【行业动态】陶瓷基复合材料技术是GE公司航空发动机的核心推进策略

导读：GE航空集团庆祝成立100周年，并解释陶瓷基质复合技术如何成为21世纪喷气推进技术战略的核心。

2001年，国防分析研究所的科学家评估了航空用陶瓷基复合材料（CMC）工业化所面临的巨大挑战。他们明确地总结道：“未来可能会有更多的大型航空发动机，但不会使用陶瓷基复合材料。”

今天，GE航空公司的CMC技术领导者以及公司的全球研究中心都会拿着这份报告致以微笑。经过数百名GE技术人员20年的共同努力，包括超过15亿美元的投资，已经在这一领域取得了巨大的成功。CMC代表了GE航空公司在其悠久历史中最积极的技术努力之一，收益是变革性的。

由CMC制造的高压涡轮罩和燃烧器衬套现在在最畅销的LEAP发动机的最热部位运行，该发动机由CFM国际公司（GE和法国赛峰飞机发动机各占50%的合资公司）生产，为数百架单通道商用窄体客机提供动力。

CMC组件还有利于GE的军用航空发动机设计，包括实现有史以来涡轮前温度最高的军用自适应变循环发动机验证机XA-100，其涡轮进口温度高达2400K，比目前全世界最先进的F135军用发动机（F-35战机动力）足足提高了150℃。此外，GE还成功测试了CMC旋转部件。

随着2018年GE航空公司CMC工厂在阿拉巴马州亨茨维尔的盛大开业，该公司庆祝了另一个CMC的里程碑：为建立美国第一个完全整合的CMC供应链而进行了长达十年的努力，其中包括一个由四个相互关联的GE生产基地组成的供应链网络。与此同时，GE公司位于北卡罗来纳州阿什维尔的新CMC组件装配厂已生产了40,000多件CMC涡轮护罩。该工厂还为全世界最大的航空发动机GE9X制造了五种不同的CMC热端组件。

CMC由碳化硅（SiC）、陶瓷纤维和陶瓷树脂制成，通过复杂的工艺制造，并通过专有涂层进一步增强。CMC只有金属合金密度的三分之一，重量的三分之一。因为它们比金属合金更耐热，所以CMC只需要较少的冷却空气来通过二次空气系统对热端部件进行冷却，从而使得更多的空气保持在主流道中用于做功而不是冷却部件，从而使得发动机可以在更高的推力下更有效地运行。总的来说，CMC可带来更高的燃油效率，更低的排放和更好的耐用性。

在航空发动机发展历史中，发动机材料耐温能力的平均增加率每十年约为50华氏度。通过CMC材料，GE在十年内将航空发动机温度提高了150华氏度。随着CMC进一步成为GE发动机的核心，他们预计将增加25%的发动机推力并将燃油效率提高10%。

CMC的好处是诱人的，但是这种复杂的材料系统的工业化已经给私营行业带来了数十年的巨大挑战。CMC难以制造，而且具有脆性。自20世纪70年代初以来，美国政府一直资助CMC研究，从那时起，GE的科学家就一直在努力研究这项技术。20世纪80年代，GE为大型地面燃气轮机推出了CMCs，并于1986年申请了第一个CMC专利。在25年内，该公司成功地在多个工业燃气轮机中实现了CMC涡轮护罩的应用和运行。

到2000年代中期，GE的全球研究中心（GRC）将其CMC重心转移到航空发动机上。GRC前能源和推进技术负责人以及后来GE航空公司CMC项目负责人Sanjay Correa回忆说：“随着我们技术的进步，CMC给喷气发动机也带去变革，由于它们极大的减轻了重量，因此CMC在对重量要求更严的航空发动机上具有更大的应用潜力。“

在同一时期，GE航空公司承诺在发动机中应用CMC并建立供应链。到2018年，该公司在俄亥俄州的俄亥俄埃汶代尔建立了CMC工厂（组件开发）; 特拉华州纽瓦克工厂（小批量生产）; 北卡罗来纳州阿什维尔工厂（大规模量产）; 和阿拉巴马州亨茨维尔工厂（原材料）。GE和法国赛峰与日本碳素（Nippon Carbon）公司的合资企业是CMC原材料的领先生产商和创新者，在建立亨茨维尔工厂方面发挥了重要作用。

作为GE最新的CMC生产基地，亨茨维尔原材料生产基地由两个占地100英亩的工厂组成。其中一家生产SiC陶瓷纤维，这是美国首个大批量生产该材料的工厂。在美国空军资助的支持下，该工厂提高了美国生产耐高温2,400华氏度的SiC陶瓷纤维能力（注：类似织毛衣用的毛线）。相邻的工厂使用SiC陶瓷纤维制造单向CMC预浸料，这是一种预先用树脂体系浸渍的增强织物（注：类似用毛线织毛衣，只是形状织成组件形状），是制造CMC组件所必需的。

亨茨维尔工厂在2018年就开始提供原材料。与此同时，GE公司和CFM发动机对CMC的需求在十年内增长了20倍。而还仅仅只是个开始。亨茨维尔工厂首个全年运营生产了约6吨CMC原材料，而在可能在2028年增长十倍。

通过建立供应链，GE航空集团继续提高CMC生产率并提高车间生产率，这两个因素都是快速降低整体成本曲线的关键因素。GE公司在CMC生产，铸件和涂料方面的进步将有助于CMC在新发动机中的应用，以及未来具备向商用和军用航空发动机提供替换件。

俄亥俄埃汶代尔实验室的CMC负责人JonathanBlank表示，数字分析正以同样的方式推动航空发动机效率的变革，同样该技术也正在改进GE的CMC生产流程。

“我们将使我们的学习制度化，进一步发展材料和工艺模型的稳健性，并将数字工具深入到我们的流程中，使分析成为这种垂直整合技术的生活方式。”

GE的CMC故事与航空历史叙事相似。材料的不断进步可以追溯到莱特兄弟公司，第一架飞机由木材，钢材和帆布组成。而金属合金如铝，钛和其他高温金属推动了飞机更快，更强大。

在航空发动机行业里，GE在航空发动机核心内引入了一些世界上最先进的金属合金，包括单晶合金。

工程副总裁Gary Mercer表示：“新材料的化学特性和加工都是提高热效率，燃料燃烧和排放的垫脚石。”

20世纪90年代，当GE公司为GE90涡扇发动机引入碳纤维复合材料风扇叶片后，飞机制造商也更积极地寻求大型复合材料结构，以减少飞机重量并提高耐用性。

通过CMC，GE的发展将超越航空发动机，以支持更广泛的航空航天要求，包括太空旅行，其操纵环境可能是最极端的。这次旅程将“引导”GE航空公司成为世界级的CMC供应商，为快速发展的航空航天环境提供助力。

Mercer说：“我们是CMC的第一代人。当你想到飞行的未来时，光和热是两个常数。随着超音速，高超音速和可重复使用的太空飞行器的重新出现，人们很容易看到CMC如何为未来的推进系统和机身增添价值。

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