图1：管理发动机热区的热量。Composites Horizons（美国加利福尼亚州科维纳）为通用电气航空公司（美国俄亥俄州辛辛那提）开发的Passport 20喷气发动机制造Ox - Ox CMC混合器（最右边）、中心体和整流罩部件。

  图2：专注于高温复合材料。自1974年成立以来，Composite Horizons一直是高温材料的先驱，它将整个3252平方米的建筑奉献给CMC组件制造。

  图3：双重挑战：热量和形状。GE Passport 20发动机，展示了其金属外旁通管（a）和Ox-Ox CMC部件：堆芯整流罩（b）、混合器（c）和中心体（d）。

  步骤1：金属模具经过特殊脱模处理后，按照指定的铺层计划将切割图案手工铺在模具上。图中显示了在多件式模具中放置混合器。

  步骤2：将完成的叠层真空装袋，将零件转移到热压罐中，在高温度高压力下固化。图为真空管线安装过程中打开的热压罐。

  步骤3：固化后，取出真空袋和填缝片，将零件脱模，然后转移到烧结炉中。热压罐固化的混合器部件（顶部两个搁板）和堆芯整流罩部分（底部搁板）显示为装载在熔炉的可移动地板上。装载的地板滑入熔炉后，门（如左图所示）关闭，使熔炉达到高温。

  步骤4：将零件从烧结炉中取出并冷却后，在Fooke五轴数控铣床上来加工。这张照片显示了一个正在进行机械加工的中心体。

  步骤5：质量控制检查包括使用罗默坐标测量机进行表面测量。照片显示搅拌机正在进行测量。

  步骤6：此时，零件将进行无损检测。图为NDI中的混合器。在这张照片中，混合器看起来是黑色的，因为在激光IR检查之前，每个CMC部件都经过临时无反射涂层处理，以提高热成像图像的质量。

  步骤7：在固化、机加工和检查之后，将金属零件和陶瓷部件连接起来，然后将成品零件包装在CMC专用大楼内的装配区，以便装运给通用电气。

  飞机发动机制造商多年来一直在研究外来材料，以应对乘客、监管和成本压力，这些材料可能会降低商用客机的发动机噪音、排放和比油耗（衡量发动机设计在推力输出方面的效率，主要与质量或重量有关）。为此，他们仔细研究了超耐热材料，这些材料在飞机发动机预期寿命和各种条件下产生的极端温度（~1093°C）下显示出可靠性能的潜力。

  位于美国加利福尼亚州科维纳的Composites Horizons LLC（CHI）是一家高温材料先驱，于2010年赢得了通用电气航空公司的一份竞争非常激烈的合同，为通用电气新获得FAA认证的Passport 20发动机制造CMC混合器、中心体与发动机核心整流罩组件，该发动机将用于庞巴迪（加拿大魁北克省蒙特利尔市）的远程公务机Global 7000和Global 8000，和来自其他原始设备制造商的类似型号。截至2017年底，CHI已经根据通用电气的合同生产了300多个陶瓷部件。

  CHI于2016年被伯克希尔哈撒韦集团旗下的Precision Castparts（美国俄勒冈州波特兰市）收购，自1974年在加利福尼亚州科维纳成立以来，一直专注于高温复合材料。它始于可用的高温有机聚合物。CHI总裁兼首席执行官Jeff Hynes表示：“我们是20世纪70年代末和80年代初聚酰亚胺复合材料的早期创新者之一，并与发动机和飞机制造商合作开发了所有关键的聚酰亚胺材料。”。但这些也有其局限性。“我们在有机世界之外的无机陶瓷中研究和追求更高温度材料的动力，是我们的发动机客户对有机复合材料所能达到的更高温度领域的持续兴趣。因此，我们的整个业务都真正专注于高温材料。”

  凭借其高温经验，以及航空航天和工业市场对热区材料高度珍视的特性日渐增长的明确需求，CHI做出了全面投资CMC技术的战略决策。然而，“你不能简单地把这些材料放在聚合物基复合材料（PMC-polymer-matrix composite）切割机上，或者放在PMC铺层室里，”海恩斯解释道，“你会有污染问题。”

  此外，在波音公司（美国伊利诺伊州芝加哥）航天飞机项目工作了32年的Bill Roberts被任命为陶瓷运营副总裁。

  如前所述，CMC的一个重要特征是它可承受非常热的发动机与发动机非常热的排气。这在该应用中是一个显著的优势，因为当喷气发动机在高温下运行时，它通常会排放更少的二氧化碳（CO2）和氮氧化物（NOx-nitrogen oxide ），从而推动航空业朝着一个通常难以捉摸但重要的目标发展。

  CMC的另一个优点是，与耐高温性较差的PMC一样，它是灵活的，能形成非常小的半径——例如，发动机混合器的小半径和复杂形状。Hynes指出，这与为这种或类似复杂的零件形成柔性较低的金属时所经历的困难形成了鲜明对比。

