图 1：管理发动机热区的热量。 Composites Horizons（美国加利福尼亚州柯汶纳）为通用电气航空公司（美国俄亥俄州辛辛那提）开发的 Passport 20 喷气发动机制造 OX-to-OX CMC 混合器（最右边）、中心体和整流罩部件。
图 2：聚焦高温复合材料。 自 1974 年成立以来，Composite Horizons 一直是高温材料的先驱，将其整个 3,252 平方米的建筑用于 CMC 组件制造。
图 3：双重挑战：热量和形状。 GE PASSPORT 20 发动机展示了其金属舷外管 （A） 和 Ox-Ox CMC 组件：核心整流罩 （B）、混合器 （C） 和中心体 （D）。
步骤1：金属模具经过特殊脱模后，按照指定的铺层方案在模具上手工铺设切割图案。 该图显示了混合器在多件模具中的位置。
第 2 步：将成品层压层真空袋装，并将零件转移到高压釜中在高温高压下固化。 图为真空管路安装过程中打开的高压灭菌器。
步骤3：固化后，取出真空袋和填缝剂，对零件进行脱模，并将其转移到烧结炉中。 高压釜固化的混合器部件（顶部两个架子）和核心整流罩部分（底部架子）显示为装载在炉子的活动地板上。 装载的地板滑入炉膛后，门（如左图所示）关闭，使炉膛达到高温。
第 4 步：将零件从烧结炉中取出并冷却后，在福克五轴数控铣床上进行加工。 此**显示了正在加工的中心主体。
第 5 步：质量控制检查包括使用 ROMER CMM 进行表面测量。 **显示搅拌机正在进行测量。
第 6 步：此时，零件将进行无损检测。 图为NDI中的混音器。 在这张照片**中，混合器显示为黑色，因为每个 CMC 部件在激光红外检测之前都经过临时非反射涂层处理，以提高热成像图像的质量。
第 7 步：经过固化、加工和检查后，金属和陶瓷零件被连接起来，成品零件在 CMC 专用大楼内的装配区包装，然后运往 GE。
多年来，飞机发动机制造商一直在研究特殊材料，以应对乘客、监管和成本压力，这些压力有可能降低商用客机的发动机噪音、排放和比燃料消耗（根据推力输出衡量发动机设计效率的指标，主要与质量或重量有关）。 为此，他们仔细研究了超耐热材料，这些材料在飞机发动机预期寿命和各种条件下产生的极端温度（1093°C）下显示出可靠性能的潜力。
在候选材料中，包括镍高温合金在内的陶瓷基复合材料（CMC-ceramic-matrix composites）似乎是赢家，其不同形式的复合材料已在GE公司、美国俄亥俄州辛辛那提市、劳斯莱斯公司（英国曼彻斯特）、普惠公司（Pratt&Whitney，Hartford，CT，美国）等主要飞机发动机制造商从事研发多年。
高温先锋
美国加利福尼亚州科维纳市，美国科维纳市高温材料先驱Coposites Horizons LLC（CHI）于2024年赢得了GE航空集团的竞争性合同，为GE的新型FAA认证PASSPORT 20发动机制造CMC混合器、中心体和发动机核心整流罩组件。该发动机将用于庞巴迪的远程公务机，Global 7000和Global 8000，以及其他OEM的类似型号。截至2024年底，CHI已根据通用电气的合同生产了300多个陶瓷部件。
CHI于2024年被伯克希尔哈撒韦公司旗下的Precision Castparts（美国俄勒冈州波特兰市）收购，自2024年在加利福尼亚州科维纳成立以来，一直专注于高温复合材料。 首先是可用的高温有机聚合物。 CHI总裁兼首席执行官Jeff Hynes表示：“我们是70年代末和80年代初聚酰亚胺复合材料的早期创新者之一，并与发动机和飞机制造商合作开发了所有关键的聚酰亚胺材料。 ”。但这些也有其局限性。 “我们致力于在有机世界之外的无机陶瓷中研究和追求更高温度的材料，这是我们的发动机客户对有机复合材料可以达到的更高温度区域的持续兴趣。 因此，我们的整个业务都专注于高温材料。 ”
