中航工业陶瓷基复合材料制造技术进展

2017-02-08

     邱海鹏,研究员,中航工业集团公司一级专家,中航复材首席专家,中国硅酸盐学会特种陶瓷分会理事,中国硅酸盐学会测试技术分会理事,SAMPE北京分会常务理事。长期从事炭基和陶瓷基复合材料制造技术研究。获得中航工业科技进步二等奖1项,三等奖2项,获国家专利3项。在国内外期刊和学术会议上发表论文80 余篇。

    陶瓷基复合材料是指在陶瓷基体中引入增强材料,形成以引入的增强材料为分散相,以陶瓷基体为连续相的复合材料。其中分散相可以为连续纤维、颗粒或者晶须,目前,研究较多的主要是连续纤维增强陶瓷基复合材料(CMC-SiC),主要有碳纤维增强碳化硅(C/SiC)、碳化硅纤维增强碳化硅(SiC/SiC)以及氧化物/氧化物陶瓷基复合材料。CMC-SiC作为一种新型的热结构材料,不但继承了SiC陶瓷的优异高温性能,而且具有类金属的断裂行为(对裂纹不敏感,不会发生灾难性破坏等特点)。该材料既克服了陶瓷材料结构脆性差、可靠性低等致命弱点,同时与传统的高温合金相比具有不可比拟的优势,如密度更低(2~3g/cm3)、比强度和比模量更高,耐高温性和适应环境能力更强,已成为各国竞相研究的热点,尤其在高推重比航空发动机的高温部件、高温结构功能一体化部件,高马赫数水平起降空天往返飞行器热防护结构部件、功能部件、动力系统等领域的应用更是引起广泛的重视。CMC-SiC材料不仅能使结构有效减重50%~70%,而且能够提高发动机的工作温度潜力400~500℃,可显著提高发动机的推重比。

        以国外航空发动机高温部件为例,陶瓷基复合材料的研究与应用基于先易后难(先静止件后转动件,从低温到高温)的发展思路,充分利用已有的成熟发动机进行考核验证。首先发展中温(700~1000℃)和中等载荷(低于120MPa)的静止件,例如尾喷管调节片/密封片和内锥体等;再发展高温(1000~1300℃)中等载荷静止件,如火焰筒、火焰稳定器及涡轮外环、导向叶片等;而作为更高载荷(高于120MPa)静止件或转动件,例如涡轮转子和涡轮叶片还处于探索阶段。

     陶瓷基复合材料制造技术

     经过近几十年的发展,CMC-SiC的制造技术已经趋于成熟,部分技术成果已经成功应用到航空发动机热端部件上。这些工艺主要包括化学气相渗透工艺(Chemical Vapor Infiltration,CVI)、聚合物浸渍裂解工艺(Polymer Infiltration and Pyrolysis process,PIP)、浆料浸渍热压工艺(Slurry Infiltration and Hot-Pressing process,SIHP)和熔体浸渗工艺(Reactive Melt Infiltration,RMI)四种,其工艺特点如表1所示:

    各国对陶瓷基复合材料工艺都进行了详细的研究,其中日本拥有聚碳硅烷(PCS)和连续SiC纤维制备技术,主要开展PIP工艺制备纤维增强SiC复合材料的研究,特别是在SiC/SiC复合材料制备上具有较高的研究水平;法国以CVI技术为主,且技术水平属国际领先;德国以RMI和PIP技术为主,特别是RMI技术世界领先;美国对PIP、CVI和RMI工艺均有研究,且均有较高的研究水平。

    陶瓷基复合材料制造技术的研究进展

    我国在连续纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料研究方面起步相对较晚。近年来通过国家项目的支持,目前国内相关高校和研究单位在航空发动机用连续纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料和构件制造技术方面已取得可喜的技术突破,形成了较为完备的CVI和PIP工程化制造技术体系。

     中航复合材料有限责任公司在CMC-SiC制造技术方面经过十多年的努力,开展了大量的工程化应用研究,并突破了多项制约CMC-SiC制造技术工程化应用的关键技术。

     在结构陶瓷基复合材料及其构件制造技术方面,突破了陶瓷基复合材料复杂异形件的设计、整体编织技术、先驱体浸渍裂解工艺、近净成型技术、表面热防护技术、陶瓷基复合材料的加工技术、与金属部件的连接与装配技术以及无损检测等关键技术。研制的SiC/SiC复合材料热结构件已通过某型号航空发动机模拟器考核;此外,研制的SiC/SiC复合材料航空发动机热结构件在某型号国产航空发动机上,进行挂片考核;上述工作均达到了国际同类陶瓷基复合材料发动机热结构件的先进水平。

       在功能陶瓷基复合材料及其制备技术方面,突破大尺寸、耐高温、高韧性透波陶瓷材料成型技术,耐高温氧化物增强氧化物复合材料技术,雷达/红外隐身功能的陶瓷基复合材料设计、成型技术及高温评价等关键技术,在基础研究和应用研究领域取得重要进展。

      在非烧蚀、抗氧化材料及热防护系统方面,相继开展耐高温、高发射率、非烧蚀涂层制备技术,低密度、耐高温隔热材料制备技术,轻质、非烧蚀热防护系统的设计等工作,为陶瓷基复合材料在非烧蚀、抗氧化材料及热防护系统方面的应用奠定了理论和技术基础。

      中航工业复合陶瓷基复合材料技术的发展,为我国陶瓷基复合材料在高推重比航空发动机的高温部件、高温结构功能一体化部件,高马赫数飞行器热防护结构部件的应用做了大量的技术储备,将为我国航空发动机制造技术和空天飞行器热防护系统制造技术整体水平的提升提供有力支撑。


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