CMC-SIC火焰筒典型件設(shè)計研究

1、    cmcsic火焰筒典型件設(shè)計研究    摘 要：本文分析了陶瓷基復(fù)合材料的材料特點，列舉了對cmc-sic連接件的力學(xué)研究試驗，分析了cmc-sic的力學(xué)性能。并結(jié)合火焰筒的結(jié)構(gòu)和使用條件，進(jìn)行火焰筒結(jié)構(gòu)典型件設(shè)計。并在此基礎(chǔ)上總結(jié)cmc-sic作為火焰筒材料結(jié)構(gòu)設(shè)計要點及后續(xù)研究方向。關(guān)鍵詞：火焰筒；復(fù)合材料；典型件引 言高推重比航空發(fā)動機(jī)是當(dāng)今發(fā)動機(jī)的發(fā)展趨勢，提高發(fā)動機(jī)的渦輪進(jìn)口溫度和降低結(jié)構(gòu)重量是提高推重比的主要途徑。目前很多高推重比的發(fā)動機(jī)渦輪前溫度已經(jīng)超過1950k，同時溫升也顯著提升，為保證燃燒性能，燃燒空氣比例顯著增加，導(dǎo)致燃燒室

2、壁面的冷卻空氣比例減少，預(yù)計僅約為燃燒室空氣流量的25%30%（含頭部冷卻空氣流量）。因此為滿足火焰筒的使用要求，對火焰筒的壽命研究顯得尤為重要。目前主要有兩種趨勢一是采用先進(jìn)壁面冷卻技術(shù)節(jié)約冷卻冷氣降低壁面溫度，另一種是使用新型的耐溫材料以適應(yīng)火焰筒壁面溫度的不斷升高。連續(xù)纖維增韌碳化硅陶瓷基復(fù)合材料（后文簡稱：cmc-sic）是目前主要研究的耐熱結(jié)構(gòu)材料之一，它具有耐溫能力高、密度低和比強(qiáng)度高的優(yōu)點，同時由于其類似金屬的斷裂行為使其在航空發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用成為可能。1 cmc-sic材料特點陶瓷特有的共價鍵離子鍵結(jié)構(gòu)使其具有耐高溫、低密度、高比強(qiáng)、高比模、高硬度、抗氧化、耐腐蝕、耐磨損等優(yōu)異特

3、性，但又具有脆性大和可靠性差的致命弱點。為了克服陶瓷材料脆性大和可靠性差的致命弱點，使陶瓷材料兼具優(yōu)良的強(qiáng)度和韌性，需要對其進(jìn)行強(qiáng)韌化處理。目前，已發(fā)展的多種強(qiáng)韌化途徑，歸納起來有“納米結(jié)晶增韌”、“原位自生增韌”、“仿生結(jié)構(gòu)增韌”和“增強(qiáng)體積增韌”四種。cmc是指在陶瓷基體中引入增強(qiáng)材料，形成以引入的增強(qiáng)材料為分散相，以陶瓷基體為連續(xù)相的復(fù)合材料。cmc-sic，具有較低的密度、極好的高溫穩(wěn)定性、較高的氧化穩(wěn)定性和較好的力學(xué)性能（不同材料的使用溫度和密度之間的對比見）。cmc-sic的密度僅為高溫合金的1/31/4，采用該材料可以有效減輕構(gòu)件重量，從而提高發(fā)動機(jī)的推重比。目前該材料的長期使用

4、溫度可比高溫合金提高150350，潛在使用溫度可達(dá)1600，是最有潛力的熱結(jié)構(gòu)材料之一。由于cmc-sic具有密度低、使用溫度高等優(yōu)點，其在航空發(fā)動機(jī)熱端部件上應(yīng)用的具有以下優(yōu)勢：a）減輕發(fā)動機(jī)重量。首先，cmc-sic密度僅為高溫合金的1/3左右，同樣的構(gòu)件可以減重較多；其次，cmc-sic材料耐溫更高，采用高溫合金時因冷卻需要的復(fù)雜結(jié)構(gòu)因此得到簡化，同時一些因冷卻而設(shè)置的附加機(jī)構(gòu)也可以省去或簡化，以減輕發(fā)動機(jī)重量。b）提高主燃燒室溫升。發(fā)動機(jī)推重比的提高很大程度上依靠燃燒室溫升的提高，而火焰筒及渦輪的使用溫度制約了燃燒室的溫升。cmc-sic材料的許用溫度與目前高溫合金最高的許用溫度高了至

5、少100，從而可以提高燃燒室的溫升潛力。c）提高發(fā)動機(jī)效率。由于cmc-sic具有很好的高溫抗蠕變性能和較低的膨脹率，因此cmc-sic構(gòu)件尺寸穩(wěn)定。當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)、靜子及外環(huán)板使用cmc-sic構(gòu)件時，可以有效減少狀態(tài)變化帶來的葉間間隙變化，提高發(fā)動機(jī)的效率。2 cmc-sic材料力學(xué)性能研究連續(xù)纖維增韌是增強(qiáng)體積增韌的一種，能夠最大限度抑制陶瓷缺陷的體積效應(yīng)。通過使用連續(xù)碳或sic纖維，使sic陶瓷在斷裂的過程中，發(fā)生裂紋偏轉(zhuǎn)、纖維斷裂和纖維拔出等的同時，吸收能量，從而發(fā)揮纖維的增韌和補(bǔ)強(qiáng)作用，使其具有類似金屬的斷裂行為，對裂紋不敏感，不發(fā)生災(zāi)難性損毀的特征。除此之外，cmc-sic還具有非均質(zhì)

