是榜样更是强大的对手——A320、B737和C919飞机LEAP发动机的先进材料
马氏体
03-15 18:39
在被空客（Airbus）和波音（Boeing）垄断的天空中，中国商飞（COMAC）正努力劈开属于自己的一片天。与AB两巨头正面交锋的第一个战场，是在民用大飞机里属于入门级、但也是销量最大的窄体干线客机（空客A320和波音B737系列的累计产量都已超过1万架，是客机销量榜的前两名）。全新升级的A320neo（New Engine Option）、潜力被挖掘殆尽的B737 MAX、寄托中国大飞机梦想的C919，三家的新机型都把更高的燃油经济性作为卖点，也都受益于同一款先进发动机——LEAP（Leading Edge Aviation Propulsion）。
LEAP发动机是CFM国际公司（CFM International，美国GE公司和法国Safran赛峰公司的合资公司）为新一代窄体干线客机研制的大涵道比涡轮风扇发动机，分为A320neo所用的LEAP-1A、B737 MAX所用的LEAP-1B和C919所用的LEAP-1C三大型号，推力为10-15吨级，涵道比达到11：1（LEAP-1B受限于B737起落架太短、机翼下空间不足，涵道比只有9：1）。
飞翔在阿尔卑斯山上空的易捷航空A320neo，使用LEAP-1A发动机。A320neo也可选装美国普拉特·惠特尼（Pratt & Whitney）公司的PW1100G齿轮传动涡扇发动机。大涵道比涡扇发动机的原理请看：效率为王，风扇先行——涡轮风扇发动机。
LEAP发动机是CFM56系列发动机的继任者。CFM56堪称目前最成功的飞机发动机，自上世纪八十年代以来总产量超过3.3万台，曾经驱动了绝大多数的B737系列和半数以上的A320系列。航空发动机的研发绝非一朝一夕之功，而是需要长期巨量的投入，也离不开海量运行数据支撑下的迭代升级。
LEAP发动机运用了大量的先进设计和材料，相比前代发动机具有更高的燃油效率、更低的污染物排放，满足民航业清洁发展的需要。
在“看不见”的发动机内部，是需要耐受高温的热端部件，主要由高温合金制成。比如上图中的低压涡轮第二级导向叶片，采用熔模铸造的方法精铸成型，叶片内部是空心的，从压气机引气进行冷却，右下角图片可见叶片后缘附近的排气孔。涡轮叶片的铸造过程请看：烈火炼雄心——高温合金叶片的精密铸造。
LEAP发动机的高压涡轮第一级罩环（环绕高压涡轮转子叶片、阻止热气从涡轮叶尖泄漏的环形密封件）使用了碳化硅纤维增强碳化硅（SiC/SiC）陶瓷基复合材料（Ceramic Matrix Composites，CMC），可耐受1300多℃ 高温，比传统高温合金的耐热能力提高20%，不需要从压气机引出气流冷却，因而能提高发动机效率、降低复杂度，同时具有两倍的强度，但重量仅有2/3。
在CMC中，陶瓷纤维是主要的承力部分，种类有碳化硅纤维（上图是碳化硅纤维的电子显微镜照片，纤维直径为12微米，相当于头发丝的五分之一）、碳纤维、氧化物纤维（石英纤维、氧化铝纤维、3Al2O3·2SiO2莫来石纤维等）；陶瓷基体（包括碳化硅陶瓷和氧化物陶瓷）填充在纤维之间，起到传递载荷的作用。碳化硅材料具有比碳纤维更强的抗高温氧化能力，又比氧化物材料的力学性能更好，因此SiC/SiC复合材料被认为是发动机热端部件的理想候选材料。
制备碳化硅纤维的起始原料是有机硅小分子，聚合得到聚硅烷（主链为-Si-Si-的高分子）或聚碳硅烷（主链为-Si-C-Si-C-的高分子），加热熔融或溶解在有机溶剂中作为纺丝液，从多孔模具中压出，得到原丝。原丝还需经过两三百度的交联处理，使高分子链间交联、缠结（对于聚硅烷原丝，还会发生重排反应，把脆性的-Si-Si-链重排为柔性的-Si-C-Si-C-链），提升原丝的力学性能，便于后续处理。经过高温热解，原丝在400℃-800℃脱除氢和有机基团，得到无形定的碳/硅复合纤维，在1000-1600℃结晶为碳化硅纤维。纺丝和热处理的过程可参考：从化纤到碳纤维，要经历怎样的凤凰涅槃？
在碳化硅纤维表面，沉积碳、碳化硅、氮化硼（BN）等材料构成的界面层，起到保护纤维（在复合材料制备过程中还要经历高温处理和化学反应）、增强纤维和基体的结合强度、缓解纤维和基体间的残余应力、传递载荷等作用。
