陶瓷基复合材料将革新航空发动机工作效率

88必发官方唯一登录 ,报告题目:热障/环境障一体化涂层材料的设计与新原理探索 报 告 人:王京阳主 持 人:褚衍辉报告时间:2019年3月19日上午 9:00报告地点:14号楼205室欢迎广大师生参加!材料科学与工程学院2019年3月15日摘要:在高推重比航空发动机的关键热端部件使用陶瓷基复合材料是世界各国激烈竞争的先进材料前沿探索。高温结构部件在极端燃气环境中受到高温、水蒸气和熔融沙等严重侵蚀,必须在表面涂覆耐高温先进热障/环境障涂层,确保长期服役稳定性和可靠性。先进热障/环境障一体化涂层应满足与基体热膨胀良好匹配、热障性能优、长时间抵抗水蒸气和熔融沙极度腐蚀等苛刻要求。探索鲁棒性热障/环境障一体化涂层新材料,要解决跨学科的共性科学与技术难题,揭示其抵抗极端环境侵蚀的新原理并借助新知识突破涂层设计创新和技术进步。本报告基于对稀土硅酸盐候选材料的结构与性能关系研究,提出了设计多功能热障/环境障一体化涂层以及对高温腐蚀具有内禀惰性的涂层等新概念,为实现下一代热障/环境障一体化涂层的高效选材与技术创新提供了基础支撑。个人简介:世界陶瓷科学院院士,中国科学院金属研究所陶瓷及复合材料研究部主任;主要从事极端环境用高性能结构陶瓷的设计、研发与评价工作,已发表200多篇SCI论文,授权或申请18项专利,在国际知名学术会议上做70余次大会、主旨及邀请报告,并担任40个国际会议的大会顾问委员会成员或分会组织者;入选国家“万人计划”科技创新领军人才,科技部中青年科技创新领军人才,中国科学院特聘研究员;担任世界陶瓷科学院论坛主席,美国陶瓷学会的董事会董事、工程陶瓷分部主席、John Jeppson奖励委员会主席,欧洲陶瓷学会国际顾问委员会委员等学术职务;曾获得国家科技进步二等奖、辽宁省自然科学一等奖、Acta Materialia银质奖章、美国陶瓷学会的全球大使奖/全球之星奖/JACerS Loyalty Recognition Award(《美国陶瓷学会会刊》高影响力作者奖)和美国金属学会ASM-IIM Visiting Lectureship 奖等奖励;现任JMST, JMEP, Sci. Rep., CMT 等学术期刊的编辑和《无机材料学报》的副主编。

无论何时推进一项新的技术,更轻、更强、更有效永远是目标。

美国正寻求陶瓷基复合材料的新发展,开发更耐高温和具有更高损伤容限的陶瓷基复合材料。目前,美国先进陶瓷协会正在开发一个2700F(1482C) CMC的路线图。GE航空负责CMC研发的Krishan Luthra表示,随着CMC的推进,GE的愿景是将CMC在喷气发动机和工业燃气涡轮机热区的应用扩展到叶片、喷嘴和衬垫等部件。据称,GE航空已完成其垂直一体化CMC供应链中最后两个设施建设(纤维和预浸料),正开发下一代的CMC组件,如涡轮叶片。

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NASA正在寻求改变未来商用飞机的机遇,更有效的发动机是核心。为了实现未来飞机用上更好的发动机的目标,NASA的研究人员正在研究有前景的涡轮发动机部件高温材料。这些金属,被称为陶瓷基复合材料或CMC,更轻、更强,且能够给承受喷气发动机核心部件的极端高温环境下的受力要求。陶瓷基复合材料将替代目前在航空发动机中应用的镍基高温合金。总的来说,发动机工作温度越高,燃油效率更高。

事实上,GE公司用于替代GE90发动机的GE9X发动机,将含有五个不同类型的CMC零件燃烧室内、外衬、1级高压涡轮(HPT)罩环、1级喷嘴、2级喷嘴。与LAEP仅在1级高压涡轮(HPT)罩环上使用CMC相比,这是一个很大的进步。目前,GE公司正在全力加速生产,目标是在2020年,达到GE9X订单超过20000发动机(36000个罩环)/年。下一代CMC在发动机热端部件应用仍需解决:材料韧性不足难以满足疲劳性能需求;材料制备工艺复杂、成本高等问题。随着CMC的推进,应对措施之一是开发与GE所用的熔融渗透(MI)不一样的制备工艺,改善过多的硅挥发,导致基体中形成裂缝,造成材料脆性大、韧性不足的现象。另一个措施是,改进材料成分,改变含硅材料在高温下会与水蒸气反应,造成成分损失的现象。从而降低对多层环境障涂层(EBC)的依赖,达到将成本的目的。

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