4合材料部件在航空涡扇发动机上的应用

连续纤维增强的金属基复合材料 部件在航空涡扇发动机上的应用 ApplicationofContinuousFiberReinforcedMetalMatrixCompositeComponent onTurbofanAeroengine 梁春华 研究员。主要研究方向为航空发动 机情报。曾先后荣获。九五。．。十五1国 防科技情报研究成果奖3等奖各1项． 原中国一航95优秀科技情报成果1等 奖和3等奖各1项，所科技进步2等奖 3项，所科技进步3等奖14项．发 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 论 文30多篇。 中航工业沈阳发动机设计研究所梁春华 随着气动热力学、结构力学和材 料科学等的飞速发展，“较高的性能、 良好的经济性、极好的环保特性和很 高的可靠性”已经成为大涵道比涡 扇发动机研制的主要目标，而“较高 的推重比、较低的油耗、较少的信号 特征、极高的可靠性”已经成为小涵 32航空翻造技术·2009年第15期 连续纤维增强MMC在航空涡扇发动机部件上的应用， 不仅是复合材料本身发展的需要，更是航空涡扇发动机增 推减质的需要。MMC。特别是钛基和钛铝基复合材料已经 成为航空发动机技术先进国家在航空涡扇发动机中低温部 件上广泛探索研究的结构材料。随着材料制备和加工技术 的发展和成熟，MMC的性能将得到不断提高，相信在航空 涡扇发动机部件的应用将在不久的未来能够实现。 道比加力涡扇发动机研制的主要目 标。研究表明，在不改变目前航空涡 扇发动机结构布局的前提下，上述目 标要想取得突破，创新的材料 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 是 极其关键的因素。 由于具有优良的比强度、比 刚度、耐温性、结构稳定性和质量 等性能，MMC(MetalMatrix Composites，金属基复合材料)已 经成为航空涡扇发动机高性能中温 部件的重要候选材料。多年来，世 界知名的航空发动机设计与制造商 针对MMC，特别是连续纤维增强的 MMC在航空涡扇发动机压气机转 子／静子叶片、整体叶环、机匣、低压 轴、排气喷管作动筒等零部件上的应 用，已经进行了广泛的探索和研究， 并取得了很大的进展。 连续纤维增强的MMC在航空 涡扇发动机部件上的应用 早在20世纪60年代初期，连续 纤维增强的MMC在航空涡扇发动 机上的应用研究工作就已经开始，40 多年来已经取得了显著的进展，目前 在有些领域已经接近实际应用的水 平。 1连续纤维增强的MMC在风扇／ 压气机叶片上的应用 连续纤维增强的MMC在航空 涡扇发动机风扇／压气机转子叶片 上的应用研究始于20世纪60年代， 于70年代中期完成可行性验证，80 年代以来取得了很大进展。 (1)GEAE公司。 20世纪80年代后期，GEAE公 万方数据 司开发了超埋成形／扩散连接工艺， 并制造了碳化硅纤维SCS-6增强的 Ti一6-4基复合材料风扇叶片。该 叶片的试验台试验和旋转地坑试验 结果表明，其满足了预计的结构完整 性要隶，制造工艺合理，但是存在叶 片质量太大和1阶弯曲频率太低的 问题。为此，对该叶片进行了优化和 改进，并进行了发动机试验验证。虽 然，没有见到该叶片进一步发展的报 道，但是，根据TiMMC涡轮发动机 部件联合体(TMCTECC)研究 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 的进展，可以推知GEAE公司在这 方面已经取得了很大的进展。 TMCTECC研究计划由美国 政府投资，于1994年8月起动， 是由GEAE、P·W公司、Textron SpecialtyMaterials、Atlantic ResearchCOrporatiOil、3M和 Howmet公司组成。它的研究目标 是通过开发连续丝带成形工艺、成束 丝带成形工艺、电子束／物理气相沉 积(EBPVD)工艺等，在IHPTET研 究计划下开发和验证TiMMC部件， 并将其推广应用到运输机大涵道比 涡扇发动机和F1lO、Fl19，F120等 战斗机小涵道比涡扇发动机上。目 前，GEAE公司开发并验证了MMC 风扇转子叶片，并计划应用到F“0 和F414推力增大型发动机上。 (2)P·W公司。 P·W公司于20世纪60～70 年代对硼纤维增强的铝基复合材料 风扇转子叶片进行了研究和试验验 证，80年代以来重点开发了连续纤 维增强的TiMMC风扇／压气机 转子叶片，90年代初曾尝试在Fll9 发动机上采用与汉密尔顿标准公司 联合开发的TiMMC风扇叶片，也 曾尝试在美国IHPTET研究计划 XTC66核心机第2和第3级高压压 气机(共5级)上采用TiMMC叶片。 (3)其他。 为了适应发动机高性能和高推 重比的要求，强调轻质量和高温能力 的IHPTET研究计划较多地研究了 镍铝和钛铝金属间化合物基复合材 料发动机部件。高强度纤维增强的 斜方晶的钛铝基复合材料压气机后 转子，满足了IHPTET研究计划第2 阶段的质量减轻40％、出口温度提高 200。F(1ll'C)的目标。在部件和发 动机结构评估研究计划CAESAR) 中，研究并验证了质量轻且耐温能力 更高的Y钛铝压气机外环和叶片。 此外，在AMG研究与研制计划 中，日本采用超塑成形和等热铸造工 艺加工了TiMMC高压压气机叶片。 MTU公司与德国航天中心(DLR) 和Chemnitz技术大学的材料与冲 击工程研究所(LWM)也合作研究 了低压压气机整体叶盘的碳化硅增 强的TiMMC转子叶片。 2连续纤维增强的MMC在压气机 整体叶环上的应用 由于去掉了轮盘部分，加之由较 轻的支撑结构、较小的陀螺力矩或较 低的轴承载荷导致的质量大大减轻 (最多可减轻70％)，MMC整体叶环 结构得到了世界知名的航空发动机 设计与制造商的高度关注和大力开 发。 美国连续纤维增强的MMC在 压气机整体叶环上的应用研究工作 始于20世纪80年代。美国空军、加 雷特公司、AADC公司、GEAE公司 和P-W公司在可行性研究、制造工 艺、试验验证等方面开展了大量的工 作。 20世纪90年代初，在IHPTET 研究计划下，AADC公司设计和试 验了XTC-16系列核心机的4级压 气机的第3和第4级采用碳化硅增 强的TiMMC整体叶环。其制造工艺： 首先采用普通的钛合金锻造成毛坯， 然后加工出叶片，并在环内侧加工出 V环槽，在槽内装入由碳化硅纤维增 强的钛合金插入件，并用普通钛合金 覆盖在插件上，再进行热等静压，使 之复合成一体。该整体叶环转子的 质量大大减轻，如第3级整体叶环转 子的质量只有4．5kg左右，而常规 镍基合金制造的同样转子的实际质 量为25kg。 20世纪90年代中期，在 1HPTET研究计划下，GEAE公司开 发和验证了TiMMC压气机整体叶 环。该公司和AADC公司合作研制 的ATEGG验证机XTC76／2核 心机5级高压压气机采用外圈增强 的MMC的压气机转子，满足了高转 速和高温的要求，减轻了盘的质量， 降低了制造费用，改善了可维护性。 另外，IHPTET研究计划 XTC66核心机采用了增强的 TiMMC压气机盘连接件。IHPTET 研究计划第2阶段新核心机压气机 将采用高温钛合金Til100的整体叶 环，TiAl金属间化合物制造压气机 静子。这样，压气机的耐热性能将提 高到700～80012，结构质量将减轻 50％，阻燃性能提高。Til100复合材 料整体叶环结构的制造技术尚未见 报道。 欧洲国家的航空发动机公司也 2009年第15期·航空制造技术33 万方数据 大量开发了复合材料整体叶环结构。 MTU公司开发的碳化硅纤维增强 的TiMMC的整体叶环转子，已完 成了低循环疲劳旋转试验，计划应 用到推重比达到15～20的EJ200 改进型发动机的前2级高压压气机 上。SNECMA公司也采用基体涂覆 纤维工艺制造了碳化硅纤维增强的 TiMMC压气机整体叶环插件。 在AMG和ESPR研究计划中， 日本也开展了MMC整体叶环的 制造和试验验证工作。在AMG研 究计划下，采用热压和等静压热压 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 加工了MMC整体叶环，并成 功地进行了突爆试验和循环旋转地 坑试验。在ESPR计划下，采用新 开发的纤维缠绕与喷涂工艺和基体 涂覆单丝带工艺，制造了碳化硅纤 维(SCS一6)增强的钛基(SP一700， Ti4．