从航空推进技术的发展历程来看，新一代航空发动机发展的首要目标是持续提高推重比。随着推重比的大幅增加，发动机热端构件服役环境变得越来越苛刻。在承受高温载荷的同时，高推重比发动机的燃烧室、加力燃烧室及涡轮等关键热端构件还需要保持甚至提高结构强度和耐久性，并进一步降低结构重量。在这种极端服役环境下，即使采用先进的气膜冷却和热障涂层技术，传统高温合金的工作温度也已超过1100 ℃的使用极限，无法满足新一代航空发动机的研制需求。
陶瓷基复合材料（CMC）是一种兼具金属和陶瓷性能优点的新型结构功能一体化材料，通过各结构单元的优化设计产生协同效应，进而达到性能的合理匹配，在减轻结构质量和提高燃烧效率方面具有无可比拟的优势。采用颗粒、晶须或纤维等增强体对陶瓷材料进行补强增韧后，陶瓷基复合材料的性能得到了显著提升。这种复合材料不再像传统陶瓷那样脆性大、对裂纹敏感，而是展现出一种类似于金属的“假塑性”断裂行为，且兼具陶瓷质轻、耐超高温、抗腐蚀等优异性能。
20世纪80年代以来，国外围绕航空发动机陶瓷基复合材料开展了大量研究工作，美国、法国、英国和日本等国家围绕陶瓷基复合材料相继组织实施了多个专项研究计划，形成了完备的工艺研发、材料和构件制备、试验验证和服役应用全链条技术体系，实现了燃烧室、喷管、涡轮外环和导向叶片等发动机关键热端部件的工程化应用。
近年来，为适应新一代航空发动机的研制需求，我国也开展了一系列重大研发工程，重点开展了陶瓷基复合材料工艺探索、制备加工和考核验证等基础性研究，并完成了部分典型热端部件的装机考核试验，有力支撑了我国航空工业的发展。
航空陶瓷基复合材料发展与应用 国外陶瓷基复合材料相关研究最早可追溯到20世纪中期，经过多年来的发展，目前国外陶瓷基复合材料逐步由基础研究转入工程测试及应用阶段，其中美国、英国、法国和日本等国在陶瓷基复合材料的研究及应用方面处于领先地位，其在先进航空发动机的典型应用部位如图1所示。 20世纪80年代，法国Snecma公司将陶瓷基复合材料喷管调节片/密封片应用在M53-2发动机上进行350小时的整机试验考核，并在幻影2000战斗机上进行实战测试飞行，20世纪90年代，Snecma公司先后将C/SiC和SiC/SiC陶瓷基复合材料分别在推重比更高的M88-2发动机尾喷口的外调节片和内调节片上进行试车考核，从1996年开始，C/SiC陶瓷基复合材料外调节片已经在M88系列发动机上使用，目前服役的C/SiC外调节片情况良好，能够满足发动机长期使用要求。 GE、罗罗等公司也围绕航空发动机高性能CMC材料及部件开展了大量研究。GE公司将陶瓷基复合材料应用于F414涡扇发动机和民用GEnx发动机的涡轮外环、尾喷管、燃烧室火焰筒、涡轮静叶等热端部件。2009年，该公司研制的SiCf/SiC复合材料低压导向叶片在F136发动机上完成验证，并于2010年完成首飞。罗罗公司采用CVI+MI连用工艺制备SiC/SiC陶瓷基复合材料密封片，并计划在2025年前后将喷管、涡轮外环整环部件等应用于发动机。此外，罗罗公司的“超扇”（UltraFan）发动机将采用耐高温的陶瓷基复合材料部件以提高燃烧效率。 表1 陶瓷基复合材料在国外航空发动机上的应用及验证情况 典型缺陷/损伤类型与特征 陶瓷基复合材料优异的抗氧化和耐高温性能，使其成为先进航空发动机耐高温关键部件的理想材料。但陶瓷基复合材料复杂的制备工艺及极端恶劣的工况会导致其出现各类缺陷/损伤，缺陷/损伤的出现、累积和扩展会显著降低陶瓷基复合材料的综合性能。因此，明确陶瓷基复合材料典型缺陷/损伤的特征是陶瓷基复合材料高效无损检测与评估的基础和前提。 1制造缺陷 2加工与服役损伤 缺陷是指材料在连续性、纯洁度和均匀性方面存在的先天不足，而损伤一般表示外部载荷或环境引起的材料几何结构改变或性能退化。对于陶瓷基复合材料，其典型损伤可分为加工损伤和服役损伤两大类，其中，加工损伤一般是材料或构件制备完成后，后续机械加工和装配过程中引入的损伤。 加工损伤与机械加工工艺、装配流程等密切有关，主要包括工具坠落冲击、制孔损伤和装配损伤等，损伤尺寸一般在几百微米到毫米量级，典型的冲击损伤宏观形貌及损伤区超声C扫描图像如图3所示。 