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陶瓷基复合材料在欧美军民用航空发动机上

的发展

作者：姚改成郭双全黄璇璇刘俊伶张良成叶勇松

来源：《航空维修与工程》2018年第10期

摘要：陶瓷基復合材料作为航空发动机候选材料之一，具有广泛的应用前景，本文主要概

述了陶瓷基复合材料在欧美军民用航空发动机尾喷口、燃烧室和涡轮等热端部件方面的发展和

应用。

关键词：陶瓷基复合材料;航空发动机;尾喷口;燃烧室;涡轮

引言0

陶瓷基复合材料（CMC）作为一种轻质、高性能的结构复合材料在高温领域应用广泛，

优异的高温性能使其可替代高温合金材料成为在航空发动机上特别是在航空发动机核心机上使

用的候选材料之一。

国外在陶瓷基复合材料构件的研究与应用方面，基于先易后难、先低温后高温、先静子后

转子的层层递进的发展思路，充分利用现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）的静子件，如尾喷口调节片和密封片;再发展

高温（1000℃～1300℃）中等静子件，如火焰筒、火焰稳定器、涡轮导向叶片和涡轮外环等;

而更高载荷（高于120MPa）的静子件或转子件，如高压涡轮转子和静子，现已在研究和试验

阶段[1]。本文主要就CMC在欧美军民用航空发动机上的发展做一概述。

1CMC在军用发动机上的发展

1.1CMC在尾喷口上的发展

世纪2070年代，碳/碳（C/C）复合材料作为高温复合材料在航天发动机上首次使用。随

后，由于化学气相渗透（CVI）制备工艺的出现，C/C复合材料在飞机刹车盘上获得成功应用

[2]。

世纪2080年代，CMC作为高温热防护材料在航天飞机的热防护系统上首次使用。随后，

法国斯奈克玛公司开展了CMC在航空发动机尾喷口部件的应用研究[3]，先后研制出C/SiC

（Sepcarbinox262）和SiC/SiC（Sepcarbinox300），并分别在M88-2尾喷口的外调节片和内

调节片上进行试车考核。其中，Sepcarbinox262复合材料强度较高，强度从室温到700℃可以

保持在250MPa左右，相比镍基高温合金减重30%。由于外调节片承受温度低，Sepcarbinox

262复合材料完全满足使用要求，早在1996年便成功地应用在M88发动机上，如图1所示。

从1996年开始，Sepcarbinox262复合材料外调节片已经在M88数个系列发动机上使用，迄今

为止已经有几千件，现在服役的C/SiC外调节片情况良好，满足发动机长期使用要求。

Sepcarbinox300复合材料在内调节片上的应用并不顺利，由于内调节片承受温度高，而第一代

SiC/SiC复合材料耐温较低，在地面试车考核时便暴露出因纤维/基体氧化导致寿命较短的问

题，但这也促使了自愈合CMC复合材料的诞生。

世纪2090年代，GE公司在Fll0发动机上进行了CMC复合材料调节片的考核验证[4，

5]。GE公司选取了SiC/C（碳化硅纤维增强碳基复合材料）和SiC/SiCN（碳化硅纤维增强硅

碳氮复合材料），并在F-16战斗机上进行了飞行试验。几百小时的飞行试验后，在SiC/C复

合材料调节片末端可以看到明显的损伤，这主要是由于发动机的振动使金属密封片与复合材料

调节片之间产生磨损而造成的。SiC/SiCN复合材料在经过相同的飞行试验后，并没有产生在

SiC/C调节片上出现过的磨损，而是产生了分层，并且分层随着发动机振动、热应力匹配和与

金属密封片的碰磨不断扩大。最后，GE公司测试了经过地面试车和飞行试车后的调节片的拉

伸强度，发现其拉伸强度均有严重的下降。

世纪21初期，普惠公司在Fl00发动机上进行了CMC复合材料超音速密封片的考核验

证。普惠公司选取三种不同的CMC密封片[4，6-7]体系，即S200（SiC/SiCN）、Cerasep

A410和SepcarbinoxA500，其中A410和A500密封片均采用多层编织结构和自愈合的陶瓷基

体，A410采用2代Hi-NicalonSiC纤维作为增强体，而A500采用C纤维作为增强体。在地面

持久试车过程中，A500密封片累计经过了11161个战术飞行周期，即5000h发动机飞行时

间，其中包括176h的加力飞行时间，这远远高于现在金属密封片的全寿命周期的4300个战术

飞行周期。在地面试车后，A