陶瓷基复合材料涡轮叶盘设计、制备与考核验证

图17  (a) 发动机试车台；(b) 安装在发动机内的SiC/SiC涡轮叶盘；(c) SiC/SiC原始涡轮叶盘；(d) EBCs-SiC/SiC涡轮叶盘；(e) N=994次n=60000 r/min试验后的轮盘表面状态；(f) 表面氧化形貌；((g)~(h)) 轮盘表面氧化产物形貌；(i) 叶片掉块；(j) CT切片；(k) CT切片

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调控发动机试验状态，按照给定的转速谱对装配有SiC/SiC涡轮叶盘的发动机进行试车试验。图18分别为SiC/SiC涡轮叶盘首次循环的转速、排气温度与耗油量曲线。从转速曲线中可以发现发动机的目标转速与实际转速吻合，从排气温度曲线观察到起动加速阶段温度最高达到了T=847℃，这是由于加速阶段供油量大，燃烧室处于富油状态，导致部分未燃烧完全的混合气进入尾喷管内继续燃烧。SiC/SiC涡轮叶盘累积完成了N=994次最高转速n=60000 r/min的循环载荷及N=100次最高转速n=70000 r/min的循环载荷。

 

 

图  18  (a) SiC/SiC涡轮叶盘转速曲线；(b) SiC/SiC涡轮叶盘排气温度和油耗曲线

 

图17(c)~17(e)给出了原始SiC/SiC涡轮叶盘、EBCs-SiC/SiC涡轮叶盘和试验测试后的涡轮叶盘形貌。经历了N=994次最高转速为n=60000 r/min转速循环后，轮盘外观呈现白色裸露物，有粉末状态。白色裸露物是SiC被水氧腐蚀后产生的Si(OH)4，腐蚀物呈玻璃态，高速旋转而被甩出去，呈现流体现象，叶片部位温度高，形成蒸汽。叶盘表面部分趋于呈现为离心方向的河流状(图17(f))。这是由于高速旋转造成的气动加热使轮盘表面氧化，氧化生成物质在离心力下呈现条纹发射状发布。图17(g)和图17(h)为轮盘表面氧化产物的SEM图像。氧化物质为为水氧腐蚀下形成的氧化硼，硼元素主要来源于SiC纤维表面的BN界面相，这说明纤维表面界面相在测试中发生了氧化。

 

在发动机台架试车过程中，叶片出现掉块现象(图17(i))，但并未导致SiC/SiC涡轮叶盘出现灾难性失效，这表明SiC/SiC涡轮叶盘具有优异的损伤容限能力。采用X射线三维CT技术对SiC/SiC涡轮叶盘进行无损检测，图17(j)和图17(k)为SiC/SiC涡轮叶盘的典型XCT扫描图像，图中与水平、竖直方向重合的4个叶片，表面喷涂了抗氧化涂层，涂层密度与CMC材料密度的差异使这4个叶片轮廓明显发亮。SiC/SiC涡轮叶盘采用SWS编织工艺，纤维束的编织方向主要沿叶盘的径向和周向，但与径向和周向并不完全重合，存在一定的夹角和离散；纤维束的整体编织结构较规律，但局部由于纤维束挤压变形，局部纤维束的编织方式不规则；纤维束交叉编织区域、不同纤维束铺层层间存在较多基体未填充区域，孔隙多。此外，由于涡轮叶盘采用先编织后加工的制造方式，叶片中存在较多的由于机加减材产生的不连续纤维束，尤其是径向纤维束的截断，影响叶片离心力、气动弯矩的载荷传递路线，对叶片的强度性能、刚度性能、失效破坏模式产生较大影响。

 

2.4   飞行考核

2022年1月1日，研究团队研发的SiC/SiC涡轮叶盘在株洲成功完成了首次飞行试验验证，这也是国内陶瓷基复合材料转子首次配装平台的空中飞行试验(图19)。此次飞行验证试验是在SiC/SiC涡轮转子结构设计、强度分析、制造工艺、涂层制备、飞发控制及整机试验等多专业方向共同努力取得的阶段性成果。本文攻克了SiC/SiC涡轮叶盘强度设计、工艺制备、涂层制备、地面试车、飞行控制等多项技术难点，完成了SiC/SiC涡轮叶盘的破裂转速试验、低循环疲劳试验及地面台架试验等，排除了试飞潜在的风险点，保证了首次试飞试验的顺利完成。飞行考核试验的顺利完成，充分验证了SiC/SiC涡轮转子在燃气涡轮发动机上应用的可行性，为后续陶瓷基复合材料热端部件的研制积累了宝贵经验。

 

图  19  SiC/SiC涡轮叶盘飞行考核试验

 

3.   结 论

综上所述，SiC/SiC涡轮叶盘研究可以得出以下结论：

 

(1) SiC/SiC涡轮叶盘最大破坏强度达到σuts=300 MPa；

 

(2) 在T=1350℃空气气氛中保温t=300 h，EBCs-SiC/SiC与原始状态SiC/SiC相比，强度保持率达到了91%，EBCs基本完整，与基体结合致密，对基体起到良好的保护作用；

 

(3) 在室温超转试验中，SiC/SiC涡轮叶盘转速达到n=104166 r/min时，叶片发生断裂；在转速达到n=108072 r/min时，轮体发生破裂。通过叶片频率下降趋势，预测频率下降5.5%时叶片断裂，频率下降5%时，涡轮叶盘静强度失效；

 

(4) 在发动机台架试车试验考核过程中，SiC/SiC涡轮叶盘累积完成了N=994次、最高转速n=60000 r/min的循环载荷及N=100次最高转速n=70000 r/min的循环载荷。经历了N=994次最高转速为n=60000 r/min转速循环后，轮盘外观呈现出白色裸露物Si(OH)4，腐蚀物呈玻璃态，高速旋转而被甩出去，呈现流体现象；

 

(5) 2022年1月1日，研发的SiC/SiC涡轮叶盘在株洲成功完成了首次飞行试验验证，这也是国内陶瓷基复合材料转子首次配装平台的空中飞行试验。充分验证了SiC/SiC涡轮转子在航空发动机上应用的可行性，为后续陶瓷基复合材料热端部件的研制积累了宝贵的经验。