凭借其高温经验，以及航空航天和工业市场对热区材料的高度珍贵性能的明确且不断增长的需求，CHI做出了全面投资CMC技术的战略决策。 然而，“你不能简单地把这些材料放在PMC-聚合物-基体复合材料切割机上，或者把它们放在PMC铺层室里，”Haynes解释说，“你会遇到污染问题。 ”
考虑到这一点，该公司于 2014 年建造了一座 3,252 平方米的建筑，专门用于 CMC 组件制造。 该设施包括一系列令人印象深刻的 CMC 资源，包括带有用于切割磨蚀性陶瓷材料的刀片的 CNC 工具（Gerber Technology，Tolland，CT，US）; 激光投影系统（Virtek Vision International， Inc. *** Waterloo， Ontario， Canada）; 5轴数控铣床（Boken Fooke GmbH，德国）; 高压灭菌器（ASC Process Systems，Valencia，CA，USA）; 一个 8 英尺 x 8 英尺 x 8 英尺（512 立方英尺摄氏度）的专用烧结炉; 以及数字激光无损检测红外灰热成像设备，由Thermal W**e Imaging Co.， Ltd.（TWI，FERNDALE，MI，US）设计，并根据与Chi by X-Ray Industries（XRI，Troy，MI）的合同运营。
此外，在波音公司（伊利诺伊州芝加哥）航天飞机项目工作了32年的比尔·罗伯茨（Bill Roberts）被任命为陶瓷业务副总裁。
与金属相比，CMC在发动机中的优势
如前所述，CMC的一个重要特点是它能够承受非常热的发动机和非常热的废气。 这是该应用的一个显着优势，因为喷气发动机在高温下运行时通常排放较少的二氧化碳 （CO2） 和氮氧化物（NOx-氮氧化物），从而推动航空业朝着一个通常难以捉摸但重要的目标迈进。
CMC 的另一个优点是，与耐高温性较差的 PMC 一样，它具有柔韧性，可以形成非常小的半径——例如，发动机搅拌机的小半径和复杂形状。 Hynes指出，这与为这种或类似复杂的零件形成柔韧性较差的金属时遇到的困难形成鲜明对比。
混合器用于中小型飞机发动机，以改善热核心发动机废气与冷却器旁路空气（由绕过核心发动机的发动机风扇驱动的空气）的混合。 CMC 混合器可以实现光滑、紧凑的形状，有助于更有效地混合旁路空气和废气。 这些气流混合得越有效，比油耗就越好。 这样可以提高发动机效率并降低发动机噪音。
“出于同样的原因，CMC也比焊接钛具有更好的抗声疲劳（振动）能力，”Haynes说。 “尤其是在搅拌机等设计中。 Hynes 解释说，弯曲或成型半径非常小的金属往往会经历疲劳失效，但 CMC 的容错性和耐用性要高得多。
Roberts补充说，CMC“允许您构建具有异国情调几何形状的多种形状，而不会有焊接接头疲劳的风险。 ”
此外，CMC有助于减轻发动机结构的重量。 “氧化物陶瓷的密度约为镍合金的三分之一，并且具有相似甚至更高的温度特性，”海因斯说。 ”。因此，使用CMC可以显着降低发动机结构的整体质量。 ”
GE零件和材料设计
GE航空集团在美国阿拉巴马州亨茨维尔设有一家独立的工厂，并通过与赛峰航空发动机公司（法国库尔库龙）的合资企业生产碳化硅（SiC）CMC材料，用于制造LEAP和其他发动机的涡轮护罩、喷嘴和其他“超热区”部件。 然而，为了控制成本，GE为Passport 20选择了不同的CMC。 CHI销售和营销副总裁Tim Shumate解释说：“SiC SiC是一种更昂贵的材料，Passport 20排气组件的温度要求并不意味着SiC SiC需要提供更高的温度能力。 ”。
