弭光寶，黃　旭，曹京霞，曹春曉

(北京航空材料研究院 先進(jìn)鈦合金航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100095)

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航空發(fā)動(dòng)機(jī)鈦火試驗(yàn)技術(shù)研究新進(jìn)展

弭光寶，黃旭，曹京霞，曹春曉

(北京航空材料研究院 先進(jìn)鈦合金航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100095)

鈦火是現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)典型的災(zāi)難性故障。針對(duì)高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)鈦火試驗(yàn)技術(shù)的迫切需求，系統(tǒng)開展了摩擦氧濃度法鈦合金燃燒技術(shù)及理論研究，建立了阻燃性能評(píng)價(jià)方法和摩擦著火模型，闡明了阻燃鈦合金的阻燃機(jī)理。在總結(jié)近期研究進(jìn)展基礎(chǔ)上，從鈦火的演化規(guī)律、機(jī)理和防控三個(gè)層次，提出鈦火試驗(yàn)技術(shù)及應(yīng)用研究的思路和方向，即接近發(fā)動(dòng)機(jī)氣流環(huán)境的阻燃性能綜合評(píng)價(jià)、發(fā)動(dòng)機(jī)氣流環(huán)境的阻燃性能預(yù)測(cè)模型和阻燃技術(shù)的試驗(yàn)驗(yàn)證。未來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)鈦火防控體系的科學(xué)構(gòu)建，助推壓氣機(jī)“全鈦化”和發(fā)動(dòng)機(jī)推重比不斷提高。

高溫鈦合金；摩擦氧濃度法；阻燃性能；燃燒機(jī)理；鈦火防控技術(shù)；阻燃涂層

航空發(fā)動(dòng)機(jī)鈦火是一種典型的鈦合金燃燒致災(zāi)故障，危害巨大。葉片與機(jī)匣之間的非正常摩擦是主要的點(diǎn)火源，瞬間溫度高達(dá)2700 ℃[1]。鈦火一旦發(fā)生，在高溫、高壓和高速的氣流環(huán)境中呈“裂變式”發(fā)展，壓氣機(jī)零部件持續(xù)燃燒時(shí)間不超過(guò)20 s，難以采取有效的滅火措施，造成葉片燒損、機(jī)匣燒穿，甚至燒毀整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)[2-3]。除了環(huán)境因素，鈦合金顯著區(qū)別于其他金屬元素具有高的化學(xué)反應(yīng)生成熱[4]、低的導(dǎo)熱系數(shù)等特性，是鈦火發(fā)生的內(nèi)因。

20世紀(jì)60年代以來(lái)，高推重比先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)鈦合金用量提高的需求與鈦火傾向性增大的尖銳矛盾凸顯，即隨著發(fā)動(dòng)機(jī)推重比提高，鈦合金用量增大，壓氣機(jī)鈦合金構(gòu)件的工作條件更為復(fù)雜和苛刻，鈦火傾向性和嚴(yán)重性大大增加，致使鈦火故障頻發(fā)。國(guó)內(nèi)外軍用和民用發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生過(guò)170余起鈦火，不僅造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，也嚴(yán)重影響了人們對(duì)高溫鈦合金使用的信心，大有“談鈦色變”之勢(shì)，鈦火的預(yù)防與控制即鈦火防控成為制約發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的重大難題。

鈦火試驗(yàn)技術(shù)即鈦合金/構(gòu)件燃燒技術(shù)，是科學(xué)認(rèn)識(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)鈦火特性與機(jī)理，構(gòu)筑鈦火綜合防控體系的核心與關(guān)鍵。美國(guó)和俄羅斯等航空強(qiáng)國(guó)通過(guò)開展鈦火試驗(yàn)技術(shù)研究，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)鈦火防控技術(shù)的阻燃性能進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)與驗(yàn)證[1,3-6]，實(shí)現(xiàn)了鈦火故障由被動(dòng)應(yīng)對(duì)向主動(dòng)防控的重大轉(zhuǎn)變，并把鈦火安全理念融入到發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為鈦合金在先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)上大量應(yīng)用、提升推重比，以及驗(yàn)證民用發(fā)動(dòng)機(jī)適航安全性提供了理論與技術(shù)支撐。然而，由于國(guó)外技術(shù)封鎖等原因，我國(guó)在鈦火試驗(yàn)技術(shù)上一直進(jìn)展很緩慢，導(dǎo)致先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)鈦火防控技術(shù)的設(shè)計(jì)思想、實(shí)施細(xì)節(jié)及阻燃機(jī)理不清楚，長(zhǎng)期困擾和限制了發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)對(duì)鈦合金大量選材。