无损表征技术研究进展 与陶瓷基复合材料研发和应用几乎同步，国内外关于陶瓷基复合材料无损表征的研究工作可追溯到上世纪末，最初主要聚焦于检测方法的可行性分析、理论计算及实验室试验验证等探索性工作。 1射线检测技术 目前，应用于无损表征领域的射线检测技术主要包括胶片成像、数字射线成像技术（DR）及最新的计算机层析成像技术（CT）等。 传统的胶片成像技术由于胶片处理复杂、曝光场地限制，存在废液和排污处理等问题，已经逐渐被DR技术所取代。 DR技术采用数字探测器代替感光胶片，具有可实时成像、检测效率高、成本低等优势，是目前陶瓷基复合材料检测最为常用的方法之一，但受限于入射角度的限制，DR技术对垂直于射线入射方向的裂纹和分层等面积型缺陷不敏感，检测效果较差。 2超声检测技术 超声检测技术具有灵敏度高、检测速度快、成本低和对人体无害等优点，已成为航空工业中应用最为广泛的无损检测技术之一。 超声波在非均匀介质中传播时，超声波场与异质界面、增强相和孔隙等散射体相互作用会引起声波的反射、折射和散射，回波信号中携带了大量反映材料密度、组分含量、微观结构等特征信息。利用时域、频域及时频域等信号处理技术提取声速、声衰减、频谱质心偏移、背散射系数等超声特征参量，通过分析这些参量的变化即可实现材料特性的无损表征。 国内外报道了超声检测技术在陶瓷基复合材料检测方面的最新进展，研究工作涉及常规超声、相控阵超声、声-超声和激光超声等。 孙开广等制备了预埋人工缺陷的C/SiC陶瓷基复合材料试样，利用自主研制的激光激励、激光探测的全光学激光超声无损检测系统进行试验研究，实现了陶瓷基复合材料分层检测。C/SiC陶瓷基复合材料人工缺陷及其激光超声C扫描图像如图7所示，激光超声检测技术可以有效表征C/SiC复合材料内部直径5 mm以上的分层。但超声检测也存在非均质材料衰减大、信噪比低、存在表面检测盲区及对小尺寸的缺陷检测灵敏度不高等局限性。 3红外检测技术 红外热成像技术主要利用不同材料热辐射特性的差异，通过热成像系统观测温度场异常分布来识别物体的内部缺陷。该技术主要用于大型构件的全场实时检测，检测速度是常规超声C扫描的30倍以上，具有操作简单、检测结果直观和便于原位检测等特点。 4太赫兹检测技术 5计算机辅助智能检测技术 存在的问题与挑战 综上所述，近年来关于陶瓷基复合材料缺陷/损伤的无损表征研究已取得了丰硕的研究成果，射线、超声、红外热成像、太赫兹及声发射等无损检测技术均有所应用，但在方法适用性、缺陷/损伤可检性和工程可用性等方面依然存在诸多技术问题和挑战亟需解决。 1方法适用性： 制备工艺复杂和多相复合的特点，导致陶瓷基复合材料缺陷/损伤表现出较强的随机和多样性，而对于不同的无损表征方法，用于缺陷/损伤判别和定量的信号处理方法和表征效果也有很大差异。 例如，超声检测技术对面积型缺陷/损伤较为敏感，适用于裂纹、分层和脱粘等缺陷/损伤的表征，射线检测技术对孔洞、夹杂等体积型缺陷具有较好的检测效果，红外方法对厚度较薄的陶瓷基复合材料中表面和近表面缺陷/损伤具有一定的适用性，太赫兹检测技术则主要适用于SiC/SiC等非极性陶瓷基复合材料。 此外，同一表征方法检测参数和工艺的适用性也亟待细化，进一步提高方法的精度和鲁棒性。 因此，后续工作需要综合考虑制备工艺、缺陷类型等因素，针对性地选择适合的表征方法和检测工艺，开展充分的方法适用性研究和试验验证。 2缺陷/损伤可检性： 陶瓷基复合材料中多种缺陷/损伤并存，且在外界环境和载荷作用下会进一步转化、演变和扩展，因此，实现缺陷/损伤在全寿命周期时间历程内的跟踪记录对陶瓷基复合材料基础研究具有重要意义。 通过前述分析可知，单一的无损表征技术难以实现多类型缺陷/损伤的全覆盖检测，应着力发展多种检测技术相结合的一体化表征系统，实现多类型缺陷的同步跟踪表征。 此外，陶瓷基复合材料的缺陷/损伤具有明显的多尺度特征，孔隙和微裂纹的尺寸一般在几十微米量级，而孔洞和分层的尺寸通常可达几毫米至几十毫米。 因此，在检测过程中不应偏执于追求检测精度和灵敏度，而是根据实际需求和检测要求有所侧重。 3工程可用性： 目前，现有陶瓷基复合材料无损表征研究主要以实验室环境下的方法探索和试验验证为主，在工程化应用方面的研究还面临较大的挑战。 