复合材料在新一代商用发动机上的应用与发展

GE公司率先在新一代商用发动机GE90上应用了复合材料并取得了成功,随后在GEnx发动机和LEAP-X发动机上应用了更多的复合材料,在NASAN+3先进发动机项目中复合材料的应用将达到一个新的水平。本文就复合材料在新一代商用发动机上的应用与发展作一概括性介绍,供业界相关人士参考。     

采用线膨胀系数可控ZrO2-TiO2陶瓷模具的钛合金高精度超塑成形

对线膨胀系数可控的ZrO2-TiO2陶瓷模具及钛合金高精度超塑成形进行了系统研究。探讨了TiO2体积分数和相对密度对ZrO2-TiO2陶瓷的线膨胀系数的影响规律,并引入相对密度修正模型——Turner模型来准确预测复合陶瓷材料的线膨胀系数。采用压痕法检测了与TC4钛合金等膨胀系数的ZrO2-TiO2陶瓷模具的超塑成形精度。在925℃下,利用ZrO2-TiO2陶瓷模具进行超塑成形,其使用性能良好。结果表明:ZrO2-TiO2陶瓷的线膨胀系数随TiO2体积分数的增加而减小,随相对密度的增加而增加。采用线膨胀系数优化的ZrO2-TiO2陶瓷模具,成形精度误差大幅降低,不超过0.1%,且陶瓷模具具有足够的热机械性能进行超塑成形,使用性能优良。     

高Cr铸造镍基高温合金K4648与陶瓷型芯的界面反应研究

采用金相显微镜、扫描电镜及能谱、电子探针和X射线衍射对高Cr铸造镍基高温合金K4648等轴晶和定向凝固铸件的合金/陶瓷型芯界面反应进行了系统研究,获得反应时间与反应量关系的界面反应动力学曲线、不同反应时间的反应界面形貌及产物的种类。结果表明:高Cr铸造镍基高温合金K4648与铝基型芯不易发生反应,而与硅基陶瓷型芯发生剧烈的界面反应,反应产生金属瘤状凸起物,造成铸件内腔破坏。此外,白色的硅基型芯内部变成黑色,黑色反应区内含有一定量的Cr,Al,Ti元素。在反应的中、后期型芯黑色反应区内还存在着灰色区,该区的Cr,Al,Ti含量远高于黑色反应区。高Cr铸造镍基高温合金K4648合金与硅基陶瓷型芯反应分为:(1)富Cr,Al,Ti熔体向型芯内的渗入阶段;(2)富Cr,Al,Ti熔体与陶瓷型芯SiO2基体的反应;(3)富Cr,Al,Ti的熔体与型芯中Zr-SiO4颗粒反应三个阶段。反应过程中型芯存在局部液化现象。K4648合金/硅基陶瓷型界面反应产物主要为层状或树枝状Al2O3,块状Cr3Si金属间化合物、ZrO2,富Cr,Zr,Al,Ti的复合氧化物、共晶形态的富Cr,Si,Al,Ti的复合氧化物、块状或树枝状的富Ti,Al,Zr,Cr复合氧化物。反应产物中的Cr,Al,Ti元素来自合金熔体而Zr,Si,O来自陶瓷型芯。     

应用LTCC工艺的基片集成波导开关矩阵

文章首次应用低温共烧陶瓷(Low-temperature Co-fired Ceramic,LTCC)工艺和基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide,SIW)技术,实现了星载高频段开关矩阵。首先详细讨论了不同层间SIW 通道的连接过渡方式,并分析了通道间隔离度特性。在此基础之上,应用单刀双掷开关芯片作为通道选择器件,多层SIW 通道作为射频信号传输、连接和交叉通道,实现了基于LTCC技术的高隔离度、低插损的K 频段4x4开关矩阵,在20~21GHz频带内实测的通道插入损耗小于8dB,通道间隔离度大于38dB。从而解决LTCC高频开关矩阵设计受限于传统带状线特性而导致得到的开关矩阵插入损耗大、隔离度低的技术瓶颈。     