对于混合器、中心体和芯整流罩的CMC部件，GE设计了一种CMC预浸料坯料，称为OX OX-CMC，使用氧化铝纤维和氧化铝基体，随后使预浸料坯料适用于Passport 20以及许多军事应用。 预浸料由 Axiom Materials， Inc. *** Santa Ana， CA， USA） 根据通用电气的规格制造。Axiom 使用 3M Advanced Materials（美国明尼苏达州圣保罗）制造的 3M Nextel 720 连续长丝陶瓷氧化纤维用于 GE 机织织物。 然后将织物与预浸渍的氧化铝基体编织在一起。
陶瓷基体是氧化铝和其他填料和材料的浆料。 当基体在高压釜中加热然后烧结时，纤维和基材熔合在一起。 该工艺与标准PMCS不同，在标准PMCS中，两种截然不同的有机材料（如碳纤维和环氧热固性树脂）被组合并热成型成新的分子结构。 Hynes解释说，OX-OX-CMC材料中的纤维和基质与粉末和各种其他混合物具有非常相似的化学结构。 当这些材料被烧结和硬化时，它们的化学成分保持不变。
海恩斯说，这些部件的设计载荷来自发动机核心气流和外部气流的空气载荷，主要是压力载荷，而不是拉伸或压缩载荷。 与碳纤维或玻璃纤维一样，氧化物纤维可以堆叠取向以实现准各向同性结构。
Ox Ox CMC零件的制造
对于 Passport 20 发动机，CHI 的 Ox Ox CMC 组件包括混合器、排气中心车身和发动机核心整流罩。 搅拌器和中心体都是发动机喷嘴的一部分。 为此，Axiom 多轴预浸料织物在 Gerber 自动平板数控切割机上切割成预先设计的图案。 Ox-Ox CMC预浸料使用具有挥发性灰色斑点的溶剂，因此在使用前必须冷藏。 因此，它们在室温下的累积超时时间有限，需要严格的控制程序。
精密切割的图案由手工放置在定制的金属模具上，并事先脱模。 堆叠由Gerber的子公司Virtek Vision International提供的激光投影系统辅助。 这些模具由GE或AIP Aerospace提供，AIP是CHI的前所有者（这些组件在美国加利福尼亚州圣安娜生产。 ）
混合器是最复杂的部件，直径为 965 毫米，长度为 610 毫米。 混合器在多段式金属工具中形成，该工具被组装起来进行层压，然后在高压釜固化后拆卸，以便将工具安全地从零件上取下。 层压后，该零件使用Airtech International Co.， Ltd.的尼龙袋进行真空袋包装，并在高温高压釜中固化（细节未披露），然后脱模。由于高压釜循环使陶瓷处于生坯状态，即压实但未完全固化，Haynes解释说，“在烧结炉中完全硬化之前，我们必须非常小心地对这个复杂的部件进行脱模。 ”
发动机排气中心体为锥形结构，直径约460mm（前端），高度为610mm。 它安装在搅拌机内部，并突出到搅拌机后缘的后部。 对于这部分，将切割图案手工放入母模中，并用由未公开材料制成的背板覆盖，以施加和平衡压力。 然后，在进入烧结循环之前，它也被真空袋、高压釜固化和脱模。
核心整流罩由四个部分组成，每个部分约152米，弯曲形成一个围绕发动机核心的气缸。 这些零件也被放置在单面模具中，上面覆盖着隔板和真空袋。 它们也经过高压釜固化、脱模并在烧结炉中完成。
在每种情况下，固化部件在脱模后被转移到烧结炉中。 定制设计的熔炉具有计算机控制的可移动地板，可保护工人免于进入熔炉。 一旦零件被装载，地板就会启动，自动滑到炉子下面，并被提升到位。 炉内设置装载地板后，关闭保温门，达到炉膛工作温度。 当炉温达到1093°C时，陶瓷基体熔化，残留的有机物燃烧殆尽。
一旦零件从烧结炉中取出并冷却，它们就会被转移到 Fooke GmbH（德国博肯）的 5 轴数控铣床上，在那里使用专门设计的切削工具对沉孔进行铣削、研磨和钻孔。
