GE航空：陶瓷基复合材料是公司喷气动力系统的战略发展核心

2001年,美国防务分析研究所(IDA)曾针对航空用陶瓷基复合材料(CMCs)的工业化应用前景发表过一篇评估报告。结论概括起来只有短短八个字:挑战巨大,前景不明。

 时至今日,来自GE航空和GE全球研发中心的CMC专家却可以对这篇报告付之一笑了。短短二十年间,GE投入了数百名技术专家和超过15亿美元资金对CMC技术进行集中攻关。今天,CMC技术已经成为GE所掌握的最新锐、最领先的技术之一,为公司本身业务发展和世界航空工业的发展带来巨大的变革。

 GE所生产的发动机涡轮罩已经装配在赛峰国际(GE和赛峰航空发动机公司各持50%股份的合资公司)旗下畅销款LEAP涡轮发动机上,为数百架单通道商务客机提供飞行保障。

  CMC部件的问世推动了GE产品在军事领域的推广。GE曾为军方制造过一台发动机样品,创造了喷气式发动机耐受温度新的世界纪录。GE旗下的CMC制旋转部件也成功通过了测试。

 2018年,GE航空在美国阿拉巴马州Huntsville市兴建的CMC基地盛大开幕。算上之前建成的3处CMC基地,GE公司在十年间构筑起美国首个一体化的CMC产品供应链,成为CMC技术发展史上重要的里程碑。与此同时,GE位于北卡罗来纳州Asheville市的CMC部件组装新厂已累计生产出超过4万件CMC发动机涡轮罩,并承担了GE9X大推力发动机五种CMC耐高温部件的生产任务。

 陶瓷基复合材料(CMCs)是利用碳化硅、陶瓷纤维和陶瓷树脂等原材料,通过复杂的生产工艺,再经涂装环节生产而成。其密度和重量只有合金的三分之一,但耐高温性能却远超后者,因此无需将更多空气导入高温部件内部,并对其进行冷却。更多的空气将留在气流通道内。因此,发动机在大推力条件下的运转效率更高,具有更高的能效、更低的排放和更好的耐用性。

 在喷气式发动机的发展史上,涡轮发动机材料的最高耐受温度每隔十年可以提升五十华氏度左右。CMC材料的问世足足将这个数字提升了2倍,达到一百五十华氏度。随着CMC材料在GE发动机中愈来愈普及的应用,发动机的推进力有望提升25%,燃油效率有望提升10%。

 尽管使用CMC材料带来的好处如此显著,但真想要实现其工业化应用却并非易事,成为困扰业内数十年的难题。除了成型工艺的局限之外,CMC材料的脆性也成为其短板。美国政府自上世纪七十年代起开始资助CMC材料的研发工作,GE科学家也正是自彼时起与CMC材料展开较量。上世纪八十年代,GE将CMC成功应用于大型地面燃气涡轮发动机,并于1986年申请了公司首个CMC专利。二十五年间,GE已成功地将CMC发动机涡轮罩应用于不同种类的工业用燃气涡轮机。

  本世纪初,GE全球研发中心将研发方向从燃气涡轮发动机转向喷气涡轮发动机。彼时担任能源与推进技术负责人,后来转任GE航空CMC项目负责人的Sanjay Correa回忆说:“在CMC技术研发进行的过程中,我们愈发地开始关注喷气式涡轮发动机。因为CMC具备减重的特性,使其在飞行领域拥有了更大的发展潜力。”

  与此同时,GE航空开始有意对外展示CMC材料在发动机领域的应用成果,并着手构建供应体系。截至2018年,GE已在俄亥俄州Evendale市、特拉华州Newark市、北卡罗来纳州Asheville市和阿拉巴马州Huntsville市建成四处CMC生产基地/研发中心。日本Carbon株式会社作为CMC的原材料供应商,与GE公司、赛峰集团成立了合资公司,在Huntsville基地的筹建过程中扮演了重要的角色。

  作为最新的一处CMC生产基地,Huntsville基地占地约100英亩,包括两座工厂。其中一座负责生产耐受温度高达2400华氏度的碳化硅陶瓷纤维,是美国境内首条高产量碳化硅陶瓷纤维生产线;另一座毗邻的工厂负责将碳化硅陶瓷纤维加工成单向CMC预浸料,用于后续CMC部件的生产。

