蛛網(wǎng)式骨架增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料渦輪葉盤(pán)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

為充分利用陶瓷基復(fù)合材料（CMC）耐高溫、低密度和可設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)一步挖掘其顯著提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)功重比/推重比的潛能，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)以渦輪轉(zhuǎn)子葉盤(pán)為研究對(duì)象，開(kāi)展了陶瓷基復(fù)合材料在熱端轉(zhuǎn)子件上的工程應(yīng)用探索。高功重比/推重比是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的永恒追求，其中減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量和提升渦輪前溫度是關(guān)鍵途徑。目前對(duì)高溫合金材料的性能挖掘已接近極限，難以再滿足未來(lái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)大幅減輕質(zhì)量、提升渦輪前溫度的需求，應(yīng)用輕質(zhì)耐高溫材料是航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的必然趨勢(shì)。與高溫合金材料相比，陶瓷基復(fù)合材料（CMC）的密度僅為前者的1/3，而長(zhǎng)時(shí)間使用的溫度可高達(dá)1350℃，被視為可應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的最具潛力的輕質(zhì)高溫材料，不僅可顯著降低零件自身質(zhì)量，同時(shí)由于其優(yōu)越的承溫能力，在提升渦輪前溫度的同時(shí)，還可簡(jiǎn)化甚至省去渦輪葉盤(pán)冷卻系統(tǒng)。當(dāng)前束縛陶瓷基復(fù)合材料渦輪葉盤(pán)工程應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸在于輪盤(pán)承載能力不足，難以達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速要求。受自然界蜘蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)整體協(xié)同承載、對(duì)損傷不敏感的特性啟發(fā)，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)提出了一種蛛網(wǎng)式纖維骨架結(jié)構(gòu)，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，可顯著提升陶瓷基復(fù)合材料渦輪葉盤(pán)承載能力。此外，該項(xiàng)目突破了陶瓷基復(fù)合材料渦輪葉盤(pán)與金屬軸熱匹配連接設(shè)計(jì)、復(fù)雜纖維預(yù)制體編織和高致密度基體制備等多個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，為陶瓷基復(fù)合材料在我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端轉(zhuǎn)子件上的工程應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。陶瓷基復(fù)合材料渦輪葉盤(pán)纖維骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)渦輪葉盤(pán)進(jìn)行有限元分析可知，渦輪葉盤(pán)存在兩個(gè)高應(yīng)力區(qū)，分別是輪心周向高應(yīng)力區(qū)和葉根徑向高應(yīng)力區(qū)，如圖1所示。為提升渦輪葉盤(pán)高應(yīng)力區(qū)承載能力須根據(jù)應(yīng)力分布特點(diǎn)設(shè)計(jì)纖維走向，保證輪心周向高應(yīng)力區(qū)和葉根徑向高應(yīng)力區(qū)分別具有沿周向和徑向的連續(xù)承載纖維。否則只能依靠復(fù)合材料中的基體承力，而后者的拉伸強(qiáng)度遠(yuǎn)低于連續(xù)纖維，根本無(wú)法承受因輪盤(pán)高速旋轉(zhuǎn)引起的拉伸主應(yīng)力。經(jīng)調(diào)研，傳統(tǒng)復(fù)合材料纖維骨架結(jié)構(gòu)中并沒(méi)有滿足這些要求的方案，需開(kāi)發(fā)新型骨架結(jié)構(gòu)解決這一難題。圖1

陶瓷基復(fù)合材料渦輪葉盤(pán)應(yīng)力分布有鑒于此，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)提出了一種形似蛛網(wǎng)的纖維骨架結(jié)構(gòu)，該骨架結(jié)構(gòu)由單束周向螺旋纖維與多束徑向輻射纖維交織而成，保證了輪心部位具有連續(xù)周向纖維，而輪緣處具有連續(xù)徑向纖維，可提高輪盤(pán)輪心和葉根兩處高應(yīng)力區(qū)沿主應(yīng)力方向的承載能力。此外，該骨架結(jié)構(gòu)由周、徑兩向纖維在平面內(nèi)交織而成，經(jīng)基體固化后可保證每個(gè)交點(diǎn)處傳力連續(xù)性，使得整個(gè)承力骨架結(jié)構(gòu)具有類(lèi)似蛛網(wǎng)的整體協(xié)同承載能力，可提升輪盤(pán)損傷容限能力。蛛網(wǎng)式纖維骨架結(jié)構(gòu)編織成形針對(duì)渦輪葉盤(pán)周向和徑向應(yīng)力高而軸向應(yīng)力較低的特點(diǎn)，在渦輪葉盤(pán)整體骨架結(jié)構(gòu)編織時(shí)，首先進(jìn)行單層蛛網(wǎng)式纖維布編織，然后將多層纖維布疊層縫合形成最終的立體織物。蛛網(wǎng)式纖維骨架結(jié)構(gòu)由螺旋狀的周向纖維和輻射狀的徑向纖維構(gòu)成。由于每條徑向纖維都需要經(jīng)過(guò)蛛網(wǎng)的中心點(diǎn)，導(dǎo)致靠近中心點(diǎn)位置的纖維體積分?jǐn)?shù)很高，難以實(shí)現(xiàn)與周向纖維交織成形；而蛛網(wǎng)外緣位置隨著周長(zhǎng)的增加，徑向纖維分布稀疏，越往外體積分?jǐn)?shù)越低。這種徑向纖維分布的嚴(yán)重不均勻性不利于周向纖維與其穩(wěn)定交織成形，影響了纖維骨架結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。為此，須針對(duì)蛛網(wǎng)式骨架結(jié)構(gòu)的可編織性進(jìn)行改進(jìn)?？紤]到輪心部位對(duì)徑向纖維體積分?jǐn)?shù)要求較低，可適當(dāng)增加徑向輻射纖維之間的間隔角度，保證周向螺旋纖維可在徑向輻射纖維間上下穿梭交織。而針對(duì)輪緣部位對(duì)徑向纖維高體積分?jǐn)?shù)的要求，可以隨著半徑的增加對(duì)徑向纖維加紗來(lái)保證其體積分?jǐn)?shù)滿足葉根徑向應(yīng)力的要求，最終得到具備可編織性的蛛網(wǎng)式纖維骨架結(jié)構(gòu)，如圖2所示。創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)根據(jù)編織方案，開(kāi)展了編織工裝的設(shè)計(jì)和加工，在此基礎(chǔ)上完成了蛛網(wǎng)式纖維骨架結(jié)構(gòu)的編織成形，完整的編織工藝流程如圖3所示。圖2