6、性和各向異性的特點。由于cmc-sic微觀結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)單元多，尺寸跨度大，功能復(fù)雜等特點，因此通過不同工藝路線得到的構(gòu)件其力學(xué)性能有較大差別。為得到適合工業(yè)應(yīng)用的材料，有很多針對復(fù)合材料本身的斷裂研究及復(fù)合材料間銷釘（鉚釘）連接的斷裂研究。2.1 復(fù)合材料缺陷結(jié)構(gòu)拉剪切特性通常用常溫和高溫氧氣環(huán)境下含有最大可檢缺陷復(fù)合材料板材強(qiáng)度、含有結(jié)構(gòu)最常見開孔的復(fù)合材料板材強(qiáng)度來表征復(fù)合材料熱結(jié)構(gòu)的面內(nèi)拉伸和壓縮設(shè)計許用值。一般可用帶孔或缺口的復(fù)合材料板來模擬。對復(fù)合材料本身的斷裂研究主要有開孔和缺口兩種形式，研究表明開孔板拉伸和壓縮破壞試驗的結(jié)果表明，拉伸和壓縮的破壞形式基本相同，開孔對cmc-sic

7、平板的強(qiáng)度的影響是比較顯著的，在考慮孔或其他缺口或損傷對cmc-sic結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響時，還需要進(jìn)一步研究cmc-sic板的應(yīng)力集中問題。2.2 復(fù)合材料間銷釘（鉚釘）剪切特性復(fù)合材料間的銷釘（鉚釘）剪切強(qiáng)度可以采用類似層間剪切試驗，通過壓縮加載試驗來測定為試驗測試情況的照片，為壓縮剪切試驗和單搭接拉伸試驗的試件破壞照片，根據(jù)試驗結(jié)果兩種試件的破壞模式均為鉚釘被剪斷。從試件破壞斷面的形貌可以看到，斷面上除了有被剪斷的鉚釘之外，還有搭接板的部分表層。但是通過試驗數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)連接板的最小截面上的拉伸平均正應(yīng)力遠(yuǎn)低于單釘鉚接板的拉伸強(qiáng)度。因此可以認(rèn)為復(fù)合材料鉚釘連接件的強(qiáng)度是由鉚釘?shù)募羟袕?qiáng)度控制的

8、。當(dāng)連接螺栓為多個時，發(fā)現(xiàn)連接件破壞時螺栓的平均剪切強(qiáng)度等于單個螺栓的剪切強(qiáng)度。但是這時連接板的最小截面上的拉伸正應(yīng)力遠(yuǎn)低于復(fù)合材料的開孔拉伸強(qiáng)度。因此可以認(rèn)為該復(fù)合材料螺栓連接件的強(qiáng)度是由螺栓的剪切強(qiáng)度控制的。3. cmc-sic火焰筒典型件設(shè)計因為cmc-sic還具有陶瓷的另一個特點，熱膨脹系數(shù)小。一般高溫合金在1000k時的膨脹系數(shù)約為15（10-6/k），而cmc-sic的熱膨脹系數(shù)在1000k時的膨脹系數(shù)僅為高溫合金的1/3左右，約為5.8（10-6/k）。由于陶瓷基復(fù)合材料與所連接的高溫合金連接件之間的線膨脹系數(shù)差異很大，所以在進(jìn)行火焰筒結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需要考慮它們的熱不協(xié)調(diào)性及連接結(jié)

9、構(gòu)的氣密性。為保證復(fù)合材料與高溫合金連接結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，目前普遍的設(shè)計方法為在高溫合金一側(cè)加工膨脹槽及止裂孔，高溫合金與復(fù)合材料通過高溫合金螺栓進(jìn)行連接。需要通過試驗驗證熱應(yīng)力對此結(jié)構(gòu)的影響以及高溫合金螺栓在此結(jié)構(gòu)中對復(fù)合材料的影響。4.結(jié)論1.cmc-sic以其優(yōu)異的耐高溫性能、低密度和有類金屬特性是一種能應(yīng)用在航空發(fā)動機(jī)燃燒室的材料。2.復(fù)合材料間的連接方法宜采用鉚接法（同種材料的復(fù)合材料鉚釘）進(jìn)行連接。3.因發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，不同角度及不同厚度的復(fù)合材料間連接的拉剪特性仍需要繼續(xù)試驗。4.復(fù)合材料與金屬件的連接多采用螺栓連接，但需要通過試驗驗證其與金屬的熱不協(xié)調(diào)性。5.以上連接結(jié)構(gòu)的可靠性除試驗分析外，還需要在發(fā)動機(jī)真實環(huán)境下進(jìn)行長時間的試驗考核。參考文獻(xiàn)：1 鄒世欽. 連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料在航空發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用j. 航空發(fā)動機(jī)，2005年，31卷（第3期）：起止頁5558.2 張立同. 纖維增韌碳化硅陶瓷復(fù)合材料-模擬、表征與設(shè)計m.出版地：化學(xué)工業(yè)出版社，2009年9月.3張長瑞，郝元凱. 陶瓷基復(fù)合材料原理、