碳化硅纤维丝束穿过含有碳化硅粉、碳粉和有机粘结剂的浆料，有序缠绕在一个大直径轮鼓上。随后，沿着轮鼓的母线把线卷裁开，得到一片单向纤维构成的阵列，纤维之间靠浆料横向粘结，这就是预浸料。
按照产品的横截面形状，从大片的预浸料上裁切出所需的片材，在模具中层层堆叠成产品的立体造型。为了保证各个方向上的力学性能，各层预浸料的取向要按一定的规律错开。
堆叠后的预浸料被包裹在真空袋内，送入热压罐中，加热使粘结剂固化，袋内的真空和外部的高压保证粘结的致密性。用预浸料热压罐成型法制造复合材料的过程请看：织无缝天衣——碳纤维复合材料的制造。
成型后的材料含有大量有机粘结剂。经过高温处理，有机物裂解、炭化，得到多孔的碳化硅-碳复合预制体。
用熔融渗硅法使预制体致密化：在石墨匣钵中，用硅粉包埋预制体，加热到1600℃左右，熔融的硅渗透到预制体的孔隙中，与碳反应生成碳化硅。
经过后续机加工和检测，得到CMC成品。
上述方法被称为预浸料-熔融渗硅法。如果不把碳化硅纤维预先制成含碳化硅/碳浆料的预浸料，而是通过堆叠纤维布或三维编制的方法直接做出三维的纤维预制体，则可以通过浆料灌注-熔融渗硅的工艺实现致密化，或采用化学气相浸渗法（CVI，以碳硅烷气体为前驱体，渗透到纤维预制体的孔隙中）、前驱体浸渍裂解法（PIP，以聚碳硅烷、聚硅烷的溶液或熔融液体为前驱体，浸渍到预制体孔隙中），加热裂解得到碳化硅，具体可参考碳/碳复合材料刹车盘的制造过程：什么样的刹车盘能刹住时速几百公里、重几百吨的飞机？
碳化硅的耐高温氧化能力还是比较有限的，因此在直面高温燃气的表面上要制备环境障涂层，阻隔燃气对CMC的腐蚀（“环境障”的名称对应于给高温合金隔热的热障涂层）。环境障涂层由抗氧化、阻氧、稳定性高、热膨胀系数与碳化硅匹配的氧化物制成，如莫来石、钡/锶或稀土硅酸盐等。
2014年10月6日，LEAP-1A发动机挂在波音747改装的发动机试验台上完成首次飞行测试；2015年5月19日，使用LEAP-1A发动机的空客A320neo首飞（使用PW1100G发动机的A320neo于2014年9月15日首飞）；同年11月20日LEAP-1A发动机获得适航认证。截止目前，LEAP发动机已积累了超过6千万个飞行小时，获得超过1万台订单，是第一款大规模应用CMC的商用发动机。为此，美国GE公司建立了年产36000个CMC罩环零件的生产线（每台发动机的罩环由18个零件拼接而成）。
这还只是牛刀小试。各国都在竞相开发更多CMC热端部件，尤以GE公司最为领先。
GE于2015年率先实现CMC涡轮转子叶片的测试，改装了一台F414发动机（F/A-18E/F舰载战斗机所用的发动机）的低压涡轮第二级转子（上图左，黄色叶片带有环境障涂层，灰色叶片无涂层）；在用于波音777X的GE9X发动机（发动机已于2020年通过适航认证，但B777X项目延期，尚未交付），燃烧室衬套（上图右）、涡轮罩环、高压涡轮第一和第二级导向叶片都采用CMC制造，将成为使用CMC最多的商用发动机。但要把CMC应用于工作环境最为恶劣（高温＋高速旋转载荷）的高压涡轮转子叶片，仍有赖于材料技术的进一步发展。
在CMC的关键原材料——碳化硅纤维方面，国际领军企业是日本碳素公司（Nippon Carbon），其Nicalon系列碳化硅纤维被应用于GE的航空发动机中（日本碳素公司的另一类重要产品是人造石墨制品）。我国的碳化硅纤维和CMC材料与国际先进水平仍然存在一定差距。
LEAP的低压涡轮最后一级工作温度约700℃，转子叶片采用钛铝金属间化合物（合金）。TiAl的密度只有镍基高温合金的一半，耐高温、抗氧化能力则强于钛合金，是先进航空发动机上受热捧的新材料。在这一领域，我国已取得突破，国产TiAl叶片已通过英国罗尔斯罗伊斯（Rolls-Royce）公司Trent XWB发动机（空客A350XWB所用的发动机）的认证，未来也将应用于国产先进发动机，具体请看：“模”与“范”——钛铝合金叶片的熔模铸造。
在看得见的发动机外部，LEAP大量使用碳纤维增强树脂基复合材料，尤其是首次使用三维编织碳纤维复合材料风扇叶片和风扇机匣。