  混合器用于中小型飞机发动机，以改善热核心发动机排气与较冷旁通空气（由绕过核心发动机的发动机风扇驱动的空气）的混合。CMC混合器能轻松实现光滑、紧密的形状，有助于更有效地混合旁通空气和排气。这些气流混合得越有效，比油耗就越好。这提高了发动机效率并降低了发动机噪音。

  海恩斯说：“出于同样的原因，CMC也比焊接钛更好地抵抗声疲劳（振动）。”特别是在混合器等设计中。Hynes解释说，弯曲或形成半径非常小的金属往往会出现疲劳失效，但CMC要宽容和耐用得多。

  罗伯茨补充道，CMC“可以让你构建具有奇异几何形状的多种形状，而不可能会产生焊接接头的疲劳风险。”

  另外，CMC有助于减轻发动机结构的重量。Hynes说：“氧化物陶瓷的密度大约是镍合金的三分之一，具有类似甚至更高的温度性能。”。“因此，使用CMC可以明显降低发动机结构的整体质量。”

  通用电气航空公司在美国阿拉巴马州亨茨维尔有一个单独的工厂，通过与赛峰航空发动机公司（法国Courcouronnes）的合资企业，生产碳化硅（SiC）CMC材料，用来制造LEAP和其他发动机的涡轮护罩、喷嘴和其他“超热区”零件。然而，为了控制成本，通用电气为Passport 20选择了不同的CMC。CHI销售和营销副总裁Tim Shumate解释道：“SiC/SiC是一种更昂贵的材料，Passport 20排气部件的温度要求并不代表需要SiC/SiC提供更高的温度能力。”。

  对于混合器、中心体和堆芯整流罩的CMC部件，GE使用氧化铝纤维和氧化铝基质设计了CMC预浸料坯材料，称为Ox/Ox-CMC，随后使预浸料料坯适用于Passport 20以及许多军事应用。预浸料由Axiom Materials股份有限公司（美国加利福尼亚州圣安娜）按照通用电气的规范生产。Axiom使用3M Advanced Materials（美国明尼苏达州圣保罗市）生产的3M Nextel 720连续丝陶瓷氧化物纤维为GE编织织物。然后用氧化铝基质预浸渍编织织物。

  陶瓷基质是氧化铝和其他填料和材料的浆料。当基质在热压罐中加热然后烧结时，纤维和基质融合在一起。该工艺不同于标准PMCs，在标准PMCs中，两种非常不同的有机材料，如碳纤维和环氧热固性树脂，被结合并热成型为新的分子结构。Hynes解释说，Ox-Ox-CMC材料中的纤维和基质有很相似的化学结构，来源于粉末和各种其他混合物。当这些材料被烧结和硬化时，它们的化学成分保持不变。

  海恩斯说，这些部件的设计载荷来自发动机核心气流和外部气流的空气载荷，主要是压力载荷，而不是拉伸或压缩载荷。与碳纤维或玻璃纤维一样，氧化物纤维可以在叠层中定向，以实现准各向同性结构。

  对于Passport 20发动机，CHI的Ox Ox CMC部件包括混合器、排气中心体与发动机核心整流罩。混合器和中心体都是发动机喷嘴的一部分。为此，Axiom多轴预浸料织物在Gerber自动平板数控切割机上切割成预先设计的图案。Ox-Ox CMC预浸料使用具有挥发性灰点的溶剂，因此在使用前必须冷藏。因此，它们在室温下的累计外出时间有限，需要严格的控制程序。

  精密切割的图案是手工放置在定制的金属模具上，之前经过特殊的脱模处理。叠层由Gerber子公司Virtek Vision International提供的激光投影系统辅助。模具由通用电气或CHI的前所有者AIP Aerospace（组件是生产美国加利福尼亚州圣安娜提供。）

  混合器是最复杂的组件，直径965毫米，长610毫米。混合器是在一个多段金属工具中成型的，该工具被组装用于叠层，然后在热压罐固化后被拆卸，以使工具能够安全地从零件上移除。叠层后，使用来自Airtech International股份有限公司（Huntington Beach，CA，US）的尼龙袋将该部件真空装袋，并在热压罐中在高温和高压下固化（细节未公开），然后在烧结前脱模。因为热压罐循环使陶瓷处于绿色状态——即压实但未完全固化——海恩斯解释道，“在烧结炉中完全硬化之前，我们一定要非常小心地对这个复杂的零件进行脱模。”

  发动机排气中心体是一个直径约460 mm（前端）、高610 mm的锥形结构。它安装在混合器内部，并突出到混合器后缘的后部。对于这一部分，切割图案被手工放入凹模（female）中，并用一块由未公开材料制造成的垫板覆盖，以施加和均衡压力。然后，在进入烧结循环之前，它也被真空装袋、热压罐固化和脱模。

