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        TC11合金燃燒特性初步研究

        2012-05-07 03:11:56偉,王標(biāo)
        燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究 2012年3期
        關(guān)鍵詞:試片液滴鈦合金

        田 偉,王 標(biāo)

        (中國燃?xì)鉁u輪研究院,四川 成都 610500)

        1 引言

        鈦合金具有比強(qiáng)度高、熱強(qiáng)性好、耐蝕性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)中。但鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)低,氧化熱焓大,在發(fā)動機(jī)工況溫度、氣流速度、壓力和摩擦作用下,容易自發(fā)燃燒而產(chǎn)生鈦火。鈦合金一旦燃燒,便迅速蔓延,對其它零部件甚至整臺發(fā)動機(jī)產(chǎn)生嚴(yán)重?zé)龘p。據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,發(fā)動機(jī)中的鈦火主要由高壓壓氣機(jī)鈦合金轉(zhuǎn)、靜子碰磨引起。鈦合金碰磨時產(chǎn)生大量的高溫磨屑,磨屑的比表面積大且缺少氧化膜阻氧,在高溫、高壓氣流中容易燃燒(飛濺的火花),而燃燒磨屑堆積在鈦合金零件表面又會將其引燃。另外,鈦合金燃燒時的熔融金屬,也會通過氣流傳播粘附到其它零件表面而引發(fā)燃燒。正是由于燃燒液滴的傳播,使得鈦火發(fā)生過程非常迅速,燒損程度特別嚴(yán)重。

        鑒于鈦火的巨大危害,國外對鈦合金燃燒特性開展了系統(tǒng)、深入的理論分析和試驗(yàn)研究,為航空發(fā)動機(jī)安全、合理選用鈦合金和切實(shí)有效采取鈦火防治措施提供了指導(dǎo)。美國利用激光點(diǎn)火試驗(yàn)平臺,在模擬發(fā)動機(jī)工況條件下評價了54種常用鈦合金的燃燒特性[1]。俄羅斯研究了航空發(fā)動機(jī)用鈦合金發(fā)生啟燃的臨界溫度與壓力[2]。目前,美、英、俄等國的防鈦火技術(shù)已取得重大突破,鈦火事故鮮有發(fā)生,并根據(jù)溫度、壓力對鈦合金啟燃的影響規(guī)律,在民航適航性標(biāo)準(zhǔn)中嚴(yán)格規(guī)定了鈦合金零部件的使用條件。俄羅斯民航試航性標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定,高壓壓氣機(jī)鈦合金零件工作溫度上限為:轉(zhuǎn)子葉片500℃、靜子葉片330℃、機(jī)匣及封嚴(yán)環(huán)330℃、篦齒環(huán)300℃。英國民航適航性標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定,鈦合金靜子葉片的高度不得小于150 mm,另外對環(huán)境壓力、流速等也做了嚴(yán)格要求。

        我國對鈦合金燃燒特性的研究尚處于起步階段。TC11合金是目前我國航空發(fā)動機(jī)中應(yīng)用數(shù)量最多的鈦合金,其綜合力學(xué)性能良好,生產(chǎn)工藝穩(wěn)定,可用于制造500℃以下長期工作的壓氣機(jī)盤、葉片等零部件[3,4]。考慮燃燒液滴對引發(fā)和傳播鈦火的重要作用,本文利用液滴引燃法初步研究TC11合金的燃燒特性。

        2 試驗(yàn)方法

        試驗(yàn)原材料為TC11合金棒材,利用線切割加工成127mm×25mm×2mm的薄板。TC11合金成分見表1[5]。

        TC11合金的燃燒特性試驗(yàn)在液滴法鈦火試驗(yàn)臺上進(jìn)行,測試試片在不同預(yù)熱溫度和氧氣含量下的引燃及燒蝕情況。試驗(yàn)原理如圖1所示。

        燃燒試驗(yàn)后,利用X射線衍射(XRD)儀檢測TC11合金燒蝕表面的相成分,利用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察燒蝕截面上的微觀組織,并利用能譜儀分析燒蝕區(qū)域的化學(xué)成分。

        3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

        3.1 TC11合金引燃過程

        圖1示出了熔融TA1液滴引燃TC11合金試片的主要過程。首先,TA1金屬絲被高溫等離子弧熔化后滴落在已加熱TC11試片表面,此時液滴溫度接近其熔點(diǎn)溫度(1640~1670℃),如圖2(a)所示。隨后,向TA1液滴吹送一定流量的壓縮空氣和氧氣的混合氣,熔融液滴在氧氣作用下表面發(fā)生氧化反應(yīng),當(dāng)反應(yīng)生熱量大于散熱量時,氧化反應(yīng)加速,液滴開始燃燒,并將TC11試片引燃。TC11合金開始燃燒時發(fā)出耀眼白光,并噴射出大量火花,說明此時燃燒溫度很高,反應(yīng)劇烈,如圖2(b)所示。穩(wěn)定燃燒時光線很強(qiáng),但少有火花飛濺并不時產(chǎn)生爆燃,如圖2(c)所示。隨著燃燒的進(jìn)行,試片中心區(qū)域被燒穿,燒蝕孔洞迅速擴(kuò)大,直至燃燒前沿?cái)U(kuò)散到壓縮空氣與氧氣的作用區(qū)域外,火焰才逐漸熄滅,如圖2(d)所示。