   Huntsville基地自2018年起开始对外供货。同时,GE和赛峰发动机对CMC材料的需求在十年间增长了二十倍,并且增势不减。2018年,Huntsville基地的CMC材料产量大约为6吨,这个数字将在2028年增长10倍。

   随着供应链的不断稳固,GE航空也在持续提升CMC产品的生产效率,以期摊薄生产成本。GE在CMC生产、铸造和涂层方面的技术进步将极大推动后者在新一代发动机领域的应用,进而为GE和赛峰旗下民用/军用喷气式发动机生产更多部件产品。

    GE旗下Evendale基地实验室CMC负责人Jonathan Blank表示说,数字分析技术的进步不仅推动着喷气式发动机推进效率的提升,同时也深刻影响着CMC生产工艺的进步。

  “我们将落实制度化的学习模式,研发更加完备的材料/工艺模型,将数字工具更深入地应用到工艺研发的过程中,使其成为技术研发不可分割的一部分。”

    CMC材料的发展历程与整个航空工业的发展历程保持高度同步。最初,当怀特兄弟制造人类第一架飞机时,采用的是木材、钢铁和帆布作为航空材料。随着飞机不断更新换代,航空材料也经历了铝合金、钛合金以及其他高温合金的发展阶段。

    喷气式飞机生产过程中所需的很多先进合金材料都是由GE公司率先研发出来的,包括喷气式发动机核心部件采用的单晶合金。

    GE公司工程事业副总裁Gary Mercer表示说:“基础化学和新材料加工工艺是人类提升飞机热效率、降低油耗和排放的基础保障。”

    上世纪九十年代,GE首次将碳纤维复合材料制成发动机扇叶应用在GE90涡轮发动机上,各航空企业也积极寻求大尺寸复合材料结构件,以降低飞机自重、提升其耐用性。

    以CMC材料为武器,GE公司可以将其应用领域从航空发动机拓展到更加广阔的航天市场,在后者更加严酷的宇宙环境中发挥作用。借此,GE航空将成为人类二十一世纪航天事业中不可或缺的重要CMC供应商。

    对此,Mercer评价说:“我们现在所经历的,只是CMC材料应用的初级阶段。在未来航空航天事业的发展过程中,轻量化和耐高温将成为人类持续关注的热点问题。随着超音速、极超音速和可回收航天器的陆续问世,CMC将在动力系统和航空结构件等领域中扮演愈发重要的角色。”

      碳化硅纤维英文名为silicon carbide fibre ,是以有机硅化合物为原料经纺丝、碳化或气相沉积而制得具有β-碳化硅结构的无机纤维,属陶瓷纤维类。碳化硅纤维的最高使用温度达1200℃,其耐热性和耐氧化性均优于碳纤维,强度达 1960～4410MPa,在最高使用温度下强度保持率在 80%以上,模量为176.4～294GPa,化学稳定性也好。连续丝于1973年由美国阿芙科公司投产,长丝则于1980年由日本碳公司建成试生产装置,1985年生产能力已达24t,美国埃克森化学公司和日本东海碳素公司等则生产晶须,东海碳素公司的年生产能力为24t。

     碳化硅长丝的制造过程是将聚硅烷在400℃以上,发生热转位反应,使侧链上的甲基以亚甲基的形式,导入主链的硅-硅间,形成聚碳硅烷,然后通过干法纺丝或熔体纺丝制成纤维。为防止纤维在碳化过程中发生熔融粘接,须先在较低温度下作不熔化处理。不熔化纤维在真空或惰性气体中加热至1200～1500℃,侧链的甲基与氢同时脱出后只留下硅-碳的骨架成分,并形成β-碳化硅结构的纤维。最后进行上浆处理及集束卷绕。上浆剂的种类视最终用途而定,用于增强塑料时上浆剂可选用环氧树脂,增强金属及陶瓷时则要求进一步在较低温度下将上浆剂热分解掉。由—碳化硅细晶粒组成的连续纤维,可用气相沉积或纺丝烧结法制造。