【行业动态】投入超过15亿美元，新材料在GE航空发动机上应用提升

导读：在过去十年中，GE公司已经花费了超过15亿美元在陶瓷基复合材料的应用和批产攻关上，期望在以后进一步扩大新材料在航空发动机上的应用。

你可以把它认为是拿全部家当做筹码的豪赌。但是，当美国通用电气GE航空事业部的官员谈论对新技术的大量投资时，他们更喜欢将其称之为一种经过考量且有必要的风险。

据GE公司统计，在过去十年中，它已经花费了超过15亿美元，将一系列用陶瓷材料制成的航空零部件投入市场。

它必须快速交付成果，因为近2年来，它与法国赛峰集团合作的LEAP系列商用发动机已经开始陆续的进入市场服役，自家的GE 9X发动机也正在进行测试，即将在2018年获得适航认证，因此GE航空希望确保这些新技术能够更多的应用在这些航空发动机上，带来效益。

CMC材料制成的涡轮导叶

由陶瓷基复合材料（CMC，ceramic matrix composites）制成的航空发动机零部件重量只有金属合金制成件重量的三分之一。它们允许燃气轮机和航空发动机运行在更高的温度，因为它们更耐高温，这使得装配这些新材料部件的发动机效率更高，并有助于降低飞机的整体重量。

俄亥俄埃汶代尔(Evendale)的CMC Fastworks实验室经理Chris Connor表示：“如果您从历史的角度看，将新材料系统的引入航空发动机需要很长的时间，大约是10~20年。而我们做这件事已经好几年了，我们希望在未来，陶瓷矩阵复合材料能更多的应用在现有型号和新型号上。”

如果GE公司在这些新材料技术上能够真正的突破，飞机制造商将愿意提供数十亿美金的订单，因为航空公司对提高燃料效率非常渴望，即使是在油价较为低迷的今天。截至2017年3月底，GE航空及合资伙伴已经售出了超过12,200台LEAP发动机，这些发动机都带有由陶瓷基复合材料制成的零部件。

GE公司对航空事业部的研究非常重视，在所有的GE事业部和子公司中，航空占公司研发支出的最大份额，2015年达到了近53亿美元。

材料科学家也认为，陶瓷基复合材料仍处于产品应用的初期阶段，但前景非常光明。

GE公司官员和地方经济发展组织表示，大辛辛那提已经成为GE公司发展新技术的最大收益者。GE航空官员表示，到2020年，GE公司将在这10年间总共投入5亿美元。

埃汶代尔市长Dick Finan说：“这对住在这里的人来说，意味着稳定的工作和收入。”

推进新材料应用的漫长征程

GE于1986年获得了陶瓷基复合材料的第一项专利。30年后，GE和其他航空公司的科学家们正在努力了解如何以经济可行的成本大量的批产合格材料，以替代目前广泛使用的镍基合金。

加利福尼亚大学洛杉矶分校材料学科教授杨永明表示：“GE一直非常坚持投资内部资源以推动CMC技术的应用。最初，他们试图在用于发电的燃气轮机中使用CMC，我认为他们已经建立了足够的能力和经验，具备条件将其真正的应用在批产航空发动机上。”

其实，该公司并非在一夜之间做出研发陶瓷复合材料的决策。阿克伦大学教授格雷戈里-莫斯克（Gregory Morscher）表示，GE航空公司已经花了数年时间说服其员工和市场，让他们了解新材料技术可提供长期的成本节约和潜在利益。

Morscher表示：“说服内部的战斗比说服外部市场还难，作为一家百年企业有很多惯性定势在里面。”

杨说，生产新材料最大的挑战之一就是成本：制造陶瓷材料是一个劳动密集型，高度专业化的过程。它需要加工碳化硅纤维和陶瓷树脂，随后加入专有涂层以满足航空发动机的需求。有时甚至需要将新材料直接塑造成航空发动机内部某一零部件的外形。

杨教授表示，如果供需增加，这将有助于降低价格。同时，GE已经投资来建立一个基于美国国内的供应链，以获得未来航空发动机所需材料。在与日本材料生产商合资的情况下，它选择了北卡罗来纳州来建立可以大批量制造陶瓷基复合材料的工厂，同时在埃汶代尔建立了一个研究实验室，并计划在阿拉巴马州建立工厂，为新型航空发动机部件制造新材料零部件。

但是，拥有足够的材料供应只是整个战斗的一部分。

在服役航空发动机内成千上万的组件中，迄今为止，只有少数几个组件使用了陶瓷基复合材料，但埃汶代尔和其它地方进行的研究可能会改变这一状况。GE表示，预计未来10年陶瓷基复合材料的需求将增长10倍。

GE期望将新材料推广到航发其它零部件

由GE航空和合资伙伴制造的LEAP系列发动机已经是首个在真实商业环境中使用陶瓷基复合材料的产品。

在CFM国际公司的LEAP商用发动机中，引导空气用的高压涡轮罩环就是由陶瓷基复合材料制成，而每个发动机有18个罩环。

位于西切斯特的CFM国际公司是GE航空公司和法国赛峰的合资企业，已经售出了超过12,200台LEAP发动机。该系列发动机为空客A320neo，波音737 Max和中国商飞C919客机提供动力。

此外，波音777X客机引擎GE 9X发动机的订单也超过700台，该发动机正处于全面测试阶段，预计在2020年末进入航空公司服役。GE 9X发动机在燃烧室和高压涡轮部分使用了陶瓷基体复合材料部件。

阿克伦市(美国俄亥俄州东北部一工业城市)的Morscher领导的一个研究小组获得了如GE和普惠等发动机制造商的资助。Morscher表示，GE在提升新材料技术进步方面处于领先地位。作为一名科学家，他表示很高兴看到那些从事新材料实际应用的公司。他还透露，很多公司正在大力招聘那些具有陶瓷基体复合材料工作经验的应届毕业生。

GE航空在埃汶代尔拥有大约6500名员工，在大辛辛那提有7500名员工，在俄亥俄州和北肯塔基州有超过9000名员工。GE发言人Rick Kennedy表示，该公司的计划就是在未来几年保持工作岗位稳定。

到2020年，埃汶代尔的投资将帮助GE航空公司更有效地利用水电等资源，改善园区的数字化基础设施，并使工作人员更容易从“绘图到工厂车间”，同时也对一些老旧设施进行拆除，并新建厂房。

占地450英亩的埃汶代尔园区是GE航空工程，行政，研发发动机测试和发动机组装操作的中心。该设置的制造历史比埃汶代尔市更久远，可追溯到75年，莱特航空公司在二战期间购买了140英亩的土地来开发活塞发动机。在该设施归属GE公司之前，工人已经在此帮助波音在第二次世界大战期间，制造了大量的B-17和B-29型轰炸机引擎。

在这里，包含CMC Fastworks实验室在内的700号建筑是世界上最大的单层建筑。

在75号州际公路建成之前，GE公司曾要求当地政府建设两英里的道路，使工人更容易进出园区。在20世纪80年代，GE公司在埃汶代尔雇用人数曾达到了2万多人。

埃汶代尔工厂经理Tim Meyers表示：“这是非常有纪念意义的历史。”