蛛網(wǎng)式纖維骨架結(jié)構(gòu)編織方案示意圖

圖3

蛛網(wǎng)式纖維骨架結(jié)構(gòu)編織工藝流程陶瓷基復(fù)合材料渦輪葉盤(pán)與金屬渦輪軸連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由于陶瓷基復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)（為2.8～5×10-6℃-1）遠(yuǎn)低于常規(guī)金屬材料，在熱載荷作用下金屬材料的膨脹變形量明顯大于陶瓷基復(fù)合材料，因此不能采用緊配合方式連接陶瓷基復(fù)合材料渦輪葉盤(pán)和金屬渦輪軸。為此，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)提出了一種如圖4所示的連接方案，通過(guò)在盤(pán)軸之間增加一個(gè)金屬傳扭器來(lái)實(shí)現(xiàn)盤(pán)軸間傳扭和定心。其中，傳扭器輪心內(nèi)表面與金屬軸采用過(guò)盈配合，實(shí)現(xiàn)整個(gè)轉(zhuǎn)子件的可靠定心；而陶瓷盤(pán)與金屬傳扭器之間則采用如圖5所示的徑向楔形滑移連接結(jié)構(gòu)，目的在于保證發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)下金屬傳扭器受熱膨脹后不會(huì)直接擠壓陶瓷基復(fù)合材料渦輪葉盤(pán)，而是沿著楔形面沿徑向向外自由滑移。這樣不僅保證了盤(pán)軸間周向傳扭功能的可靠性，同時(shí)也避免了盤(pán)軸熱失配造成連接部位應(yīng)力集中。圖4

陶瓷基復(fù)合材料渦輪盤(pán)與金屬軸連接方案圖5

徑向楔形滑移連接結(jié)構(gòu)示意圖獲得盤(pán)軸連接結(jié)構(gòu)基本構(gòu)型方案后，為了進(jìn)一步降低陶瓷基復(fù)合材料渦輪葉盤(pán)輪心應(yīng)力，本項(xiàng)目對(duì)連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終方案如圖6所示。與初始方案相比，優(yōu)化方案的最大輪心周向應(yīng)力下降了27%。圖6

優(yōu)化后盤(pán)軸連接結(jié)構(gòu)方案陶瓷基復(fù)合材料渦輪葉盤(pán)試驗(yàn)驗(yàn)證創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)基于“設(shè)計(jì)—工藝—試驗(yàn)”三者迭代改進(jìn)優(yōu)化的總體研制思路，針對(duì)不同設(shè)計(jì)和工藝方案開(kāi)展了陶瓷基復(fù)合材料渦輪葉盤(pán)靜強(qiáng)度試驗(yàn)。經(jīng)多輪優(yōu)化迭代后，陶瓷基復(fù)合材料渦輪葉盤(pán)在常溫下的破裂轉(zhuǎn)速?gòu)捻?xiàng)目初期的57100r/min提升至113000r/min，輪盤(pán)承載能力提升了98%。經(jīng)過(guò)靜強(qiáng)度試驗(yàn)驗(yàn)證后，為進(jìn)一步考核陶瓷基復(fù)合材料渦輪葉盤(pán)在發(fā)動(dòng)機(jī)真實(shí)服役環(huán)境下的性能表現(xiàn)，將其裝配到微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了整機(jī)試驗(yàn)。為降低試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)，整機(jī)試驗(yàn)首先以85000r/min為目標(biāo)轉(zhuǎn)速進(jìn)行試車(chē)，達(dá)到該目標(biāo)轉(zhuǎn)速后，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速每增加5000r/min即停機(jī)進(jìn)行檢查，利用激光測(cè)振儀對(duì)陶瓷基復(fù)合材料渦輪葉盤(pán)進(jìn)行固有頻率測(cè)量，如圖7所示，通過(guò)固有頻率變化對(duì)陶瓷盤(pán)內(nèi)部損傷情況進(jìn)行監(jiān)控。在整機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速達(dá)到105000r/min，已達(dá)到該型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)巡航狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速要求。但發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)?5000r/min增加到105000r/min過(guò)程中，陶瓷盤(pán)固有頻率下降了5%，表明陶瓷盤(pán)內(nèi)部已出現(xiàn)一定損傷，導(dǎo)致了陶瓷盤(pán)剛度的退化，而其退化機(jī)理及失效判據(jù)需開(kāi)展更深入研究，這也是陶瓷基復(fù)合材料渦輪葉盤(pán)工程化應(yīng)用必須解決的問(wèn)題。圖7

陶瓷基復(fù)合材料渦輪葉盤(pán)固有頻率測(cè)量結(jié)束語(yǔ)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)以發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉盤(pán)為研究對(duì)象開(kāi)展了陶