本文介紹了適應(yīng)未來先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)需求的陶瓷基復(fù)合材料在國外航空發(fā)動機(jī)熱端部件上的應(yīng)用現(xiàn)狀，并展望了陶瓷基復(fù)合材料在國內(nèi)航空發(fā)動機(jī)熱端部件上的應(yīng)用前景。
       作為飛機(jī)的心臟，發(fā)動機(jī)的性能會直接影響飛機(jī)性能的各項指標(biāo)，而最能體現(xiàn)發(fā)動機(jī)性能的參數(shù)之一就是推重比。現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)追求的目標(biāo)就是不斷提高推重比，推重比的不斷增加，必然導(dǎo)致現(xiàn)代高性能燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的渦輪前溫度進(jìn)一步升高。現(xiàn)有推重比10一級的發(fā)動機(jī)渦輪進(jìn)口溫度達(dá)到了1 800~2 000K，而推重比15~20一級發(fā)動機(jī)渦輪進(jìn)口溫度將達(dá)到2 100~2 400K，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了發(fā)動機(jī)中高溫合金材料的熔點溫度。目前工藝成熟的發(fā)動機(jī)熱端部件材料，只能滿足推重比10一級發(fā)動機(jī)的設(shè)計要求，要發(fā)展更高推力的先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)，必須開展新型耐高溫材料設(shè)計技術(shù)的研究。同時，還要解決航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)輕、持久性強(qiáng)、可靠性高等一系列問題，這就需要使用新型材料和工藝技術(shù)，特別在航空發(fā)動機(jī)熱端部件上。目前，耐高溫性能較好的陶瓷基復(fù)合材料技術(shù)已成為航空發(fā)動機(jī)制造的一個發(fā)展趨勢。如何運用陶瓷基復(fù)合材料（CMC）提高航空發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)效率并降低成本，是航空發(fā)動機(jī)制造面臨的主要技術(shù)難題之一。 陶瓷基復(fù)合材料在航空發(fā)動機(jī)熱端部件中的應(yīng)用多見于國外報道。有資料顯示，在航空發(fā)動機(jī)熱端部件中引入陶瓷基復(fù)合材料后，可以使熱端部件在高溫環(huán)境中工作，并降低發(fā)動機(jī)冷卻氣體流量15%~25%，可有效 提高發(fā)動機(jī)效率。在國內(nèi)陶瓷基復(fù)合材料的研究雖然取得了一定成效，但在航空發(fā)動機(jī)熱端部件中的應(yīng)用研究才剛剛起步，尚未進(jìn)入工程應(yīng)用階段。 

       1 陶瓷基復(fù)合材料簡介
       陶瓷基復(fù)合材料是在陶瓷基體中引入第二相材料，構(gòu)成多相復(fù)合材料。陶瓷具有耐高溫、抗氧化、耐磨耗、耐腐蝕等優(yōu)點，但韌性差，難加工。陶瓷基復(fù)合材料是一種超高溫復(fù)合材料，工作溫度高達(dá)1 650℃，在非冷卻條件下，能夠在高于1 200℃環(huán)境工作并具有高的強(qiáng)度保持率。陶瓷基復(fù)合材料具有重量輕、模量高、抗拉強(qiáng)度高、吸振性好、耐溫性好、成本低及不易疲勞破壞等特點，密度僅為鎳基合金的1/4~1/3，而且隨著溫度的升高，強(qiáng)度不會降低，甚至比室溫時還高。 在陶瓷中加入纖維，能大幅度提高強(qiáng)度、改善脆性，并提高使用溫度。連續(xù)纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料具有類似金屬的斷裂行為，對裂紋不敏感，克服了一般陶瓷材料脆性大、可靠性差等致命弱點。目前應(yīng)用最為廣泛的陶瓷基復(fù)合材料主要有碳纖維增韌碳化硅（Cf/SiC）和碳化硅纖維增韌碳化硅（SiCf/SiC）2種，Cf/SiC的使用溫度為1 650℃[1-2]，SiCf/SiC為1 450℃，這2種材料具有高溫強(qiáng)度大、重量輕、耐腐蝕和耐磨損性好等優(yōu)異性能，且其高溫能力將改善發(fā)動機(jī)性能、推重比和耗油率，可用于長壽命航空發(fā)動機(jī)的制造。 陶瓷基復(fù)合材料增強(qiáng)渦輪盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計利用了陶瓷基復(fù)合材料密度小的特點，可以起到對渦輪盤減重作用。SiC型密度為2.0~2.5g/cm3，僅是高溫合金和鈮合金的1/4~1/3、鎢合金的1/10~1/9。 陶瓷基復(fù)合材料在發(fā)動機(jī)熱端部件上應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)有：具有高溫穩(wěn)定性的先進(jìn)碳化硅纖維、新的纖維涂層、生產(chǎn)高密度復(fù)合材料的制造工藝和防止性能退化的環(huán)境涂層。 