一种LTCC技术宽带巴伦的设计

文章采用LTCC技术中一种新材料——生瓷带41110设计了一种宽带巴伦。仿真结果,带宽可达2．58GHz～7．85GHz,驻波小于1．1,幅度不平衡度小于1dB,相位不平衡度小于±5°。     

纳米Fe3 Si/ SiC 吸收剂的制备及电磁参数的调节

采用聚二甲基硅烷(PDMS)和二茂铁合成了聚铁碳硅烷(PFCS),PFCS高温烧成可制成磁性纳米Fe3Si/SiC复合陶瓷吸收剂。研究了铁含量、烧成温度和保温时间等因素对吸收剂电磁参数的影响。结果表明:随着铁含量增加、烧成温度提高和保温时间延长,吸收剂的复介电常数的ε'、ε″和εr明显增大。     

再生型壳与ZTC4熔体的界面稳定性

从研究再生型壳中几种典型金属离子对铸件表面的污染影响规律入手,通过在型壳材料中添加Al、Nb和Mn等金属元素实际浇铸ZTC4合金（Ti-6Al-4V）,探讨不同残留金属在铸造过程中对铸件表面质量、陶瓷/钛合金界面成分、组织形貌及显微硬度等的影响,揭示废弃型壳材料中铸造残留金属对钛合金新铸坯陶瓷/合金界面稳定性的影响规律。结果表明:含Al、Nb和Mn等金属残留的型壳浇铸ZTC4合金,铸件表面外观平整无明显铸造缺陷;相比无金属残留型壳,含残留金属型壳的铸件表面粗糙度明显增加;Al金属残留对型壳与熔融钛合金界面稳定性的影响较小,而Nb和Mn金属残留能明显降低型壳与熔融钛合金的界面稳定性,铸件表面粗糙度可以在一定程度上反映界面稳定性;当型壳中含有Al金属残留时,陶瓷/合金界面处析出Ti₅Si₃相。      

Z-pins增强陶瓷基复合材料层间Ⅰ型开裂性能预测

基于Z-pins增强陶瓷基复合材料层间Ⅰ型断裂韧性的试验结果、Z-pins增强机理，提出了Z-pins拔出的单线性软化模型.重点考虑了Z-pins直径范围内拔出位移的不一致性，在简单双悬臂梁（DCB）理论的基础上，获得了Z-pins增强陶瓷基复合材料层间Ⅰ型开裂性能的分析预测模型，预测结果与试验结果吻合较好.在此基础上，采用预测模型获得了不同Z-pins直径、裂纹长度下的裂尖能量释放率，并与理想弹簧元法进行了比较.结果表明:当裂尖靠近Z-pins时，随着Z-pins直径增大，两种方法所得的裂尖能释放率的差异逐渐增大，但总体来说差异的量级很小；随着裂纹长度的增加，裂尖逐渐远离Z-pins，两种方法所得的裂尖能释放率的存在较大的差异，不能忽略Z-pins直径范围内拔出位移不一的影响.      

双组元液体火箭发动机推力室材料研究进展

针对双组元液体火箭发动机,综述了难熔金属材料、贵金属材料、高性能复合材料三大推力室材料体系的研究进展,介绍了三大体系材料主要的制备技术和应用,讨论了使用局限性,并对推力室材料的发展趋势进行了展望。     

陶瓷基复合材料疲劳寿命预测方法

为了建立CMC疲劳寿命预测方法,推广CMC在航空发动机中的应用,根据BHE剪滞模型理论,分析了随着疲劳峰值应力的大小不同,CMC可能出现的4种疲劳迟滞行为,推导了每种迟滞行为下的循环应力-应变公式,模拟了给定应力条件下的疲劳迟滞回线,通过与试验数据对比,证明了迟滞回线模拟的准确性,进一步分析了界面剪应力随疲劳循环数的退化关系。结合界面剪应力退化模型与纤维强度退化模型,设计了纤维应力计算和疲劳寿命计算流程。针对2维编织CMC,根据单胞有限元计算结果提取了纤维束应力,并对CMC进行了疲劳寿命计算,推导了CMC疲劳寿命S-N曲线,其结果与试验数据基本吻合。针对2维编织CMC的疲劳寿命预测方法,可用于编织结构的CMC涡轮导叶疲劳寿命分析。