下一步是质量控制：首先测量外表面，并使用 Hexagon Metrology Co.， Ltd. *** Cobham， Surrey， UK 的 Romer CMM（三坐标测量机）确认表面尺寸和形状。 接下来，他们使用红外灰度热成像设备在现场进行无损检测（NDI）。 自动检测系统包括一个机器人和各种其他铰接式设备，使FLIR（FLIR）前视红外热像仪能够保持对复杂零件的直接视线，并100%扫描每个零件的表面，以检测孔隙率和分层。 在灰度成像中，热源（例如短暂的光脉冲）用于加热样品表面，而红外热像仪则记录表面温度的变化。 当样品冷却时，其表面温度会受到内部缺陷的影响，包括脱胶、孔隙率或阻碍热量流入样品的夹杂物。
最后，使用机械紧固件组装金属零件和陶瓷零件，然后将成品包装并运往GE进行最终组装。
Hynes 指出，发动机零件的紧固件技术是知识产权，由于发动机部件中材料的热膨胀系数（CTE-热膨胀系数）不同，因此通常受到 OEM 的严密保护。 虽然氧化物CMC在运行中耐高温，但其CTE与铝相似。 因此，附着在镍合金上的氧化物组分之间的热不匹配是一个重要的设计考虑因素。
市场和应用
2024年，随着GE合同的成功签订，CHI也开始开发自己的OX-OX CMC基体材料，命名为AXC-610和AXC-720。 海恩斯表示，CHI目前正在将这种材料用于另外两种应用：一种用于航空航天，另一种用于工业应用。
Hynes 进一步解释说：“为了寻找行业标准陶瓷织物形式的低成本替代品，CHI 开始与 nextel 纤维供应商 3M Advanced Materials 和预浸料制造商 Axiom Materials 合作，使用 AXC 氧化物基质测试几种氧化物织物。 ”
大多数 OX-OX-CMC 工作都是使用非常细（且昂贵）的 1500 旦纱线完成的，但 3M 可以提供更高旦数的纱线和 10000 旦尼尔，在保持相同的单个细丝直径的同时增加丝束中的细丝数量。这在纤维生产中创造了显著的成本优势，可以传递给第一个链条和零件制造商。 罗伯茨澄清说：“这是相同的纤维，但丝束更大，这降低了制造成本。 ”
但是，强烈建议在为特定应用选择成本最低的 CMC 织物时仔细考虑零件轮廓和叠层特性。 例如，预浸料坯料可实现紧密的轮廓，最多可达 3,000 旦尼尔，但不建议使用 4,500 旦尼尔纱线。 但更温和的几何形状是可能的，并且丹尼尔更高。
这些调查结果在两篇文章中报告**。 2015 年 6 月，3M、Axiom 和 CHI 在加拿大安大略省多伦多举行的美国陶瓷学会会议上发表了他们的第一份报告，题为“氧化物-氧化物陶瓷基复合材料——使工业广泛采用”。 2017 年 1 月在美国佛罗里达州美味海滩举行的美国精细陶瓷协会会议上发表的另一份报告讨论了“使用 Oxide CMC 进行设计：了解新织物设计中的物有所值关系”。 ”
Hynes说，该项目使用成本较低的织物形式，成功地展示了与更昂贵的行业标准陶瓷织物形式相当的机械性能，最高温度为1,177°C。 除了机织织物外，还可以制作牛牛 cmc 丝束、胶带或短切纤维。 这种成本更低、密度更高的牛氧CMC材料的市场包括高性能航空航天应用，以及工业、能源和可能的高端汽车应用。
新材料的使用产生了很多
陶瓷基复合材料为一些人认为是飞机发动机的颠覆性进步做出了巨大贡献，它是向集成先进材料和技术的集成推进系统过渡的游戏规则改变者，包括GE创新的碳纤维复合材料风扇外壳。 其结果是单位油耗降低了 8%，减少了振动和噪音，显著降低了排放，并实现了长期性能。
-完 --注：原文见《陶瓷基复合材料：热发动机解决方案2017》11.4.
杨超凡 20239.7