未来航空发动机涡轮叶片用材的最新形式--微叠层复合材料.pdf

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1、专藕S P E C I A LR E P O R T微叠层复合材料技术将是未来航空发动机涡轮叶片用材料的最新材料形式技术。本文对该技术进行了综合论述包括微叠层体型复合材料技术及纳米层状热障涂层技术两个方面。未来航空发动机涡轮叶片用材的最新形式微叠层复合材料M i c r o|a m i n a t e dC 0 m p o S i t e S：T h eN e x tG e n e r a t l o nM a t e r i a|o fT u r b j n eB l a d e随薯筹嚣慧鬻舞筹所提出的要求日益苛刻。2 0 世纪年代高压涡轮叶片的冷却设计结构采用的是等轴晶镍摹合金径向对流冷却

2、方式，它标志着涡轮叶片已实现了从非冷却设汁向冷却歧计的转变从而使涡轮进口温度达到1 1 0 0 气，在过去的几十年中，已就高雁涡轮叶片的冷却设计与高温材料开展了广泛深入的研究工作，出现了诸多技术新进雎其中包括冲击与气膜冷却设计，先进的定向凝固和单晶镍基高温合金等。这屿成果使得2 0 世纪8 0 及9 0 年代航空发动机的涡轮进口温度提高了3 1：图】展示出高压涡轮叶片冷却没计和材料的演进过程，图2 所示为高温合金的最高使用温度与其使用年代的关系从|圭|中n r 明显看出近年来高温台金的发展速度放慢。其中蛀卡要的原因是虽然单晶工艺可使台会熔点得队部分提高，但其提高的幅度相当有限高温金属|日J 化

3、合物的出现为解决上述问题提供了希望，在2 0 世纪八九十年代得到广泛重视和迅速发展。如c r z N b，N b j s l 3 N b，A 1 或c b s i 在1 2 0 0 下能保，0陈亚莉中国航空信息中d高压涡轮叶片冷却气流减少图1 高压涡轮叶片冷却设计和材料的演进过程持其原有强度，且在某些条件r 能保持到1 4“)。但经研究发现，作为一种单体材料，金属问化合物非常脆成形工艺性差，难以在发动机上获得实际应用。l q 4 01 9 6【)1 9 8 02 0 0 0使用年代图2 高温合金的最高使用温度与其使用年代的关系微叠层体型复合材料近年来，美国G E 公司在美国空军实验室材料指导部

4、资助下开鹱了将金属问化合物与韧性金属组成微叠层复合材料这一新方案的研究工作从事这一研究的还有洛克希德马丁公司、橡树岭国家实验摩、加州大学等，加拿大和欧洲也已着手从事该方面的研究工作，网此这种材料已成为目前的个研究热点。该项研究旨在依靠耐高温金属问化合物提供高温强度和蠕变抗力而利用高温金属作韧化元素，从而很好地克服了金属删化合物脆性这一缺点使航空发动机涡轮叶片材料这一航空领域最关键的材料展示出光明前景：图3 所示为合金使用温度与使用温度占其熔点百分比的函数关系图。从图中可看出，与镍基合会及奠复合材料相比，以铌基合金韧化的金属间化台物复合材料具有明显的优势它的t 作温度占熔点的百分率较低因此工作温

5、度较高。屯子柬物理气相沉秘fP V D j 工艺是生产这种多层冷却结构的一种经济上i r 承受的方案I 查 4 是用P V D 法生产涡轮叶片的示意图。其基本过程是：世删广封辑器一p一越寝莲肇呈卜_盏一已=otl 万方数据工型委型嚣嘎美美、-oN t 基复台材l“袁哑M 基金属问，t i 度化合物摹复合材弓p 1，体材料温度J嚣麓!N 摹高温台金厦复合材料使用温度占材料焙点百分比圈3 合金使用温度与使用温度占熔点百分比的关系围4 用P V 0 法生产祸轮叶片的示意图【1)由于梁内部不需要铸出冷却孔，可采用较低成本的方案加T 梁。(2)通过壳型铸造或机加工方法加工出高塑性金属梁中的冷却遥孔。(3