在产品制造阶段，应着力解决产品缺陷/损伤的质量符合性问题，通常需要结合不同热端部件对陶瓷基复合材料的质量要求和缺陷检出要求，开展针对性的试验规划与工程验证，制订相关的缺陷/损伤检测标准和工艺流程。 在外场服役和运营阶段，应充分考虑环境、检测窗口、经济性等多重因素，根据损伤容限设计准则和前期积累的试验数据确定合理的检测间隔和检测手段，在保证结构安全的前提下进一步缩短检测时间，降低制造和运营成本。 未来发展趋势 尽管国内科研院所开展了陶瓷基复合材料及构件制造工艺和典型缺陷研究，但是更注重成型材料及构件的无损检测和质量检验，对陶瓷基复合材料及构件在制造工艺过程中的缺陷类型特征、跨尺度、多样性和遗传性、形成演变机理并不清楚。 因此，如何深入研究缺陷对材料力学性能的影响规律，建立陶瓷基复合材料工艺-缺陷-性能的映射关系，形成陶瓷基复合材料及构件缺陷/损伤图谱，是未来陶瓷基复合材料无损表征技术的优先发展方向。 在CVI、PIP、RMI等不同的制造工艺下，具有不同的沉积和致密化时间，陶瓷基复合材料及构件的预制体、界面相、纤维束和基体内部等会呈现孔洞、夹杂、裂纹、分层、密度不均等不同缺陷类型和特征，影响材料及构件制造质量和服役性能。 然而，由于缺陷识别判据、无损检测工艺标准和合格判据的缺少，当前无损检测主要针对陶瓷基复合材料与成品件开展微焦点或工业CT无损检测，存在数据量大、成本高，而且细微观缺陷的影响尚无法评估等问题。 此外，由于缺陷/损伤图谱与统计数据不足，缺陷智能识别与评价技术尚未建立，未能有效解决人工识别缺陷效率低、可靠性差的问题。 因此，如何明确缺陷/损伤检测阈值、建立适用于陶瓷基复合材料制备质量控制和服役损伤的特征谱系，建立基于人工智能的缺陷/损伤无损检测判据和规范的无损检测工艺流程与评判标准，是陶瓷基复合材料无损表征技术未来重要的发展方向。 航空发动机热端部件承受着严酷的载荷环境，同时要求长寿命高可靠安全服役，开展陶瓷基复合材料及构件模拟服役环境试验，并借助于在线检测和表征技术明确缺陷/损伤演化规律，揭示不同条件下的失效机理，能够确保热端构件的综合性能和安全性。 但是，由于国内航空发动机陶瓷基复合材料研究起步晚，考核评价方法与应用程度落后，在陶瓷基复合材料及构件的模拟服役环境试验考核与缺陷/损伤状态在线表征技术研究相对较少，难以充分捕获模拟服役环境下陶瓷基复合缺陷/损伤演化规律，揭示失效机理，成为陶瓷基复合材料及构件多尺度性能评估精度和适用性的瓶颈。 因此，积极发展陶瓷基复合材料及构件的模拟服役环境试验与缺陷/损伤状态在线无损表征技术能力，揭示陶瓷基复合材料及构件缺陷/损伤演化规律与失效机理，是陶瓷基复合材料无损表征技术的重要补充。 从缺陷/损伤成因、种类的角度来看，陶瓷基复合材料的典型缺陷主要包括制造缺陷、加工损伤和服役损伤，具体而言，主要包括孔隙、孔洞、夹杂、裂纹和分层等五类，且不同的缺陷/损伤具有显著不同的物理特征和尺度。 不同的无损表征技术对不同类型和尺度缺陷的敏感程度和检出能力不同，需要根据制备工艺、服役环境和关注的缺陷/损伤类型，研究和采用针对性的检测方法。 总体而言，射线、超声、红外和太赫兹检测技术仍然是目前研究的热点，同时，电阻抗、声发射、人工智能及机器视觉等新技术也受到广泛关注。 从无损检测方法适用性、缺陷/损伤可检性和工程可用性的角度看，缺陷/损伤判定准则不明确、相关检测标准和专用检测设备缺失是陶瓷基复合材料无损表征技术发展面临的主要问题和挑战。 采用单一的无损检测技术难以实现陶瓷基复合材料全寿命周期内缺陷/损伤的可靠、高效表征和追踪，探索和发展多种检测技术相结合的一体化表征技术体系，实现多类型缺陷的同步跟踪表征，是未来陶瓷基复合材料无损表征技术的重要发展方向。 来源：《航空工程进展》 作者：樊俊铃，张伟，宁宁，詹绍正，杨鹏飞，贾文博 作者单位：中国飞机强度研究所 强度与结构完整性全国重点实验室 文献网址： http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1479.V.20230718.0948.004.html
