研制的LEAP-X 發(fā)動(dòng)機(jī)同樣采用碳纖維復(fù)合材料制造的18 片風(fēng)扇葉片，其數(shù)量比CFM56-5C 減少一半，是CFM56-7B 的3/4。1.8m 直徑的葉片采用三維編織、樹脂傳遞模塑技術(shù)制造，可以給每架飛機(jī)減輕超過(guò)450kg的質(zhì)量。

  1972 年北京航空制造工程研究所以中等強(qiáng)度碳纖維為增強(qiáng)體，以648 環(huán)氧樹脂為基體研制出某型發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片，質(zhì)量是鈦的56% ，榫頭拉斷強(qiáng)度為設(shè)計(jì)值的5 倍;由于振動(dòng)阻尼系數(shù)為鈦葉片的5 倍，因而可以省去阻尼凸臺(tái)。某渦扇系列發(fā)動(dòng)機(jī)中，已經(jīng)廣泛采用先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料T300/KH304 和T300/BMP316 等制造復(fù)合材料外涵機(jī)匣，整體葉盤(外緣)纏繞結(jié)構(gòu)等。在下一代高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)中，先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料將進(jìn)一步用于制造風(fēng)扇機(jī)匣、葉片，乃至低壓壓氣機(jī)機(jī)匣部件。

復(fù)合材料在導(dǎo)彈和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用

  碳纖維復(fù)合材料主要應(yīng)用于導(dǎo)彈彈頭、彈體箭體和發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的結(jié)構(gòu)部件和衛(wèi)星主體結(jié)構(gòu)承力件上，碳/碳和碳/酚醛是彈頭端頭和發(fā)動(dòng)機(jī)噴管喉襯及耐燒蝕部件等重要防熱材料， C/C 最早用作其噴管喉襯，并由二維、三向發(fā)展到四向及更多向編織。碳纖維復(fù)合材料在美國(guó)侏儒、民兵、三叉戟等戰(zhàn)略導(dǎo)彈上均己成熟應(yīng)用，美國(guó)、日本、法國(guó)的固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼體主要采用碳纖維復(fù)合材料，如美國(guó)三叉戟-2 導(dǎo)彈、戰(zhàn)斧式巡航導(dǎo)彈、大力神-4 火箭、法國(guó)的阿里安-2火箭改型、日本的M-5 火箭等發(fā)動(dòng)機(jī)殼體，其中使用量最大的是美國(guó)赫克里斯公司生產(chǎn)的抗拉強(qiáng)度為5.3GPa 的IM-7 碳纖維，性能最高的是東麗T-800 纖維，抗拉強(qiáng)度5.65GPa、楊氏模量300GPa。

  俄羅斯海上導(dǎo)彈系統(tǒng)中的佼佼者是"圓錘"(布拉瓦)型潛艇發(fā)射導(dǎo)彈，該導(dǎo)彈發(fā)射機(jī)動(dòng)性好，同時(shí)擁有海基和陸基兩種打擊版本，可以攜帶6~10 枚分導(dǎo)式核彈頭，配備在海軍"臺(tái)風(fēng)"級(jí)，以及未來(lái)新型"北風(fēng)之神"級(jí)核潛艇上，可以突破敵方導(dǎo)彈防御系統(tǒng)，有效摧毀全球任何地方的敵方目標(biāo)。這些新型導(dǎo)彈的發(fā)動(dòng)機(jī)噴管及大面積防熱層均使用黏膠基碳纖維增強(qiáng)的酚醛復(fù)合材料。

  目前為解決固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)承載問(wèn)題，美國(guó)和法國(guó)正在進(jìn)行陶瓷纖維混合碳纖維而編織的多向(6 向)基質(zhì)、以熱穩(wěn)定氧化物為基體填充的陶瓷復(fù)合材料。SiC 陶瓷制成的喉襯、內(nèi)襯已進(jìn)行多次點(diǎn)火試驗(yàn)。今天作為火箭錐體候選材料的有A12 03 、Zr02 、Th02 等陶瓷，而火箭尾噴管和燃燒室采用的高溫結(jié)構(gòu)材料有SiC 、石墨、高溫陶瓷涂層等。

  我國(guó)各類戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈上也大量采用碳纖維復(fù)合材料作為發(fā)動(dòng)機(jī)噴管、整流罩防熱材料。我國(guó)20 世紀(jì)90 年代后期開(kāi)展了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料材料殼體的研究，進(jìn)行了T300CFRP 固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的基礎(chǔ)試驗(yàn)、殼體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)、點(diǎn)火試車等全程考核中完成了12K-T700-CFRP 殼體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)，開(kāi)展了T800 碳纖維CFRP 多種殼體的預(yù)研試驗(yàn)。

  來(lái)源：《航空復(fù)合材料及其力學(xué)分析》作者：崔海濤，孫志剛