6、)在加工出孔的粱表面上填充以临时的填充物，然后对表面进行修整、研磨【4)采片IP V D 法沉积出金属问化合物复合材料的外壳。(j)通过化学浸析，将冷却通孔中的临时填充物析出。采用这种制备方案生产高压涡轮叶片可使涡轮进口温度提高3 0 0，一时保持满轮叶片的高塑性并可减少冷却气流的用量，1 叶片材料性能高压涡轮叶片材料需要满足多种要求，即强度、高温抗蠕变能力、低温断裂强度及断裂韧性、抗氧化性、抗热振能力、高温下的显微组织稳定性，此外还应具备价格优势在金属问化合物复合材料早期研发阶段所制备出的复合材料靛空I 程与维簟2 1，5l 芝魁赠匪l l 掣l(H l系统只能部分满足上述需求缺乏综合性能良

7、好的材料系统。抗氧化性是r 述综合要求中最关键的性能之一。事实上，所有在高温下长期使用的复合材料系统为防止氧化部需要涂层，但金属间化合物复合材料系统还必须具备足够的固有的抗氧化能力，以防止当涂层发生破坏时出现灾难性氧化。这里的问题是，尽管铌基合金较之镶基合金的使用温度更高，但其致命的抗氧化能力差却一直是限制其用于航空发动机的主要原因。图5 是各类高温合金在1 0 0 h 高温下失蕈的比较。从该周可看出铌基合金抗氧化性明显劣于镍基合金。近期开发的以钛、铪、铝、铬合金化的铌合金与普通市售铌合金相比，抗氧化性获得显著改进，并在1 1 5 0 1 2 0 0【及其以上温度下的氧化行为接近镍基台金。此外

8、，在同样的温度范围内，高温N b(s i)一N b s s l。和N b(c r)b N b 复合材料的抗氧化行为也接近镍基合金=因此可以预期，具有较高抗氧化能力的金属问化合物复合材料将得到发展。2 韧性金属间化合物基复合材料的台成目前已制备出的几种微叠层复合材料有具有不同组分和层厚的N b C r 2 N b、N b _ N b 5 s 1 3 以及N b _ M o s b 等体系。采用的方法有真空热佧箔、物理气相沉积、铸造和崮态反应等方法。研究表明，真空热压和铸造泼适于制备厚的(5()m)微叠层复合材料而物理气相沉积通常用于制备非常薄的(1 0 n m)的徽叠层材料物理气相沉积的优点是可

9、以制备出各种层厚、体积百分比以及层组分的金属问化合物复合材料，且间隙元素污染程度低，并具备良好的结构完整性。表l、表2 所示分别为在不同的实验中c r 州h N b 和N b N b 声i 3复合材料的层厚。G E 公司重点进行了c r：一N b 微叠层复合材料的研究，其结论是：(1)较薄层厚材料的室温断裂强度优于较厚的层，但韧性稍差，因而选择层厚需要在断裂强度和韧性之间求得平衡。(2)由于金属间化合物层的显微组织为超细晶粒组织因而高温强度较低，但在其他定向非连续复合材料系统中可以观察到很高的强度和蠕变抗力，这表明如果金属间化合物的晶粒可以粗化溜度()温度(F)图5 各类高温台金在1 0 0

10、h 高温下失重的比较7 7 万方数据车E裁懈啦温度()围6 单层T B c 材料与纳米层状T B c 材料导热率的比较则高温强度可获改善=目前这种品粒粗化技术可以通过提高沉积温度或通过选择适宜的金属问化合物复合材料系统来实现，这种金属问化台物复合材料在晶界迁移起点和金属问化合物稳定性上限之间具有较宽温度窗口。(3)微叠层复合材料在1 4 0 0 下的稳定性受金属问化合物相向金属层深度穿透这一非平衡态变化过程的影响，穿透形成的机理可能与品界扩散有关，因此获得一种在整个工作温度范围内处于平衡态的金属和金属问化合物组分很少变化的复合材料系统，是消除这一问题的基本途径。同时，必须充分了解穿透形成的机理