因此，近五年本課題組以鈦火試驗(yàn)技術(shù)為突破口，系統(tǒng)開展了摩擦氧濃度法鈦合金燃燒技術(shù)及理論研究[7-15]，建立了阻燃性能評(píng)價(jià)方法，闡明了阻燃鈦合金的阻燃機(jī)理。本文綜述了近期研究進(jìn)展，并對(duì)未來(lái)研究方向作出展望。

1　摩擦氧濃度法鈦合金燃燒技術(shù)

“摩擦點(diǎn)火最具備模擬發(fā)動(dòng)機(jī)鈦火發(fā)生的方式和條件”，基于摩擦生熱原理和著火熱理論，提出局部摩擦升溫與氧分壓精確控制來(lái)實(shí)現(xiàn)塊體金屬材料點(diǎn)火燃燒的思想，將摩擦接觸壓力Pfric與預(yù)混氣流氧濃度c0設(shè)計(jì)為控制參數(shù)，發(fā)明了摩擦氧濃度法(Friction Oxygen Concentration Method, FOC)鈦合金燃燒技術(shù)與裝置，試驗(yàn)原理如圖1所示。試驗(yàn)過(guò)程中，采用數(shù)字式質(zhì)量流量控制器提供富氧的氣流環(huán)境，轉(zhuǎn)子試樣A與靜子試樣B形成一對(duì)摩擦副，因劇烈高速摩擦，試樣局部溫度急劇升高，直至點(diǎn)燃。轉(zhuǎn)子試樣A與靜子試樣B的初始溫度恒定，在一定氣流溫度和壓力下，通過(guò)調(diào)控測(cè)試參數(shù)Pfric和c0，得到不同試驗(yàn)條件下點(diǎn)燃與不燃的多個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析處理，將獲得的Pfric-c0關(guān)系曲線作為表征鈦合金阻燃性能的指標(biāo)。

通過(guò)改進(jìn)摩擦接觸壓力控制系統(tǒng)的潤(rùn)滑條件和氣密性，反復(fù)調(diào)試及幾百次試驗(yàn)，進(jìn)一步規(guī)范了試驗(yàn)參數(shù)、初始試驗(yàn)條件及試樣形貌(見圖2)等定義，在Pfric一定條件下，使表征參數(shù)c0的控制精度達(dá)到0.9%。在此基礎(chǔ)上，歸納總結(jié)了鈦合金阻燃性能的概念，即材料所具有的防止、終止或減慢燃燒的特性，是衡量發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金使用安全性的關(guān)鍵性能指標(biāo)之一，英文表達(dá)優(yōu)先使用fireproof property，包括抵抗熱自燃、點(diǎn)燃和擴(kuò)展燃燒三個(gè)方面的性能；制定了中航工業(yè)集團(tuán)公司標(biāo)準(zhǔn)《鈦合金抗摩擦點(diǎn)燃試驗(yàn)方法(AVIC-2015)》，標(biāo)準(zhǔn)審查結(jié)論認(rèn)為，“該標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合了最新研究成果，達(dá)到了國(guó)外同類標(biāo)準(zhǔn)的先進(jìn)水平”。2015年10月，摩擦氧濃度法鈦合金燃燒技術(shù)及阻燃性能測(cè)試結(jié)果通過(guò)了總裝軍用材料瓶頸技術(shù)項(xiàng)目評(píng)審專家組的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試評(píng)審，包括阻燃性能測(cè)試大綱及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，確保了某型號(hào)重點(diǎn)任務(wù)的里程碑節(jié)點(diǎn)測(cè)試與試驗(yàn)驗(yàn)證。未來(lái)將在進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用和廣泛征求意見基礎(chǔ)上形成航空行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

