金属基复合材料MMC：铝基与钛基方案在航空发动机减重增效中的应用解析

金属基复合材料（MMC）必将在燃气涡轮航空发动机的未来发展中发挥重要作用。本文概述了铝基与钛基MMC的优势及其部分潜在应用，并讨论了将这类相对新型的复合材料引入发动机部件时所涉及的问题。

导读：金属基复合材料（MMC）必将在燃气涡轮航空发动机的未来发展中发挥重要作用。本文概述了铝基与钛基MMC的优势及其部分潜在应用，并讨论了将这类相对新型的复合材料引入发动机部件时所涉及的问题。文中探讨了通过引入碳化硅颗粒增强铝合金（Al-SiCp MMC）可能实现的成本节约与性能提升，其中复合材料的性能可以针对特定应用的要求进行定制。文中针对一系列部件应用，阐述了钛基复合材料（Ti MMC）的加工影响问题，并举例说明了如何对复杂部件的制造工艺进行控制。最后，讨论了原材料成本、制造成本与部件成本对MMC成功引入航空发动机的影响。

<引言>

航空发动机是任何材料体系所要面对的最恶劣、最苛刻环境之一。当这一要求与行业对更高推力、更轻重量与更高效率（且成本更低）的持续需求相结合时，就意味着金属基复合材料（MMC）等先进复合材料的引入将需要深入而全面的开发计划。必须从宏观尺度到材料微观尺度理解部件行为，才能确保从常规均质金属向MMC的安全过渡。

本文考察了铝基与钛基复合材料在航空发动机中的潜在优势，讨论了加工工艺，并考虑了若干相关问题。

<铝基复合材料的潜在优势>

铝基复合材料的独特属性在于高比刚度、良好疲劳性能与潜在相对较低的常规加工成本的结合。此外，还可以针对特定应用的要求定制这些材料的力学与热学性能。为实现这一点，需要考虑许多变量，包括：增强体的类型与含量、基体合金的选择以及复合材料加工路线。所有这些因素都相互关联，在开发新材料时不应孤立考虑。

铝基复合材料已经历多年的开发，期间尝试了大量不同类型的增强体，取得了不同程度的成功。这些增强体包括连续纤维（单丝与复丝）、短纤维、晶须与颗粒。

多年来尝试了许多不同的基体材料，这些基体对复合材料所能达到的一些性能具有影响。耐腐蚀性、强度水平、韧性等均深受基体合金影响。通常使用标准工程合金，但会为适应所选增强体而作轻微改进。增强体类型也影响制造方法。显然，连续单丝需要采用不同于颗粒甚至短纤维增强体的处理方式。

罗尔斯-罗伊斯公司目前正在考虑用于燃气涡轮发动机的铝基复合材料为颗粒增强型。即便有此限制，仍可采用多种加工路线，并可进行二次加工以进一步定制材料性能，满足特定部件需求。颗粒增强在加工方面的一个巨大优势，是可以使用常规金属制造方法和机械加工技术。这改善了铝基MMC相对其他复合材料的经济性，后者传统上价格昂贵且劳动密集。

<铝基复合材料的加工>

目前，在发动机部件中表现出最佳应用前景的铝基复合材料，是采用细SiC颗粒（即小于约12μm）增强的材料。该复合材料通过粉末冶金路线制备，将SiC与基于AA 2000及6000系列合金的元素粉末或预合金粉末进行简单混合或机械合金化。这些合金提供了强度、延性与韧性的最佳组合。粉末通过热等静压或真空热压进行固态固结，形成坯料形式。随后可通过锻造、轧制、挤压等常规方法进一步加工，并随后进行机械加工（图1）。

图1 铝基复合材料（MMC）加工工艺路线：VHP真空热压，HIP热等静压

已发现等温锻造在流动特性、结构均匀性、性能及尺寸精度方面效果尤佳，从而减少了锻造操作次数。因此，等温锻造所用坯料尺寸更小，所需的机械加工也更少，故而在原材料昂贵且比某些常规材料更难加工（建议使用金刚石刀具）时，是一种良好的选择。

所制部件的力学性能在一定程度上受加工路线和变形量的影响，但采用细粉可确保良好的晶粒结构控制，并保持相对各向同性的性能分布。图2展示了粉末冶金路线所生产的铝基复合材料的典型微观组织。

