蛛网式骨架增强陶瓷基复合材料涡轮叶盘设计及验证

■ 罗潇 李坚 李敏 徐友良 郭小军 曾雨琪 / 中国航发动研所

为充分利用陶瓷基复合材料（CMC）耐高温、低密度和可设计的优点，进一步挖掘其显著提升航空发动机功重比/推重比的潜能，创新团队以涡轮转子叶盘为研究对象，开展了陶瓷基复合材料在热端转子件上的工程应用探索。

高功重比/推重比是航空发动机的永恒追求，其中减轻结构质量和提升涡轮前温度是关键途径。目前对高温合金材料的性能挖掘已接近极限，难以再满足未来航空发动机对大幅减轻质量、提升涡轮前温度的需求，应用轻质耐高温材料是航空发动机发展的必然趋势。与高温合金材料相比，陶瓷基复合材料（CMC）的密度仅为前者的1/3，而长时间使用的温度可高达1350℃，被视为可应用于航空发动机热端部件的最具潜力的轻质高温材料，不仅可显著降低零件自身质量，同时由于其优越的承温能力，在提升涡轮前温度的同时，还可简化甚至省去涡轮叶盘冷却系统。

当前束缚陶瓷基复合材料涡轮叶盘工程应用的关键瓶颈在于轮盘承载能力不足，难以达到发动机工作转速要求。受自然界蜘蛛网结构整体协同承载、对损伤不敏感的特性启发，创新团队提出了一种蛛网式纤维骨架结构，经试验验证，可显著提升陶瓷基复合材料涡轮叶盘承载能力。此外，该项目突破了陶瓷基复合材料涡轮叶盘与金属轴热匹配连接设计、复杂纤维预制体编织和高致密度基体制备等多个关键技术，为陶瓷基复合材料在我国航空发动机热端转子件上的工程应用打下了基础。……