Композиты с керамической матрицей используются в реактивном двигателе LEAP

4 января 2017 г.

Дон Леви, Национальная лаборатория Ок-Ридж

Композиционные материалы с керамической матрицей (КМК) состоят из керамических волокон с покрытием, окруженных керамической матрицей. Они прочные, легкие и способны выдерживать температуры на 300–400 градусов по Фаренгейту выше, чем могут выдержать металлические сплавы. Если бы некоторые компоненты изготавливались из КМЦ вместо металлических сплавов, газотурбинные двигатели самолетов и электростанций могли бы работать более эффективно при более высоких температурах, более полно сжигая топливо и выделяя меньше загрязняющих веществ.

Четверть века назад Министерство энергетики США начало программу, возглавляемую Окриджской национальной лабораторией Министерства энергетики, по поддержке разработки в США материалов CMC. В 2016 году новый авиационный двигатель LEAP стал первым широко распространенным продуктом, содержащим CMC. CFM International, совместное предприятие Safran и GE с долевым участием 50/50, производит LEAP.

Двигатель имеет один компонент CMC — кожух турбины, покрывающий самую горячую зону, поэтому он может работать при температуре до 2400 F. CMC требует меньше охлаждающего воздуха, чем суперсплавы на основе никеля, и является частью набора технологий, которые способствуют 15 процентная экономия топлива для LEAP по сравнению с его предшественником, двигателем CFM 56.

Предварительные продажи авиакомпаниям, стремящимся снизить затраты на топливо, ошеломляют — 140 миллиардов долларов по прейскурантной цене для более чем 11 000 двигателей. В августе первый двигатель LEAP начал коммерчески летать на Airbus A320neo. Другие двигатели LEAP будут летать на Boeing 737 MAX в 2017 году.

«Материалы, разработанные в рамках программы Министерства энергетики, стали основой для материалов, которые сейчас используются в авиационных двигателях», — сказал Кришан Лутра, который в течение 25 лет руководил разработкой CMC в GE Global Research.

CMC компании GE изготовлен из керамических волокон карбида кремния (SiC) (содержащих кремний и углерод в равных количествах), покрытых запатентованным материалом, содержащим нитрид бора. Волокнам с покрытием придают форму «заготовки», заключенной в SiC, содержащий 10–15 процентов кремния.

Рик Лоуден из ORNL проделал фундаментальную работу в 1980-х годах, которая проложила путь для программ Министерства образования. Ключом было покрытие керамических волокон.

«Композит с керамической матрицей отличается от почти всех других композитов, потому что матрица керамическая, а волокно керамическое», — сказал Лоуден. По его словам, обычно сочетание двух хрупких материалов дает хрупкий материал. Но изменение связи между волокном и матрицей позволяет материалу вести себя как кусок дерева. Трещины не распространяются на волокна из окружающей их матрицы. Волокна скрепляют материал и несут нагрузку, медленно отрываясь от матрицы, придавая ему прочность.

Программа Министерства энергетики США по созданию керамических композитов с непрерывным волокном (CFCC) действовала с 1992 по 2002 год и поддерживала промышленную разработку CMC компаниями AlliedSignal, Alzeta, Amercom, Babcock and Wilcox, Dow Chemical, Dow Corning, DuPont-Lanxide Composites, GE и Textron. Его бюджет в среднем составлял 10 миллионов долларов в год, расходы разделяла отрасль.

CFCC финансировал компании, занимающиеся производством композитов, а также национальные лаборатории и университеты, чтобы охарактеризовать свойства материалов. Усилия координировались и финансировались через ORNL. Лоуден написал план программы вместе со Скоттом Ричлендом из Министерства энергетики и Майком Карницем из ORNL и руководил поддержкой компаний вместе с Каррен Мор из ORNL, Питом Торторелли и Эдгаром Лара-Курцио и Биллом Эллингсоном из Аргоннской национальной лаборатории. Ассоциация современной керамики США представляла промышленность, информируя Конгресс о преимуществах CMC.

«Мы рассматривали разные волокна, разные межфазные покрытия и разные матрицы», — сказал Мор о роли ORNL. «Мы участвовали в понимании механизмов деградации и отборе наиболее перспективных композитов и экономически эффективных методов их приготовления».

Лоуден добавил: «Мы работали над достижением общей цели — использовать композиты с керамической матрицей в промышленном применении, включая теплообменники высокого давления, наземные турбины, печи цементации и радиационные горелки».