图2 粉末冶金铝基复合材料的各向同性微观组织

<铝基复合材料的性能>

从迄今开展的评估工作来看，铝基复合材料在发动机运行环境中所需腐蚀与冲蚀防护程度预计将与常规铝合金相似。铝基复合材料可以进行阳极氧化处理，但需要调整加工参数以获得足够厚度的保护膜。其耐冲蚀性能略逊于未增强铝。可以施加其他冲蚀防护涂层，但有些涂层需要进行烘烤处理，这可能对复合材料的组织与性能产生不利影响。因此，应避免使用此类涂层。

这类复合材料的力学性能通常介于未增强铝与钛合金之间。然而，通过仔细选择基体合金与增强体含量，可以改变性能的平衡。增强体含量可在0至约60vol.-%之间变化，从而能针对特定应用定制性能。若考虑密度，铝基复合材料的比性能显著高于钛和钢等其他常用航空航天材料（图3a），但其工作温度范围受铝基体限制。

图3 铝基复合材料与未增强合金的力学性能比较

（a）比模量；（b）关键设计参数——疲劳、0.2%屈服强度（PS）、极限抗拉强度（UTS）与弹性模量；（c）疲劳性能——无缺口旋转弯曲试验，R比=-1

对常规材料而言，也许最能体现性能提升的例子是比模量。对于钢、镁、铝和钛合金，该比值为约27，而在铝基复合材料中，引入50vol.-%的增强可使该值提高一倍以上。

通过增加细SiC颗粒的含量也可提高强度（图3b），但这也会导致延性降低，因此必须权衡兼顾。对大多数结构应用而言，这一折中范围通常在15—25vol.-%之间；但在热膨胀控制至关重要的场合，可使用更高体积分数的SiC。

<铝基复合材料的潜在应用>

铝基复合材料的潜在应用主要在压气机前段和风扇涵道结构，其最高工作温度不超过约150°C（图4）。在需要性能提升但钛部件的额外重量不可接受的情况下，铝基复合材料可用作未增强铝的替代材料。在减重尤为重要的场合，铝基复合材料很可能成为钛的有前途的替代方案。然而，铝基复合材料作为原材料，目前比铝或钛都更昂贵，尽管随着批量生产，其成本有望显著降低。

图4 铝基复合材料可能的潜在应用区域

叶片与导向叶片

压气机前部附近的静叶和可调导向叶片，可能为铝基复合材料的引入提供了最佳机会，以替代Ti 6/4锻件，从而实现减重。目前，其强度与疲劳性能尚不足以用于叶片。每个被等效Al MMC锻件替换的钛导叶，可获得约35%的减重。任何显著的成本节约，都取决于原材料的成熟成本。

一个换用铝基复合材料可带来巨大潜在成本节约的特定应用，是Trent发动机的风扇出口导流（FOGV）组件（图5）。该组件位于风扇后方、发动机核心与机匣之间。这些导叶将空气导向涵道，因此其最高工作温度处于铝基复合材料的允许范围之内。导叶易受冰雹与鸟击损伤，并需要良好的耐冲蚀与耐蚀性，以及铝基复合材料能够提供的良好疲劳性能与高刚度。目前，这些导叶为钛材制造，分析表明，用简单的实心铝基复合材料锻件直接替换其中部分空心导叶，每替换一个导叶可实现约50%的成本节约和约15%的减重。

图5 风扇出口导向叶片（OGV）组件（包括位于非结构位置的Al MMC叶片）

其他潜在应用

除了静叶与可调导向叶片外，还考虑了用铝基复合材料制造可调进气导叶（VIGV）摇臂及相关联调环的潜在收益。这可能需要一些重新设计工作，但可在替代钛部件时提供一定减重。铝基复合材料的高比刚度有利于联调环，但其承受轴承应力的能力仍需评估。

压气机前端、工作温度低于150°C的转子机匣可能是潜在应用之一。铝基复合材料可考虑作为铝或钛的替代方案。通过提高SiC含量来改变热膨胀系数，可为设计者提供另一个重要变量，以实现更好的叶片叶尖间隙匹配，进而改善发动机喘振裕度。铝基复合材料的包容性能尚未详细评估，但其较低的延性与较高的强度可能要求比铝更厚的机匣。如果设计及可行性允许，可通过增加凯夫拉缠绕来尽量减小这一影响。