        表1 TC11合金化學(xué)成分 %Table 1 The chemical composition of titanium alloy TC11 in wt

        圖1 TC11合金液滴引燃試驗(yàn)示意圖Fig.1 Sketch illustration of test of ignition TC11 by TA1 droplet

        燃燒前鈦合金表面存在一層致密的氧化膜,阻礙了氧氣進(jìn)入,需要較高溫度才能起火燃燒;啟燃階段,鈦合金氧化反應(yīng)非常劇烈,燃燒溫度很高(約3727℃),超過了 Ti和TiO2的沸點(diǎn)(分別為 3260±20℃和2500~3000℃),大量蒸氣從燃燒表面噴射出來,火花飛濺;隨著Ti和TiO2的氣化,燃燒溫度有所降低,穩(wěn)定燃燒時溫度維持在2930℃左右,燃燒劇烈程度較啟燃階段略有降低。這與Clark的試驗(yàn)結(jié)果一致[6]。

        3.2 溫度和氧氣含量對啟燃的影響

        多次試驗(yàn)結(jié)果表明,TC11試片能否被熔融TA1液滴引燃,受試片溫度、氧氣含量、氣流溫度和液滴溫度等多種因素影響,其中試片溫度和氧氣含量為主因。圖3給出了TC11合金在不同溫度和氧氣含量下22次試驗(yàn)的引燃情況。

        圖2 熔融的TA1液滴引燃TC11合金試片的試驗(yàn)過程Fig.2 The process of combustion of TC11 Alloy ignited by TA1 droplet

        為便于分析,近似認(rèn)為混合氣體達(dá)到試片表面處的壓力為101.325 kPa,并將混合氣體中的氧氣含量換算成氧氣分壓。試驗(yàn)中,TC11合金試片的溫度控制誤差為±10℃,則TC11合金的啟燃臨界條件曲線如圖4所示。

        由圖3和圖4可看出,在一定溫度下,只有當(dāng)氧氣分壓超過某一臨界值時,TC11合金試片才能被引燃;并且隨著試片溫度的升高,引燃所需氧氣分壓臨界值逐漸降低。試片溫度在300~400℃時,臨界氧氣分壓隨溫度升高而降低的趨勢不大;400~700℃時,臨界氧氣分壓隨溫度升高而降低的趨勢非常明顯。這是因?yàn)殁伜辖饐⑷嫉呐R界條件是生熱量(包括外部加熱和自身氧化生熱)大于散熱量。這一變化規(guī)律與文獻(xiàn)[7]、[8]的一致。TA1液滴和TC11合金氧化反應(yīng)產(chǎn)生的熱流密度可表示為:

        圖3 不同溫度和氧氣含量下TC11合金試片的引燃情況Fig.3 The results of ignition test at different temperature and content of oxygen

        圖4 點(diǎn)燃TC11合金試片所需臨界氧氣分壓與溫度的關(guān)系Fig.4 The relation of temperature and critical ignition partial pressure in oxygen for TC11 alloy

        式中:q為氧化產(chǎn)生的熱流密度,J/(m2·s);Q為鈦合金氧化熱,J/kg;w為鈦合金氧化速度,kg/(m2·s);p為氧氣分壓,Pa;p0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,Pa;k0為指數(shù)前因子,kg/(m2·s);R為氣體常數(shù),J/(mol·K);E 為活化能,J/mol;T 為氧化反應(yīng)溫度,K。

        由公式(1)可看出,氧化反應(yīng)產(chǎn)生的熱流密度與氧氣分壓的平方根成正比,與反應(yīng)溫度成指數(shù)關(guān)系。即產(chǎn)生相同熱量時,如果提高反應(yīng)溫度,則可以降低氧氣分壓。若同時提高氧氣分壓和反應(yīng)溫度,氧化生成的熱量將急劇增大,鈦合金更容易啟燃。同理,航空發(fā)動機(jī)中鈦合金工作的環(huán)境溫度和壓力越高,發(fā)生鈦火的風(fēng)險(xiǎn)就越大。風(fēng)扇和低壓壓氣機(jī)中,鈦合金的工作溫度與壓力比高壓壓氣機(jī)中的低很多,發(fā)生鈦火的可能性較小。實(shí)際情況表明,絕大部分鈦火事故發(fā)生在高壓壓氣機(jī)中。