5A13V2Fe2MO)复合材料风扇 整体叶环转子，并成功地完成了拉伸 试验和超转试验验证。结果表明，采 用基体涂覆单丝带工艺制造的整体 叶环，在拉伸强度和变形能力方面都 取得了明显进展，故淘汰了纤维缠绕 与喷涂工艺。 3连续纤维增强MMC在发动机低 压轴上的应用 20世纪70年代末至80年代 初，GEAE公司和特里达因CAE公 司完成了MMC发动机轴的可行性 研究。80年代末至90年代初，美 国陆军为GEAE和达信集团来科明 公司提供资金，开发MMC低压轴。 34航空蠲造技术·2009年第15期 GEAE公司FllO发动机低压轴采用 了SCS一6纤维增强的Ti6-4基复 合材料制造，纤维体积含量为35％， 沿各种方向铺层22层。该低压轴质 量减轻68kg，其中包括轴本身质量 减轻9kg。20世纪90年代，GEAE 公司在TMCTECC研究计划卜，在 XTC一76JTDE发动机上验证了碳 化硅增强的TiMMC低压轴。该低 压轴的长度为48in(121．92cm)，直 径为6in(15．24cm)，质量较Incol 合金轴的轻30％，刚度较钛合金轴的 高40％，寿命也有所延长。 另外，在VITAL计划下，欧洲 国家也在开发和验证MMC的发动 机轴技术。 4连续纤维增强MMC在排气系统 作动简活塞等部件上的应用 20世纪90年代，在TMCTECC 研究计划下，P·W和GEAE等公司 开发并验证了MMC的排气系统作 动器活塞，同步环和收敛调节片连杆 等部件。 碳化硅纤维增强的TiMMC扩 散喷管作动简活塞是为F119发动 机研制的，是F-22战斗机上的第1 个TiMMC零件，目前已经完成了 发动机地面累积试验。结果表明，其 承载能力比预计的使用载荷高出l 倍。该活塞替代不锈钢活塞，本身质 量可以减轻40％，同时可以成倍地 减轻机头的平衡质量(战斗机后部的 质量减轻0．59的质量，机头就可以 减轻1kg的平衡质量)。该活塞长 为305mm左右，杆部直径为50mm． 头部直径为100mm，质量与钛的一 样，强度与钛的也一样，但刚度比钛 的高。其制造工艺是：在鼓筒上缠 绕l层SiC单丝，在丝上绕上1层 钛丝，用胶结剂将2种材料连结，制 成薄板，然后，卷绕在1个钛心轴上， 绕15层；头部用1个钛筒形件形成。 活塞外部涂覆有1层涂层。毛坯在 455"C加热，以排除其中的杂质，然后 加以密封，在955℃、100MPa压力下 进行热等静压。 另外，在IHPTET研究计划 下，GEAE公司研制了Fll0发动 机的TiMMC(Trimarc-2增强的 Ti6A12Sn4Zr2Mo)排气喷管作动筒 连杆。该连杆替代了原Inconel718 连杆，使抗弯曲强度提高50％，质量 减轻2．0kg，且使研制风险降低。 5连续纤维增强MMC在发动机机匣 上的应用 20世纪90年代初，为了满足 IHPTET研究计划第2阶段的目 标，GEAE公司开展了MMC发动 机机匣的设计与制造等工作。这些 工作是利用美国空军的外骨架结构 (Exoskeletal)研究计划和GEAE公 司独立研究与研制计划的经费进行 的。为了设计1个结构效率高的航 空发动机外机匣，对作用在机匣结构 件上的各种独立的或组合的载荷的 影响、纤维体积百分比的影响、部件 的刚度与强度需求、不同结构形式的 影响，以及有关可靠性／维修性／ 现场维护等进行了研究，还对MMC 的薄金属片一纤维一薄金属片叠加 工艺和等离子体喷涂工艺进行了研 究。 连续纤维增强MMc发展趋向 经过多年的发展，连续纤维增强 的MMC已经被美国、英国，法国等 航空发动机技术先进国家广泛应用 在航空涡扇发动机的中温部件上。 1中高温MMC的应用前景 万方数据 铝基复合材料的使用温度较低， 最有潜力应用的部件主要是航空涡 扇发动机的低压压气机和外涵部件。 为了减轻质量，尽管采用铝基复合材 替代钛合金是一种不错的选择，但 是，由于其成本目前仍然较高，而树 脂基复合材料的工艺成熟、成本较低 且耐温度能力不断提高，因而，铝基 复合材料在航空涡扇发动机上的应 用潜力不容乐观。 碳化硅纤维增强的TiMMC具 有比强度高、比刚度高，使用温度高 及抗疲劳和蠕变性能好等优点，如 德国研制的SCS-6／IMl834复合材 料的抗拉强度达2200MPa，刚度达 220GPa，而且具有极为优异的热稳 已经十分明朗。 