随着航天飞行器发动机单位推力的提高,发动机燃烧室出口温度有较大幅度的提升,对燃烧室、涡轮以及加力燃烧室等热端部件的材料提出了更高的要求,传统镍基高温材料已经难以满足设计工况的使用要求。连续纤维增强SiC陶瓷基复合材料(简称CMC-SiC)是最有潜力的热结构材料之一,该材料的密度仅为高温合金的30%,在不用空气冷却和热障涂层的情况下,长期工作温度可比高温合金提高200℃以上。在航空发动机中采用陶瓷基复合材料结构,可以减轻部件重量和降低冷却空气用量,提高涡轮前温度和效率,降低油耗率,从而能够提高发动机的推重比。

图:飞机发动机Leap将CMC组件引进发动机涡轮罩衬里,改进后的发动机需要的冷却空气量远远小于镍基超级合金,且拥有更低的比重,可比以往发动机节省燃油约15%。

一直以来制约我国武器装备发展的很重要的短板就是发动机,无论是地面装备还是空中装备皆是如此。本文小编将带大家探索“助推”航空发动机的热结构材料之一:连续纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料。


一、碳纤维or碳化硅纤维增韧碳化硅

连续纤维增强SiC陶瓷基复合材料(CMC-SiC)的应用可覆盖:瞬时寿命(数十秒~数百秒)、有限寿命(数十分钟~数十小时)和长寿命(数百小时~上千小时)这三类服役环境的需求。CMC-SiC主要包括碳纤维增韧碳化硅(C/SiC)和碳化硅纤维增韧碳化硅(SiC/SiC)两种。

瞬时寿命

有限寿命

长寿命

用于固体火箭发动机

用于液体火箭发动机

航空发动机

C/SiC的使用温度可达2800~3000℃

C/SiC的使用温度可达2000~2200℃

C/SiC的使用温度为1650℃,SiC/SiC为1450℃

目前陶瓷复合材料在航空领域可应用于发动机燃烧室内衬、燃烧室筒、喷口导流叶片、机翼前缘、涡轮叶片和涡轮壳环等等部位。通常而言,碳纤维具有价格便宜且容易获得的优势,当属C/SiC成为SiC陶瓷基复合材料研究及应用的首选。但由于碳化硅复合材料为非致密性材料,在基体中存在着一定数量的孔隙或微裂纹,使用环境下的水氧介质易通过裂纹和孔隙进入到界面和纤维部位,若采用碳纤维则容易氧化失效,严重影响使用寿命。相当而言,SiC/SiC比C/SiC抗氧化能力更优秀,因此SiC/SiC陶瓷基复合材料在航空发动机热端部件的应用更被看好

SiC/SiC陶瓷基复合材料通常由SiC纤维、界面层、SiC陶瓷基体和热防护涂层组成。下文将对SiC/SiC陶瓷基复合材料各组成部分、陶瓷基复合材料的制造工艺做简单介绍。


二、SiC/SiC陶瓷基复合材料各个组分
碳化硅纤维

目前SiC纤维的制备工艺主要有化学气相沉积法(CVD法)、先驱体转化法(3P法)、微粉烧结法(PS法)和化学气相反应法(CVR法)等,目前实现工业化生产的主要是先驱体转化法。先驱体转化法制备SiC纤维的历程可分为3代,见下文简析:

第1代为以日本碳公司(NipponCarbon)的Nicalon200纤维和宇部兴产(UbeIndustries)的TyrannoLOX-M纤维为代表的高氧碳SiC纤维,1代纤维均采用氧化交联方式,最终纤维中的氧质量分数为10%~15%,当使用温度达到1200℃以上,纤维中的SiCxOy相发生分解反应,纳米SiC晶体长大,导致力学性能急剧下降。

第2代纤维以日本NipponCarbon 公司的Hi-Nicalon纤维和UbeIndustries 公司的TyrannoLOX-E、TyrannoZM 和Tyranno ZE等低氧、高碳含量SiC纤维为代表,主要采用电子束交联,第2代SiC纤维中氧的质量分数降低,自由碳的质量分数相对较高,SiC晶粒尺寸较第1代大,纤维使用温度由1200℃提高到1300℃。

第3代SiC纤维以NipponCarbon 的Hi-NicalonTypeS、UbeIndustries 的TyrannoSA以及DowCorning 的Sylramic等牌号的近化学计量比SiC纤维为代表,在组成上接近SiC化学计量比,游离碳和杂质氧含量明显降低,在结构上表现为高结晶度的SiC多晶结构,其耐温能力大幅提升至1700℃


界面层

界面层是连接SiC纤维和SiC基体的桥梁,理想的界面层主要有以下3个方面作用。①抑制由于化学渗透和物理收缩对纤维造成的损伤。②缓解纤维与基体由于本征结构差异引起的热应力问题。③调解纤维和基体间的结合强度,有利于纤维拔出、界面分离、裂纹偏转等能量耗散机制的发挥,增强复合材料韧性。

基于上述分析,SiC/SiC复合材料的界面层多采用具有层状结构、性能稳定的材料构成,常见的界面层材料包括以下3类。

①热解碳界面层(PyC)PyC界面层为典型的层状结构,通过裂纹在界面层内部的偏转,实现裂纹尖端应力释放,进而提高材料的韧性。PyC界面层制备工艺成熟,设备商业化程度较高,成本较低,是目前应用最为广泛的界面层材料。然而PyC界面层抗氧化能力较差,限制了其在高温氧化工况下的应用。

②氮化硼界面层(BN)。BN与PyC均具有层状结构,BN在氧化媒介中900℃时开始发生氧化反应,其氧化性能较PyC大幅提升。BN界面层制备工艺较为复杂,对设备要求较高,制备成本较高。

③复合界面层((X-Y)n),该类界面层以(SiC-PyC)n为代表,综合了SiC抗氧化性能优异和PyC涂层层状结构易于裂纹偏转的综合优势,具有一定的应用前景。



路过

雷人

握手

鲜花

鸡蛋