  核心整流罩由四个部分所组成，每个部分长约1.52米，弯曲形成一个包围发动机核心的圆柱体。这些零件也被放置在单面凹模中，上面覆盖着隔板和真空袋装。它们也在烧结炉中进行热压罐固化、脱模和精加工。

  在每种情况下，固化的零件在脱模后被转移到烧结炉中。定制设计的熔炉采用计算机控制的可移动地板，这种设计可保护工人不必进入熔炉。零件装载后，地板启动，自动在熔炉下方滑动，然后提升到位。在装载的地板设置在熔炉内后，隔热门关闭，熔炉达到工作时候的温度。当熔炉温度达到1093°C时，陶瓷基体熔化，残留的有机材料燃烧殆尽。

  将零件从烧结炉中取出并冷却后，将其转移到Fooke GmbH（德国博肯）的5轴数控铣床上，使用专门设计的切削工具对沉孔进行铣削、研磨和钻孔。

  下一步是质量控制：首先测量外表面，使用Hexagon Metrology股份有限公司（Cobham，Surrey，UK）的Romer CMM（坐标测量机）确认表面尺寸和形状。接下来，他们在现场接受无损害检验测试（NDI），使用红外灰热成像设备。自动检查系统包括一个机器人和各种其他铰接设备，使前视红外相机（FLIR- forward-looking infrared camera）能够在复杂零件上保持直接的视线%表面，以检测孔隙率和分层。在灰热成像中，热源，如短暂的光脉冲，用于加热样品表面，同时红外相机记录表面温度的变化。当样品冷却时，其表面温度会受到内部缺陷的影响，包括阻碍热量流入样品的脱胶、孔隙或夹杂物。

  最后，用机械紧固件组装金属零件和陶瓷零件，然后将成品包装装运给GE，由GE进行最终组装。

  Hynes指出，发动机零件的紧固件技术是知识产权，通常受到原始设备制造商的密切保护，因为发动机组件中材料的热膨胀系数（CTE-thermal expansion ）不同。尽管氧化物CMC在操作中能抵抗高温，但其CTE与铝的CTE相似。因此，附着在镍合金上的氧化物成分之间的热失配是一个重要的设计考虑因素。

  2015年，随着通用电气合同的顺利签订，CHI同时开始开发自己的Ox-Ox CMC基质材料，命名为AXC-610和AXC-720。海恩斯表示，CHI目前正在将这些材料用于另外两个应用：一个用于航空航天，另一个用于工业应用。

  Hynes进一步解释说，“为了寻找行业标准陶瓷织物形式的低成本替代品，CHI开始与Nextel纤维供应商3M Advanced Materials和预浸料供应商Axiom Materials合作，使用AXC氧化物基质测试几种氧化物织物。”

  大多数Ox-Ox-CMC工作都是使用非常细（且昂贵）的1500旦尼尔（denier）纱线M能够给大家提供更高旦尼尔的纱线旦尼尔），增加丝束中的细丝数量，同时保持相同的单个细丝直径。这在纤维生产中产生了显著的成本优势，可以将其传递给供应链和零件制造商。罗伯茨澄清道：“这是同一种纤维，但丝束更大，降低了制造成本。”

  但是，强烈建议在选择比较适合特定应用的成本最低的CMC织物时，仔细考虑零件轮廓和叠层特性。例如，使用高达3000旦尼尔的预浸料坯已经实现了紧密的轮廓，但不建议使用4500旦尼尔的纱线。但更温和的几何形状可能和更高的旦数。

  两篇论文报告了这些调查的结果。3M、Axiom和CHI于2015年6月在加拿大安大略省多伦多举行的美国陶瓷学会会议上发表了第一份报告，题为“氧化物-氧化物陶瓷基复合材料——使行业广泛采用”。另一份报告于2017年1月在美国佛罗里达州可口海滩举行的美国高级陶瓷协会会议上发表，讨论了“使用氧化物CMC进行设计：了解新面料设计中的性价比关系。”

  Hynes说，该项目使用成本较低的织物形式，成功地展示了与更昂贵的行业标准陶瓷织物形式相当的机械性能，最高温度为1177°C。除了机织物外，还能制作Ox Ox CMC丝束、胶带或短切纤维。这种成本较低、旦数较高的Ox-Ox-CMC材料的市场包括高性能航空航天应用，以及工业、能源，可能还有高端汽车应用。

  陶瓷基复合材料为一些人认为的飞机发动机的颠覆性进步做出了巨大贡献，这是向集成先进材料和技术的集成推进系统（包括通用电气创新的碳纤维复合材料风扇壳）转变的游戏规则。其结果是比油耗降低了8%，振动和噪音降低，排放量显著减少，并具有长期性能。