美国正寻求陶瓷基复合材料(CMC)的新发展,开发更耐高温和具有更高损伤容限的陶瓷基复合材料。目前,美国先进陶瓷协会正在开发一2700°F(1482°C)CMC的路线图。GE航空负责CMC研发的Krishan Luthra表示,随着CMC的推进,GE的愿景是将CMC在喷气发动机和工业燃气涡轮机热区的应用扩展到叶片、喷嘴和衬垫等部件。据称,GE航空已完成其垂直一体化CMC供应链中最后两个设施建设(纤维和预浸料),正开发下一代的CMC组件,如涡轮叶片。
事实上,GE公司用于替代GE90发动机的GE9×发动机(配装B-777,2019年进入服务),将含有五个不同类型的CMC零1午——燃烧室内、外衬、1级高压涡轮(HPT)罩环、1级喷嘴、2级喷嘴。与LAEp仅在1级高压涡轮(HPT)罩环上使用CMC相比,这是一个很大的进步。目前,GE公司正在全力加速生产,目标是在2020年,达到GE9×订单超过20000发动机(36000个罩环)/年。
下一代CMC在发动机热端部件应用仍需解决材料韧性不足难以满足疲劳性能需求;材料制备工艺复杂、成本高等问题。随着CMC的推进,应对措施之一是开发与GE所用的熔融渗透(MI)不一样的制备工艺,改善过多的硅挥发,导致基体中形成裂缝,造成材料脆性大、韧性不足的现象。另一个措施是,改进材料成分,改变含硅材料在高温下会与水蒸气反应,造成成分损失的现象。从而降低对多层环境障涂层(EBC)的依赖,达到将成本的目的。
LEAP-1C发动机采用法国斯奈克珥公司研制的碳纤维复合材料风扇叶片以及美国通用电气公司研制的陶瓷基复合材料涡轮部件。
日本IHI株式会社与宇部兴产株式会社,标盾公司等,将于2017年度试制陶瓷基复合材料(CMC)的飞机发动机用高压涡轮叶片。比镍基高温合金轻2成、且耐热性更好的CMC材料是飞机下一代的节能材料。自研究开发阶段向生产制造阶段的转移是以美国通用电气公司(GE)为首的海外大型民用航空发动机制造商的诉求,预计日本企业参与国际共同开发将扩大其在航空发动机领域的作用。
早在2016年,为了实现未来飞机用上更好的发动机的目标,NASA的研究人员正在研究有前景的涡轮发动机部件高温材料。这些金属,被称为陶瓷基复合材料或CMC,更轻、更强,且能够给承受喷气发动机核心部件的极端高温环境下的受力要求。陶瓷基复合材料将替代目前在航空发动机中应用的镍基高温合金。
而美国空军在1989年至2005年的“综合高性能涡轮发动技术”
(IHPTET)计划中,开发的CMC矢量喷管调节片、密封片、低压涡轮静子叶片等高温静子件在F136和F414等发动机演示验证平台上均成功验证。2009年2月,GE公司和罗罗公司联合研制的F136发动机在高空试验台上验证了CMC低压涡轮导向叶片优异性能,设计温度高达1200℃,冷却量需求降低50%;2010年11月,GE公司在F414改进型发动机上试验验证了CMC低压涡轮转子叶片技术。此外,在美国联邦航空局(FAA)的“持续降低能耗和排放”(CLEEN)计划下,波音公司开发了CMC声学排气喷管组件,并于2013年1月在罗罗公司遄达1000发动机上成功完成了73小时的试验。一系列验证平台的试验极大地促进了CMC技术的进步,推动了材料技术的成熟。
2013年10月,GE公司公布在全新研制的配装庞巴迪“环球”7000和“环球”8000公务机的Passport发动机的排气混合器、锥形中心体和核心机整流罩上采用CMC技术。Passport发动机是即将量产的首型采用CMC技术的民用涡扇发动机,于2015年年底适航取证,即将配装“环球”7000公务机实现商业服役。Passport发动机的CMC排气混合器取代了由4片绕核心机的面板和9片部件的混合器组成的石墨一环氧组件,能在无复杂冷却系统情况下承受排气区域的高温燃气,增强了耐久性,并实现减重20千克。