航空发动机陶瓷基复合材料涡轮部件研究进展

自十八大以来，习近平主席将创新提升到社会发展的一个新高度。科技创新对于一国来说是提升其核心竞争力的最重要的因素，也是我国立于世界民族之林的最有力的武器。材料学作为尖端学科，一直备受各界瞩目。上至探测太空， 下至到访深海，无不需要材料学提供最为基础的工具原料。就目前而言，航空材料中以陶瓷复合材料为最尖端材料。其密度小耐磨损耐高温，是制作航空发动机涡轮必不可少的材料。但由于我国科技水平的限制，各个方面技术和设备都不够完善，理论的研究尚未落到实处，整个材料的检测系统尚未建立完全。但是对于以科技强国为目标我国来说，这是必须要跨过的一道鸿沟。
1  陶瓷基复合材料的当前发展形势
高强度的韧性和可能耐住超高温的陶瓷基复合材料，吸引着诸如美国，英国等有着先进航空技术的国家不断开展研究，探索如何将这种材料用于制作航空发动机涡轮高温部件。伴随的空气动力学，结构力学，热力学，以及材料科学的飞速发展。人们对于用于运输的涡轮发动机的要求越来越高，其中就包含了对于其环保性能，发动机的稳定性，材料的经济性。由这几种来看的话，发动机的稳定性是目前来说最为重要的特征。相关的研究数据显示，目前发动机的结构布局已经较为成熟，想要突破相关的技术的话只能够在创新材料中做文章。
众所周知，燃气助力的涡轮发动机在航空器运行时所要承受的工作温度极高。这超出了目前来说绝大多数高温合金的安全范围，在有关材料尚未完善的情况下，人们不得不利用外部制冷的方式来降低高温部件运行温度。但是这种方法带来的弊处是极为明显的，它使得发动机本身的机械效率降低，也增加了发动机的制造成本。于是人们千方百计的寻找能够替代高温合金的材料来制作航空器的发涡轮发动机。
高温陶瓷基复合材料，在试验中表现出极为稳定的耐高温性，也符合相关的力学要求。于是就顺理成章的成为制造航空器生产厂商所青睐的尖端材料，生产厂商们不遗余力的推动这种高端材料的发展。
2  陶瓷基复合材料所表现出的优越性，以及所呈现的相关问题
在前文看来，具有耐高温，稳定性，密度小，硬度大，耐腐蚀的陶瓷基复合材料是十分完美的制作航空器涡轮发动机的材料。但由于目前科技水平有限，其所表现出来的缺点也是十分突出的。陶瓷基复合材料可塑性极差，塑形之后呈现脆性，这是其极为致命的缺点，影响了其应用于实际。
当然，科技在一直向前发展，科学理论水平也在不断提升。人们设想，能否让这种陶瓷基复合材料变为像纤维一样的具有韧性和具有可塑性。答案是肯定的。事实证明，尖端科学的发展随着人们的想象力的扩展而不断的延伸。通过采用纤维增韧的方法改进其相关特性，制造出具有纤维韧性的增强版的陶瓷基复合材料。其原理是通过改变陶瓷基复合材料本身的粒子排列与相变韧化方法进行组合，使陶瓷基复合材料在断裂的过程中原本重组的粒子结构发生改变而发生偏转同时，与其融合的纤维丝拔出的同时固定住相应的形态。这样既保住了陶瓷基复合材料本身的耐高温性和稳定性，又能够具有纤维丝的韧性和可塑性，这肯定是优于原本的陶瓷基复合材料的。
与之前的高温合金相比，经过增强后的陶瓷基复合材料首先是具有密度低这一特点。相关数据表明，利用纤维强化过的陶瓷基复合材料所制作的航空器的涡轮发动机相较于高温合金材料所制作的发动机，质量减少了62%。其次就是其具有的耐高温能力。再也不需要传统高温合金所特制的冷却装置，这样极大的减少了制作成本。对于燃料本身的利用率来说，增强后的陶瓷基复合材料改善了燃料燃烧时的燃烧条件，使得材料充分燃烧，减少了污染排放。第三就是其具有的稳定性和抗腐蚀性。传统的高温合金制作的航空器的涡轮发动机，其外表总是需要涂抹一层经过特殊处理的涂层减少外在的腐蚀性，而强化后的材料则根本不需要这样处理，是在一定程度上加长了航空器发动机的使用寿命。
说完了他的长处，我们在实际的应用中所看到的问题也不少。
由于相关技术的不成熟，对于加强板的陶瓷基复合材料的制作具有不确定性。传统的加工方法对于这种材料的制作不具有太大的参考性，我们需要更为稳妥确定的新的工艺方法来制作，而这种工艺手段的改进，需要长期的累积过程以及需要充分的验证和发展。其次就是对于新的技术的掌握不够。相关的数据和试验都还没有进行多次验证，相关实验数据的支撑也不能够确定和评估材料的实际问题。第三就是进行这种科学实验的研究成本费用过高，不确定因素太多致使材料的浪费极为明显。
3  航空器涡轮发动机应用新型陶瓷基复合材料的研究现状
1980年以来，诸如美国日本法国这种经济相对来说较为发达的国家的发动机制造厂商对于新型的陶瓷基复合材料产生了极为浓烈的兴趣。
法国的一家公司为了减轻涡轮发动机质量，提高其高温的耐久度。不计成本的使用陶瓷基复合材料喷管调节片，某种程度上来说，这一家法国公司具有无可比拟的超前眼光。在后续的发展与研究中，中期的不计成本的投入，使其在市场竞争中站在最前列的位置。这家公司成功研制出利用碳纤维增强的碳化硅陶瓷基复合材料。利用碳钎维的多层次分布增强其耐高温性，然后利用碳化硅渗透其机体构筑其新结构。这种材料具有非脆性，耐高温，抗氧化，密度小等特性，并且该公司在当时还进行了大量试验证明了其寿命长这一特色特点，之后便进行大批量生产应用到m882发动机之上。
法国在先，美国紧随其后。1990年后，美国航空公司，发动机制造厂商制定一系列计划，重点研究先进材料。其中便包括了对于陶瓷基复合材料的研究。
在这一系列计划中，美国航空公司通过改进工艺利用精细化生产。去除原本在陶瓷基复合材料中易蠕变的组成部分，然后通过处理其相关表面提升抗蠕变性，在优化工艺手段上去降低这种复合材料的特性分散度。在这些年的发展进程过程中，美国航空公司通过与其他公司合作开发研制出一系列的类似于F414发动机这样的高精尖端发动机，并在其上配备了碳纤维增强过后的陶瓷基复合材料调节片。并在经过了标准硬件的测试和实验过后验证了其具有的高温性能和稳定性能，目前已广泛应用于战斗机。
总而言之，增强型的陶瓷基复合材料的应用前景极为广泛，而对于航空器涡轮发动机的应用只是其中之一。目前我国在这一块的研究尚未进入世界前列，仍需更多的有识之士通过学习和研究来推进我国相应陶瓷基复合材料的发展。

本文来源：《企业科技与发展》：http://www.zzqklm.com/w/qk/21223.html