圖1　摩擦氧濃度法鈦合金燃燒試驗(yàn)裝置原理圖Fig.1　Schematic diagram of combustion testing apparatus by friction oxygen concentration method

圖2　鈦合金燃燒后試樣的形貌　(a，b) 未點(diǎn)燃；(c，d)點(diǎn)燃Fig.2　Sample patterns after combustion of titanium alloy　(a, b) no ignition; (c, d) ignition

2　阻燃鈦合金等高溫鈦合金的阻燃性能

采用建立的鈦合金燃燒技術(shù)和表征方法，評(píng)價(jià)了Ti40，TF550等阻燃鈦合金，Ti60,TC11等高溫鈦合金，以及TiAl,Ti3Al等鈦鋁金屬間化合物的阻燃性能，為發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金阻燃等級(jí)劃分積累了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，部分鈦合金摩擦燃燒過(guò)程及阻燃性能試驗(yàn)結(jié)果如圖3～圖4所示。首次明確了V，Cr元素對(duì)Ti-V-Cr系鈦合金阻燃性能的影響，當(dāng)Cr含量為15-0.3Si-0.1C)阻燃鈦合金的阻燃性能差異小于5%，有助于推動(dòng)阻燃鈦合金在高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用。此外，%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)時(shí)，V含量相差10%的Ti40(Ti-25V-15Cr-0.2Si)和TF550(Ti-35V-15Cr對(duì)壓氣機(jī)鈦合金阻燃涂層進(jìn)行了初步篩選和驗(yàn)證，為開展鈦火防護(hù)原理及新技術(shù)研究奠定了基礎(chǔ)。上述研究結(jié)果已被推重比XA～XB, XO等型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)研制所應(yīng)用。

圖3　高溫鈦合金摩擦點(diǎn)火過(guò)程原位觀察Fig.3　In-situ observation of friction ignition process of high temperature titanium alloy

圖4　幾種鈦合金的阻燃性能試驗(yàn)結(jié)果Fig.4　Experimental results of fireproof property for titanium alloys

3　鈦合金摩擦著火理論模型

在試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，通過(guò)分析鈦合金著火的物理過(guò)程和機(jī)理，建立了摩擦著火理論模型。即：轉(zhuǎn)子試樣A與靜子試樣B高速摩擦過(guò)程中，靜子試樣B中心孔附近的溫度急劇升高，當(dāng)帶有原生表面的微凸體突然出現(xiàn)在某一氧濃度ci的氣氛時(shí)，部分氧分子與表面發(fā)生非彈性碰撞而被吸附于活性位置，吸附的氧分子迅速解離并獲得金屬的電子形成氧離子，此時(shí)氧的化學(xué)吸附是作用的微觀本質(zhì)，反應(yīng)速率依賴于ci，當(dāng)ci增大至某一臨界值c0時(shí)，反應(yīng)速率急劇增大即著火發(fā)生。基于著火熱理論[16-17]對(duì)摩擦著火機(jī)理進(jìn)行模型計(jì)算與分析，得到

(1)

式中：K0,E為O2在微凸體表面解離吸附過(guò)程Arrhenius方程的指前因子和激活能；Q為微凸體與氧作用的單位化學(xué)反應(yīng)熱；R為氣體常數(shù)；為發(fā)生著火的臨界氧濃度；Pi為系統(tǒng)氣體總壓力；P0.1為大氣壓力；T*為著火臨界溫度。

將導(dǎo)熱系數(shù)等參數(shù)代入式(1)，得出Ti40合金T*與Pi的關(guān)系

(2)

根據(jù)式(2)可以得到，摩擦條件下，Ti40合金的Т*隨著Pi的增大而減小，在c0=21%大氣環(huán)境中，當(dāng)Pi在0.1～0.5 MPa變化時(shí)，Т*的變化范圍為1150～1323 K，如圖5所示。在Pi=0.5 MPa時(shí)，典型氣流溫度下Ti40合金的5次燃燒試驗(yàn)均未發(fā)生著火，如圖6所示，間接驗(yàn)證了阻燃鈦合金的摩擦著火模型。這些研究結(jié)果為鈦合金燃燒技術(shù)應(yīng)用研究奠定了理論基礎(chǔ)。