上一代碳纤维复合材料叶片（典型代表为波音777所用的GE90发动机）是由碳纤维预浸料铺层制造的；由赛峰公司负责的LEAP发动机风扇叶片和机匣则采用三维编织技术（使纤维在经、纬和垂向三个方向交织的织法）做出碳纤维预制体，再通过树脂传递模塑（RTM，把纤维预制体放进模具中，灌注树脂，固化成型）制成复合材料，具体过程请看：飞机发动机的风扇大叶片是如何制造的？
风扇机匣不仅围出气流的通道，还起到包容的作用，防止断裂的风扇叶片飞出发动机造成更大的损伤。在风扇机匣内壁、风扇叶片扫过的地方，涂有一圈易磨环，起到密封机匣和叶尖之间空隙的作用，但又不能磨损叶片。这种材料是含有空心玻璃微球的橡胶，若被叶片刮擦进入发动机内部，玻璃微球会在上千度高温下熔化，不会对发动机部件产生损伤。
在风扇机匣前方、进气道的壁面上，铺设有声衬，作用是抑制风扇的噪音。声衬的结构是两层面板之间夹一层蜂窝，面向进气道的面板钻有微小孔阵列，使声波进入蜂窝夹层；每个蜂窝孔都是一个共振腔，相应频率的声波带动腔内空气振动，把声波的能量转化为热而消耗掉。先进的声衬蜂窝内还设置有多孔隔膜，把蜂窝分割成不同深度的两部分，拥有两个共振频率，从而发挥宽频消声效果。
进气道声衬的面板采用碳纤维复合材料，夹层由芳纶纸蜂窝制成；用于发动机内高温部位的声衬则采用铝合金制造。声衬蜂窝的佼佼者是美国赫氏公司（Hexcel，这家企业也是美国重要的碳纤维生产商）。我国在芳纶纸蜂窝方面的进展请看：飞机上的“蜂窝”——芳纶纸蜂窝夹层结构复合材料。
飞机着陆时，发动机开启反推，向前反向喷气，辅助飞机减速（70%以上的减速效果来自机轮的刹车）。对于外涵道推力占总推力80%以上的民用大涵道比涡扇发动机，反推一般是把外涵道气流向前偏折，因此可以看到发动机短舱的反推系统向外打开或向后滑动，给反推气流让出通道。在C919所用的LEAP-1C发动机上，首次采用了O型的复合材料一体式反推系统，代替了分成左右两片D型部件的传统结构（LEAP-1A和LEAP-1B仍然采用传统结构），减轻重量的同时消除了两片式结构的气流分叉现象，达到降低油耗（0.5%）、提高反推效率的效果。
尽管使用同门发动机，ABC三家新一代窄体干线客机的命运却各不相同。空客A320neo可谓风头无两，但有部分飞机因为普惠PW1100G发动机的召回（粉末冶金高压涡轮盘的质量问题）而停飞。源自上世纪60年代的波音737的改进潜力已经耗尽，为对标A320neo而仓促上马的B737 MAX因设计缺陷连发两起空难，再加上美国去工业化、波音战略和管理失当导致的“空中飞门”等生产质量丑闻，口碑毁于一旦。这样的格局给了我们机会。2023年5月28日，C919投入商业运营，目前已交付十余架，产量正在稳步增长中。但在大国科技竞争愈演愈烈的时代背景下，进口的LEAP-1C发动机恐怕随时会成为绞杀国产大飞机的绞索，没有自己的先进民用航发也意味着我国的航空工业仍然缺失一块重要拼图。
幸好，我们有CJ1000A（长江1000A）发动机。这款为C919研制的国产动力与国外产品基本处于同一档次，但也要承认在部分先进技术和材料的应用、在产品进度和成熟度上的差距。从2017年首台验证机（CJ1000AX）装配完成、2018年首次整机点火成功，到2022年开启适航取证，再到未来投入商用、大批量生产、走向成熟，CJ1000A作为我国首款民用大飞机发动机，必然遭遇很多困难，但也带动了我国航发工业的整体发展。从展示的CJ1000A外观上，就可以明显看到风扇叶片材料的升级：从验证机的超塑成形钛合金（整体呈金属银灰色）换成了碳纤维复合材料（采用类似于GE和LEAP发动机的涂装方案，凸显出叶片前缘的银色钛合金包边）。更重要的是，通过走完CJ1000A的研制全过程，我们将能闯出自己的先进民用航发道路。
祝愿CJ1000A早日驱动C919翱翔蓝天，更期待CJ2000（用于远程宽体客机C929）乃至未来更先进、更强大的“中国心”。
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参考资料和素材来源：
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赛峰和GE公司相关宣传视频.