        3.3 燃燒表面分析

        圖5示出了不同試片溫度下燃燒后的TC11合金試片??梢钥闯?,隨著溫度的升高,試片的燒損面積增大;試片燃燒前沿出現(xiàn)明顯的熔化痕跡,熔化區(qū)域表面生成淺黃色氧化膜,非熔化區(qū)域表面主要是白色氧化膜。

        圖6為燃燒表面的XRD衍射譜。從圖中發(fā)現(xiàn),TC11合金燃燒產(chǎn)物的主要成分是TiO2。由于試樣表面形貌不規(guī)則且面積較小,X射線的衍射強(qiáng)度較低,未發(fā)現(xiàn)其它合金元素的燃燒產(chǎn)物。雖然在高溫下Ti能與N2發(fā)生燃燒反應(yīng)[9],但試片表面沒有檢測到Ti3N4。這主要是因?yàn)樵赥i中,O比N具有更好的親和力、更高的溶解度和更大的擴(kuò)散系數(shù)。燃燒過程中,TC11合金主要與空氣中的O2發(fā)生反應(yīng)。

        圖5 TC11試片在不同溫度下燃燒后的形貌Fig.5 Morphology of TC11 alloy samples after combustion test at different temperature

        圖7示出了TC11合金燃燒區(qū)橫截面的SEM分析。試片燃燒表面是以TiO2為主的氧化層,氧化層到基體內(nèi)部存在疏松區(qū)、致密區(qū)和影響區(qū)。

        分析表明,疏松區(qū)內(nèi)存在較多的裂紋和氣洞,組織較疏松,O含量較高,O與Ti的原子百分比在1:1(TiO)~2:1(TiO2)之間。由于燃燒高溫的作用,合金中生成了氣體,并在熔化的金屬中形成了氣孔。另外,由于合金中溶入了大量的O,使得其脆性增加,在熱應(yīng)力作用下產(chǎn)生了裂紋。正是因?yàn)槿紵把卮嬖谑杷啥嗫讌^(qū)域,導(dǎo)致燃燒過程中O不斷向合金內(nèi)部擴(kuò)散,形成持續(xù)燃燒。

        圖6 TC11合金燃燒表面的XRD衍射圖譜Fig.6 XRD pattern of burned surface of titanium alloy TC11

        圖7 TC11合金燃燒區(qū)橫截面的SEM分析Fig.7 Cross sectional microstructure of burned titanium alloy of TC11

        致密區(qū)厚度較小,約為15~30 μm。該區(qū)域內(nèi)受燃燒熱和α相穩(wěn)定元素O的共同作用,形成了干凈的等軸α相。其組織形貌與合金原組織不同,并且O含量較多。

        影響區(qū)厚度約為200 μm,形成了典型的粗大α片層組織,并向基體內(nèi)部逐漸細(xì)化。這種組織反映了燃燒過程中O和燃燒熱共同對基體組織的影響。

        由此可看出,燃燒后的合金組織發(fā)生了顯著變化,將對發(fā)動機(jī)零部件的使用安全帶來嚴(yán)重影響。

        4 結(jié)論

        (1)熔融TA1液滴在壓縮空氣/氧氣作用下能發(fā)生燃燒,并將TC11合金試片引燃。TC11合金的燃燒非常劇烈,發(fā)出耀眼白光,噴射出大量火花,并產(chǎn)生爆燃。

        (2)隨著TC11合金試片溫度的提高,引燃所需的臨界氧氣分壓逐漸降低。

        (3)燒損面積隨著試片溫度的提高而增大。燃燒表面形成了氧化層,主要成分為TiO2。從燒損表面到合金內(nèi)部形成了疏松區(qū)、致密區(qū)和影響區(qū),各區(qū)域的組織特征和O含量存在明顯差異。

        [1]Charles W E.Review of Titanium Application in Gas Tur?bine Engines[R].ASME GT2003-38862,2003.

        [2]Bolobov V I.Mechanism of Self-Ignition of Titanium Al?loys in Oxygen[J].Combustion,Explosion,and Shock Waves,2002,38(6):639—645.

        [3]Huang H F,Liu S L.Crack Growth Behavior in Titanium Alloy TC11 at Room and High Temperature[J].Acta Metal?lurgica Sinica(English Letters),1999,12(1):77—81.

        [4]曾衛(wèi)東,周義剛.冷速對TC11合金β加工顯微組織和力學(xué)性能的影響[J].金屬學(xué)報(bào),2002,38(12):1273—1276.

        [5]顏鳴皋,劉伯操.中國航空材料手冊:第4卷鈦合金銅合金[M].2版.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2002:147.

        [6]Clark A F.The Combustion of Bulk Titaniumin in Oxygen[C]//.Fifteenth Symposium(International)on Combustion.1975.

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        [8]Littmen F E.A Study of Metal Ignitions[J].Journal of Less Common Metals,1961,(3):367—378.

        [9]Lee K O,Cohen J J,Kenneth B.Self-Propagating High-Temperature Synthesis ofTitanium Nitride[R].AIAA 99-0697,1999.

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