圖5　Ti40合金著火溫度與壓力關(guān)系Fig.5　Relationship between ignition temperature and pressure of Ti40 alloy

圖6　典型氣流溫度下Ti40合金著火試驗(yàn)結(jié)果Fig.6　Ignition experimental results of Ti40 alloy under typical gas flow temperature

4　阻燃鈦合金的阻燃機(jī)理

通過(guò)分析高溫氧化、摩擦磨損和擴(kuò)展燃燒的過(guò)程及產(chǎn)物，闡明了Ti-V-Cr系阻燃鈦合金的阻燃機(jī)理。即在Ti合金中添加V和Cr元素，起到了阻止氧化的作用，生成的低熔點(diǎn)氧化物V2O5大幅度減少了摩擦生熱，并在燃燒過(guò)程形成了一個(gè)新的合金層(V基固溶體)阻止了O向合金基體、Ti向燃燒表面的大量擴(kuò)散，從而提高了阻燃鈦合金的阻燃性能。

當(dāng)Cr元素含量為15%時(shí)，V元素含量在20%～40%之間時(shí)，Ti-V-Cr合金的抗非等溫氧化性差異較小，且顯著高于Ti-V合金(見圖7)；非等溫氧化過(guò)程形成的液態(tài)相V2O5與Cr2O3，TiO2的混合氧化物共同阻止了O向合金基體的大量擴(kuò)散。

圖7　阻燃鈦合金非等溫氧化試驗(yàn)結(jié)果Fig.7　Experimental results of non-isothermal oxidization of fireproof titanium alloy

當(dāng)摩擦升溫至V2O5的熔點(diǎn)時(shí)，摩擦接觸面的摩擦系數(shù)大幅下降，根據(jù)式(3)摩擦生熱的降幅達(dá)到60%；結(jié)合摩擦磨損產(chǎn)物分析(見圖8)，液態(tài)“軟化相”V2O5彌合了“硬質(zhì)相”TiO2和Cr2O3之間剛性連接產(chǎn)生的缺陷，極大地釋放了表面氧化膜的內(nèi)應(yīng)力，形成了相容性較好的混合氧化物，從而使氧化膜的致密性及與基體的結(jié)合強(qiáng)度得到改善，抑制了具有原生金屬表面的微凸體大量產(chǎn)生。

(3)

σs為屈服強(qiáng)度；A為摩擦實(shí)際接觸面積。

圖8　TF550合金摩擦磨損產(chǎn)物XRD分析Fig.8　XRD analysis of frictional wear products of TF550 alloy

圖9　TF550合金擴(kuò)展燃燒過(guò)程原位觀察Fig.9　In-situ observation of extended combustion process for TF550 alloy

當(dāng)合金摩擦著火后，迅速進(jìn)入擴(kuò)展燃燒階段(見圖9)。燃燒產(chǎn)物主要有TiO2，V2O5和Cr2O3三種氧化物，該混合氧化物以分散顆粒和致密連續(xù)體存在(見圖10)：分散顆粒為規(guī)則的球形；致密連續(xù)燃燒產(chǎn)物的微觀組織具有分區(qū)特征(圖11)，從合金基體至燃燒表面依次為過(guò)渡區(qū)(TR)、熱影響區(qū)(HE)、熔凝區(qū)(FU)和燃燒區(qū)(CO)。熱影響區(qū)的V基固溶體降低了Ti元素向熔凝區(qū)的遷移速率，減慢了燃燒區(qū)Ti與O的優(yōu)先反應(yīng)；燃燒區(qū)形成的TiO2，V2O5和Cr2O3混合氧化物和熔凝區(qū)O在Ti中大量固溶共同終止了O向合金基體的繼續(xù)擴(kuò)散。