涵道填料也是铝基复合材料应用的一个潜在候选。铝基复合材料相对于未增强铝合金所具备的优异疲劳与刚度性能，可在不显著增加重量代价的情况下带来收益。

<钛基复合材料的潜在优势>

为航空发动机开发的钛基复合材料，包含以大直径（约140μm）SiC单丝增强的常规钛合金基体。钛基复合材料提供了更高的刚度与强度，并由此带来减重机会。过去几年开展的部件研究与试制件，主要集中在转子的减重上。这为周围静态结构件提供了额外的减重潜力。钛基复合材料正成为未来高性能敏捷发动机的关键选项。

<钛基复合材料的加工>

Ti MMC部件的主要制造工艺路线见图6，并在下文进行说明。

图6 钛基复合材料的制造工艺路线

纤维与箔材方法

这是最成熟的方法，已用于制造一系列部件形式。然而，固结过程中产生的高度收缩，以及箔材相对不可变形的特点，限制了可考虑的形状复杂度。箔材的成本也不低，因此人们多次尝试使用不同的基体形式，例如粉末或丝材。该方法在固结时的收缩率仍然较高，在很大程度上局限于"开放式"结构或薄环。

金属喷涂工艺

该工艺能够生产单层预浸料的片材。通过真空等离子体或感应等离子体喷涂系统，将Ti合金粉末直接沉积到缠绕纤维的鼓轮上。所得的片材层叠后，以与纤维箔材工艺相似的方式进行固结。喷涂过程中对纤维及其涂层的冲击损伤已证明是该工艺的一个问题，同时预浸料片材的有限柔性也限制了可制造的部件类型。

金属涂层纤维工艺

通过该技术（由美国3M公司和英国DERA独立开发），利用电子束物理气相沉积（EBPVD）工艺，将金属涂层直接施加到SiC纤维上。纤维连续通过钛合金熔池上方的蒸汽云，蒸汽在运动的纤维上冷凝，形成连续且均匀的基体涂层（图7a）。

虽然偶尔可见涂层厚度的微小差异，但很明显，固结后的复合材料不含接触的纤维，且具有近乎完美的纤维分布（图7b）。

图7 （a）基体涂层纤维（MCF），×300；（b）MCF纤维分布，×40（Fig.7 (a) matrix coated fibre (MCF), ×300; (b) MCF fibre distribution, ×40）

该工艺特别适用于压气机叶环等关键旋转部件。涂层工艺及后续部件制造工艺的自动化，将为未来成本降低与工艺控制监测奠定基础。

<钛基复合材料的性能>

以连续SiC纤维增强的钛或金属间化合物基体，并沿主载荷方向排列，可为高承载航空发动机应用提供最大潜力。从图8可以看出，与基体合金相比，单向复合材料在纤维方向上的强度与刚度显著提高。其横向刚度得以保持，但横向强度有所降低。

直到近期，Ti MMC材料的力学性能仍很大程度上受制造与工艺缺陷的影响。低周疲劳性能往往对此最为敏感，图9给出了其示意性说明。

图9的左侧区域显示了粗大纤维缺陷的影响，即几层彼此靠近的纤维发生断裂。这自然会对力学性能产生最不利的影响。然而，此类缺陷很容易通过X射线或超声无损检测（NDE）技术发现。更值得关注的是局部纤维断裂与基体缺陷的中间区域，因为对该区域的NDE检测在不进行重大技术改进的情况下，难以定位全部缺陷。此外，如此详细的检测成本将难以承受。因此，建立具有充分工艺控制的高质量工艺，对于Ti MMC成功引入航空发动机至关重要。

图8 含35vol.-%纤维的Ti-6Al-4V基体钛基复合材料的性能比较

（a）拉伸强度；（b）模量

图9 钛基复合材料的疲劳响应示意图

<钛基复合材料的潜在应用>

工作温度限制很大程度上由基体合金决定，其中Ti-6Al-4V复合材料限制在约350°C，而Ti 6242复合材料可达500—550°C。因此，其应用主要考虑在发动机的压气机段，叶片、导叶、机匣和盘均具有潜在应用。高压（HP）压气机后端的高温，目前决定了盘需使用重Ni基高温合金，机匣需使用钢或镍合金。未来在正交晶钛铝化物等金属间化合物开发方面的进展，可为高压压气机热端提供合适的增强基体。图10示出了一款军用航空发动机的潜在应用区域。

图10 钛基复合材料的潜在军用应用：IMC金属间化合物基复合材料；LP低压

叶片与导向叶片

通过纤维增强获得的刚度提升，为叶片设计者提供了在载荷作用下调节叶片性能的机会。提高材料刚度还会改变叶片的共振频率，从而无需过度增厚或增加重量，即可将有害的振动模态从发动机运行范围内移除。风扇叶片的质量降低会产生"连锁"效应，进而在盘、机匣和包容结构中实现进一步的减重。