       2 工藝特點
       陶瓷材料具有硬度高、耐高溫、耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)異性能，但它的脆性和很強(qiáng)的缺陷敏感性，限制了它在熱結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域的應(yīng)用，因此陶瓷材料的研究重點是如何克服脆性。改善陶瓷材料脆性的方法有多種，包括連續(xù)纖維增韌、相變增韌、微裂紋增韌以及晶須晶片增韌等。其中連續(xù)纖維增韌效果顯著，得到了大力的發(fā)展。連續(xù)纖維增韌碳化硅基復(fù)合材料是目前研究最多的陶瓷基復(fù)合材料。航空發(fā)動機(jī)熱端部件中使用的陶瓷基復(fù)合材料一般是碳化硅纖維增強(qiáng)的碳化硅基材料。與常規(guī)鎳基合金相比，其密度只有后者的1/4~1/3，可承受溫度高出110~220℃。 制備工藝包括化學(xué)氣相滲透法（CVI）、先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法（PIP）、反應(yīng)性熔體燒結(jié)法（RMI）、反應(yīng)燒結(jié)法（RB）以及溶膠-凝膠法（Sol-gel）等。研究表明，材料的最終性能很大程度上取決于制備工藝水平。在長期的研究探索過程中，逐漸趨向于以CVI和PIP工藝為代表的現(xiàn)代制備方法。

       3 陶瓷基復(fù)合材料應(yīng)用情況
       3.1 在燃燒室部件上的應(yīng)用 陶瓷基復(fù)合材料在發(fā)動機(jī)燃燒室火焰筒上的應(yīng)用研究起步較早。早在90年代，GE公司和 P&W公司的EPM（Enabling Propulsion Materials）項目就已使用SiCf SiC陶瓷基復(fù)合材料制備燃燒室襯套（見圖1），該襯套在1 200℃環(huán)境下工作可以超過10 000h。美國綜合高性能渦輪發(fā)動機(jī)技術(shù)計劃用碳化硅基復(fù)合材料制備的火焰筒（見圖2），已在具有JTAGG（先進(jìn)渦輪發(fā)動機(jī)燃?xì)獍l(fā)生器計劃）第I階段溫度水平的XTE65/2驗證機(jī)中被驗證：在目標(biāo)油氣比下，燃燒室溫度分布系數(shù)低，具有更高的性能，可耐溫2 700℉（1 480℃）。
       3.2 在渦輪部件上的應(yīng)用 作為發(fā)動機(jī)重要零件之一，渦輪葉片工作在燃燒 室出口，是發(fā)動機(jī)中承受熱沖擊最嚴(yán)重的零件，其耐溫能力直接決定著高性能發(fā)動機(jī)推重比的提升。陶瓷基復(fù)合材料密度低、耐高溫，對減輕渦輪葉片重量和降低渦輪葉片冷氣量意義重大。目前，國外多家研究機(jī)構(gòu)已成功運用陶瓷基復(fù)合材料制備出耐高溫的渦輪葉片。
       圖3展示的是JTDE（聯(lián)合技術(shù)驗證機(jī)發(fā)動機(jī)）第三階段用碳化硅纖維預(yù)成型的陶瓷基復(fù)合材料的渦輪葉片葉身。NASA Glenn研究中心研制的SiCf/SiC渦輪葉片（見圖4）可使冷卻空氣流量減少15%~25%，并通過在燃燒室出口氣流速度60m/s、6個大氣壓（約6×105Pa）和1 200℃工作環(huán)境中的試驗考核[4]。圖5展示的是陶瓷基復(fù)合材料渦輪葉片和高溫合金葉片在110個熱循環(huán)對比試驗后的照片，照片中左側(cè)為陶瓷基復(fù)合材料渦輪葉片，右側(cè)為高溫合金葉片。從圖中可以看出，經(jīng)110次熱循環(huán)后，高溫合金葉片葉身前緣和后緣已被嚴(yán)重?zé)g，
而陶瓷基復(fù)合材料葉片基本完整。由此可以看        陶瓷基復(fù)合材料制備的渦輪葉片比高溫合金制備的渦輪葉片耐熱腐蝕能力強(qiáng)。
       3.3 在尾噴管部件上的應(yīng)用 
       20世紀(jì)80年代，法國Snecma公司采用商業(yè)牌號為“Sepcarbinox”的nD-Cf/SiC(n=2,3)復(fù)合材料進(jìn)行外調(diào)節(jié)片的研制，先后在M53-2和M88-2發(fā)動機(jī)上進(jìn)行試驗。經(jīng)過10余年的努力，于1996年進(jìn)入批量生產(chǎn)，這是陶瓷基復(fù)合材料在此領(lǐng)域首次得到的實際應(yīng)用。        合材料構(gòu)件的性能一致性和質(zhì)量穩(wěn)定性，有時甚至難以實現(xiàn)復(fù)合材料構(gòu)件的制造，這將直接影響復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的大量應(yīng)用。
       隨著我國大飛機(jī)工程的立項啟動，考慮到經(jīng)濟(jì)性及與國外飛機(jī)的競爭力，大量應(yīng)用復(fù)合材料已經(jīng)成為大型飛機(jī)設(shè)計制造的發(fā)展趨勢，大型復(fù)合材料構(gòu)件自動化制造技術(shù)——復(fù)合材料自動鋪放技術(shù)應(yīng)作為關(guān)鍵技術(shù)予以高度重視。目前，國內(nèi)自動鋪帶技術(shù)研究應(yīng)用條件逐漸成熟，但對纖維絲束鋪放技術(shù)的研究還處于探索階段，應(yīng)加快研究步伐。我國有關(guān)部門應(yīng)制定長期發(fā)展規(guī)劃，有計劃、有組織地系統(tǒng)開展復(fù)合材料自動鋪放技術(shù)研究，形成豐厚的技術(shù)儲備，為我國大飛機(jī)等新型飛機(jī)的研制奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