11、，以预测穿透现象出现的条件。(4)镍摹会属韧化层和复合材料系统者的抗氧化性能得以改善的事实表明，耐高温、抗氧化这一目标是可能实现的通过对上述N b 一(沁、b 系统的一系列分析，可吼预期制备叶片的第一步是在高韧性的金属梁上做一个微叠层金属问化合物复合材料外壳(目前定义的微叠层厚度为lr n m 1 0 0 n m)，下一步就是用微叠层材料直接制备出叶片。纳米层状热障涂层热障涂层(T B c)已有多年的发展历史，近年随着纳米技术的发展，有可能将其用于镍基高温合金的涂层，将来还有可能用其直接制备出叶片。图6 所示为传统的单层T B c 材料与纳米层状T B c 材料导热率的比较。从图中可看出二者的

12、明显差异，纳米层状T B c涂层的导热系数远低于单层的T B c，崮I i 国外预测采用纳米层状热障涂层可将高压涡轮叶片的使用温度提高2 6 0。只前的热障涂层主要采片i 等离子喷涂和电子柬物理气相沉积法制备。等离子喷淙法通常用来制备力学性能稍差，但热障效率高的涂层；电子柬物理气相沉积技术的特点是生产出的涂层具有较高应变容限、更光滑的表面和更好的抗腐蚀性，缺点是热障效率稍差，成本高。总的看来国外认为由于陶瓷涂层与基体金属物理性质存在很大差异，因而上述两种方法都是不成功的。主要缺点是耐久性不足限制了它的应用。目前国外开始研究通过溶胶一凝胶法制备微叠层状的热障涂层。该项研究是由美国空军小企业革新研

13、究汁划资助的，研究结果表明，采用微叠层陶瓷涂层不仅具有更高的隔热效率，而且抗氧化抗腐蚀性能更佳，损伤通常发生在局部，其负面影响较之单层材料更小：幽7 为微叠层热障涂层示意图。目前的研究结果表明：采用溶胶一凝胶法，陶瓷涂层与镍基合金的粘结性良好：在氧化钇稳定化处理的氧化锆层围7 微叠屡热障津屡示意围(Y s z)卜可以涂覆z r s n 层作为强化层以有助于缓解热循环中产生的麻力，同时可在z T s-o a层上涂覆Y s z。Y s z 薄膜在l 1 0 0 屯下保持稳定，该温度接近叶片使用温度，两种材料交替涂覆以形成微叠层复合材料。下一步的研究内容是改进制备方案尝试除溶胶一凝胶法以外的其他涂覆

14、方案，如浸涂、喷涂、旋涂、辊涂以及刷涂等采用激光检测技术探索将)：用于热障涂层并着手进入商业化种种迹象表明，在微米层次上，界面作用增加，薄层的性质已开始偏离体材料性质从而在热胀、变形、应力传递、以及压敏、压电、热敏等方面出现新性质。作为一项新兴技术它在航空领域蕴藏着巨大应用潜力，潜伏着大好的创新机遄，口塞三挑姒慨n6，万方数据未来航空发动机涡轮叶片用材的最新形式-微叠层复合材料未来航空发动机涡轮叶片用材的最新形式-微叠层复合材料作者：陈亚莉作者单位：中国航空信息中心刊名：航空工程与维修英文刊名：AVATION ENGINEERING&MAINTENANCE年，卷(期)：2001(5)被引用次数

15、：5次 引证文献(5条)引证文献(5条)1.夏春智.李亚江.U.A.Puchkov.王娟 Super-Ni叠层复合材料与18-8钢TIG焊接头区的显微组织期刊论文-中国有色金属学报 2010(6)2.徐健.曹雷.吕天波 某系列发动机一级涡轮叶片叶冠耐磨堆焊工艺研究期刊论文-海军航空工程学院学报2010(6)3.李亚江.夏春智.U.A.Puchkov.王娟 Super-Ni叠层材料与1Cr18Ni9Ti钢焊接性的研究期刊论文-中国科技论文在线 2009(4)4.刘江 金属复合材料生产技术的现状与发展趋势期刊论文-金属功能材料 2008(1)5.陈靖.佟建国.任学平 25Cr5MoA/Q235钢复合板的结合性能期刊论文-北京科技大学学报 2007(10)本文链接：http:/