因具有密度低、刚度高、高温强 度好和防火能力强等特点，金属间 化合物(钛铝化合物和镍铝化合物) 基复合材料早已被列为先进航空涡 扇发动机的候选材料。随着美国和 欧．堋对高强度纤维增强的钛铝和镍 铝基复合材料发动机压气机叶片等 部件的不断开发和验证，这些材料也 将应用到未来的航空涡扇发动机上。 2单长丝缠绕增强的复合材料发展 前景 由于在高温下沿纤维方向具有 很高的比强度和比刚度，单长丝增强 的复合材料应用于航空涡扇发动机 部件上的优势明显，如采用连续单 钛基复合材料整体叶环 定性，在700。C温度暴露2000h后力 学性能不降低。采用TiMMC替代 传统钛合金制造压气机转子叶片，在 无需增加叶片厚度或质量的前提下， 能够增加叶片刚度，使得叶片性能调 整范围增大；可以改变叶片的共振 频率，从而将有害的振型排除在发动 机工作范围之外，可以使压气机质 量减轻40％左右。采用TiMMC整 体叶环替代压气机盘，可以使压气机 结构质量减轻70％。采用TiMMC 发动机轴替代传统发动机轴，可以使 发动机质量大大减轻。另外，这些部 件已经被美国和欧洲国家等在先进 计划验证机和在研发动机上进行了 广泛的验证，因而，未来航空涡扇发 动机风扇／压气机的转子叶片、整体 叶环、低压轴采用MMC制造的趋势 根碳化硅长丝增强的TiMMC制造 的压气机整体叶环转子可以减轻质 量70％，因而，这种复合材料在2l世 纪高推重比发动机中的应用具有很 大的潜力。未来发动机的低压压气 机转子叶片和静子叶片、压气机和涡 轮整体叶环，以及涡轮轴、压气机机 匣也将广泛采用这种复合材料制造。 通常发动机的低温部件，如轴和机匣 以及低压转子等采用单长丝增强的 TiMMC制造，而高温涡轮部件则用 单长丝增强的金属间化合物基复合 材料制造。目前，正在原型发动机上 对单长丝增强的MMC部件的性能 进行评估。 3连续纤维增强MMC转动部件的 发展与应用前景 由于呈现出很明显的各向异 性，MMC制造的静态结构件往往 具有极其复杂的应力场，并且很难 设计和制造。与MMC有潜力应用 的低压轴、静子叶片、机匣、尾部结 构和作动杆等部件相比，人们针对 整体叶环和转子叶片等部件开展的 探索研究和应用验证工作较多，同时 进展也较快。美国P·W公司等开发 的TiMMC整体叶环已在IHPTET 研究计划XTC-65验证机上成功 地进行了验证，能够满足性能要求。 GEAE公司和AADC公司合作研制 的ATEGG验证机XTC76／2核心 机5级高压压气机采用外圈增强的 MMC的压气机转子，满足了高转速 和高温的要求，减轻了盘的质量，降 低了制造费用，改善了可维护性。欧 洲4国研制的碳化硅增强的钛合金 复合材料的整体叶环转子已完成低 循环疲劳旋转试验，准备应用到推 重比达到15～20的EJ200改进型 发动机的前2级高压压气机上。 结束语 连续纤维增强MMC在航空涡 扇发动机部件上的应用，不仅是复合 材料本身发展的需要，更是航空涡扇 发动机增推减质的需要。MMC，特 别是钛基和钛铝基复合材料已经成 为航空发动机技术先进国家在航空 涡扇发动机中低温部件上广泛探索 研究的结构材料。随着材料制备和 加工技术的发展和成熟，MMC的性 能将得到不断提高，相信在航空涡扇 发动机部件的应用将在不久的未来 能够实现。 在纤维增强树脂基复合材料应 用于航空涡扇发动机部件方面，中 国已经开展了一些开发和验证工作， 但是较国外先进水平还有很大差距。 因而，很好地借鉴国外已经验证的先 进材料和制造技术，充分地吸取国外 成功的管理经验，对加快中国MMC 航空涡扇发动机部件的开发和应用 具有非常重要的意义。(责编依煞) 2009年第15期·航牵制造技术35 万方数据 连续纤维增强的金属基复合材料部件在航空涡扇发动机上的 应用 作者： 梁春华， Liang Chun-hua 作者单位： 中航工业沈阳发动机设计研究所 刊名： 航空制造技术 英文刊名： AERONAUTICAL MANUFACTURING TECHNOLOGY 年，卷(期)： 2009，(15) 引用次数： 0次 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_hkgyjs200915001.aspx 下载时间：2010年2月7日