压气机叶环

与常规钛合金叶盘（blisk，带叶盘）设计相比，预测Ti MMC压气机叶环（bladed ring，带叶环）可实现高达40%的减重。该应用非常适合单向增强的Ti MMC，因为主要载荷沿环向（周向）方向。横向方向上的径向载荷可保持相对较低。因此，简单的叶环设计（图11）能够充分利用Ti MMC优异的纵向性能，同时保护最薄弱的横向取向。

图11 钛基复合材料演示叶环

也可以在压气机叶环中采用Ti MMC，并保留可更换叶片设计。但这会导致减重减少，因为Ti MMC现在需要承担叶片根部固定的额外载荷重量。

最新材料形式（被称为"第二代材料"）所展示的复合材料质量的显著改善，将有助于建立预测性寿命评估能力。未来的Ti MMC部件将仅部分增强，因此需要混合寿命评估方法，即未增强区域可采用常规均质合金规则。这将需要在应力分析时格外小心，以确保在复合材料与非复合材料过渡位置，潜在缺陷的影响能够得到正确建模。Ti MMC叶环的寿命评估关键部位如图12所示。

图12 Ti MMC叶环寿命评估的关键问题

机匣

机匣应用的设计研究表明，用Ti MMC替换Ni或钢部件可实现25—30%的减重。对于目前正在使用钛的发动机，这一减重会显著降低。然而，可通过Ti MMC机匣刚度的提高来改善性能，这将使飞机机动载荷下的变形更小，从而改善叶片叶尖间隙控制。此外，降低的热膨胀系数及调节膨胀的能力（通过变化纤维体积分数以更好地匹配旋转结构）也有利于叶尖间隙的控制。

Ti MMC机匣部件的详细设计将是其成功的关键。此类部件传统上具有众多凸台、孔洞与法兰，这些在Ti MMC中往往难以容纳。在全面实现此类应用的潜力之前，需要创新的设计与制造方案。

传动轴

钛基复合材料具有替代钢制传动轴的潜力。其在纤维方向上的高刚度与高强度，加上密度降低，可带来约20%-30%的减重，同时改善涡动性能与扭矩能力。轴设计是一个主要难点，尤其体现在端部连接件上，载荷需要高效地传入和传出轴，同时不能增加过多的重量。纤维沿轴线的取向需要谨慎考虑，以在不牺牲弯曲刚度或轴向抗拉强度的情况下保持高扭矩性能。

支柱与连杆

这些部件通常被视为低风险部件，因此非常适合在发动机中引入Ti MMC，以在实际服役环境中积累经验。美国已开展了排气翻板连杆与作动活塞杆的飞行演示。这些应用通常在刚度和抗压强度至关重要的地方体现出最大减重收益，且Ti MMC能替代钢或镍基重件。

这类部件的整体简单性加上常规钢加工工艺的成熟度，使其难以在部件成本基础上加以论证。然而，由于这些部件位于军用发动机后部，从而可以在不增加额外成本的情况下，从飞机前部移除额外的配重质量。这表明，为充分实现Ti MMC的收益，需要从系统整体角度加以考虑。

<成本考虑>

Al和Ti复合材料引入都受到原材料成本高的制约。目前，由于产量很小，铝基MMC的价格高于钛。钛基复合材料则受制于SiC单丝及复合材料预成型体（如金属涂层纤维或纤维"带"）的高成本。随着批量生产和工艺自动化，这些成本将大幅降低。钛基复合材料的部件制造劳动密集型，因而昂贵，但自动化应能改善这一状况。仅从减重角度看，很难说上述讨论的大多数部件应用都能实现。成本始终是需要考虑的因素，相关项目已就位以解决这些问题。

<结论>

本文涵盖了一些MMC技术的关键领域。最新工艺技术所展示的复合材料质量的显著改善，预示着性能与可靠性的提升。关键部件具有明显的减重潜力，并附带性能改善的附加收益。成本仍是一个重要因素，显然需要付出大量努力来降低材料和工艺成本，以达到未来的部件成本目标。通过集成产品开发团队将制造、设计与工程活动集成起来，是最佳的前进方式。同时，通过合作项目开展全行业合作，将对MMC技术在航空发动机中的成功实施至关重要。