       4 發(fā)展現(xiàn)狀
       國際普遍認(rèn)為，碳化硅陶瓷基復(fù)合材料（CMC-SiC）是發(fā)動機(jī)高溫結(jié)構(gòu)材料的技術(shù)至高點之一，可反映一個國家先進(jìn)航空航天器和先進(jìn)武器裝備的設(shè)計和制造能力。由于技術(shù)難度高、耗資大，目前只有法國、美國等少數(shù)國家掌握了連續(xù)纖維增韌碳化硅陶瓷基復(fù)合材料的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)。各國航空發(fā)動機(jī)制造公司對該項技術(shù)嚴(yán)加保密，使得引進(jìn)難度很大。 對連續(xù)纖維增韌碳化硅基復(fù)合材料在航空發(fā)動機(jī) 上的應(yīng)用，美國、俄羅斯、日本以及歐洲各國均投入了大量的人力和物力，目前法國在該領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。航空發(fā)動機(jī)正在向高溫長壽命陶瓷基復(fù)合材料發(fā)展，并已在多種軍用和民用型號發(fā)動機(jī)的中等載荷靜止件上演示成功，主要試驗應(yīng)用的部件有燃燒室、渦輪外環(huán)、火焰穩(wěn)定器、矢量噴管的調(diào)節(jié)片、密封環(huán)等，推重比9~10級發(fā)動機(jī)是陶瓷基復(fù)合材料的演示驗證平臺。 一種新型材料和新結(jié)構(gòu)，在運用到航空發(fā)動機(jī)制造之前，需要做大量工藝、材料試驗，這樣才能保證航空發(fā)動機(jī)的安全性和可靠性。豐富的工程實踐經(jīng)驗非常重要。美國、俄羅斯等國家在將陶瓷基復(fù)合材料運用到航空發(fā)動機(jī)上過程中積累了豐富的經(jīng)驗，具有很高的知識 水平，形成了較為完備的工業(yè)技術(shù)體系。相比較，中國航空工業(yè)在這方面目前缺乏工程驗證和技術(shù)集成的經(jīng)驗積累

       5 展望
       陶瓷基復(fù)合材料耐熱溫度很高，適應(yīng)于航空發(fā)動機(jī)熱端部件的高溫環(huán)境要求，但國內(nèi)陶瓷基復(fù)合材料的制備和成型工藝尚不夠成熟，要在航空發(fā)動機(jī)熱端部件中實際應(yīng)用還有一定的難度。國內(nèi)要在高推重比發(fā)動機(jī)熱端部件上使用陶瓷基復(fù)合材料，必須加大陶瓷基復(fù)合材料在發(fā)動機(jī)熱端部件應(yīng)用的研究力度和進(jìn)度，以使發(fā)動機(jī)熱端部件能承受更高的工作溫度、降低冷氣消耗量、提高發(fā)動機(jī)效率、增強(qiáng)可靠性并延長發(fā)動機(jī)的壽命。