圖10　Ti40合金燃燒產(chǎn)物表面分析Fig.10　Analysis of burning product surface of Ti40 alloy

基于上述理論研究，初步設(shè)計(jì)了Ti-Mo-X和Ti-V-Y兩種β鈦合金的主干成分，阻燃性能均比TC4鈦合金高20%以上；并嘗試開展了鈦合金表面噴涂工藝和激光增材制造阻燃涂層研究，阻燃性能較基體提高10%以上，驗(yàn)證了阻燃物理模型，為發(fā)動(dòng)機(jī)鈦火防控技術(shù)研究提供了設(shè)計(jì)思路。

圖11　Ti40合金燃燒產(chǎn)物截面分析　(a)SEM形貌;(b)圖(a)中各區(qū)域元素平均分布Fig.11　Analysis of burning product cross-section for Ti40 alloy　(a) SEM morphology; (b) element average distribution in every square grid in Fig.11(a)

5　未來(lái)研究方向

盡管目前在鈦合金燃燒技術(shù)及阻燃性能研究上取得重要進(jìn)展，但與國(guó)外鈦火試驗(yàn)技術(shù)及應(yīng)用研究的水平還存在較大差距，包括壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、合金材料及表面技術(shù)的阻燃性能綜合評(píng)價(jià)與試驗(yàn)驗(yàn)證，以及阻燃工程判據(jù)等方面。面向未來(lái)，任重而道遠(yuǎn)。尤其隨著我國(guó)先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)研制進(jìn)程的加快、考核驗(yàn)證臺(tái)份數(shù)量的增大，鈦火出現(xiàn)的概率和風(fēng)險(xiǎn)將會(huì)提高，鈦合金使用安全性問(wèn)題成為發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)研究的重點(diǎn)方向。未雨綢繆，為有效防控鈦火隱患，急需在目前研究基礎(chǔ)上，系統(tǒng)深入開展鈦火試驗(yàn)技術(shù)及應(yīng)用研究。通過(guò)分別研究阻燃性能的綜合評(píng)價(jià)、預(yù)測(cè)模型及試驗(yàn)驗(yàn)證所包含的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，以及三者之間的相互影響與關(guān)聯(lián)性，提出了以下研究思路和發(fā)展方向，如圖12所示。

圖12　發(fā)動(dòng)機(jī)鈦火試驗(yàn)技術(shù)研究思路Fig.12　Research thinking of experimental technique for titanium fire in aero-engine

(1)鈦火演化規(guī)律與綜合評(píng)價(jià)方法。綜合考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和復(fù)雜環(huán)境因素，建立接近發(fā)動(dòng)機(jī)氣流環(huán)境的鈦火試驗(yàn)裝置及阻燃性能評(píng)價(jià)方法，科學(xué)認(rèn)識(shí)鈦合金/構(gòu)件的阻燃性能和多參數(shù)耦合作用下點(diǎn)火燃燒的動(dòng)力學(xué)行為。

(2)鈦火機(jī)理與理論預(yù)測(cè)模型。解明鈦合金/構(gòu)件的燃燒模型和阻燃機(jī)理，預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)氣流環(huán)境的阻燃性能，提出阻燃設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

(3)鈦火防控技術(shù)與工程試驗(yàn)驗(yàn)證。發(fā)展鈦合金/構(gòu)件阻燃技術(shù)的阻燃性能驗(yàn)證與部件級(jí)考核方法，試驗(yàn)驗(yàn)證鈦火試驗(yàn)技術(shù)，建立合金、涂層和結(jié)構(gòu)協(xié)同的阻燃技術(shù)體系。

總之，發(fā)動(dòng)機(jī)鈦火試驗(yàn)技術(shù)及理論研究是一個(gè)富有挑戰(zhàn)性的技術(shù)難題，也是多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域，需要材料、制造、摩擦、燃燒和設(shè)計(jì)等專業(yè)大力協(xié)同。通過(guò)解決這一瓶頸問(wèn)題，有望實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)鈦火防控體系的科學(xué)構(gòu)建，從而有助于壓氣機(jī)“全鈦化”和發(fā)動(dòng)機(jī)推重比不斷提高。

感謝北京航空材料研究院陶春虎研究員和圣彼得堡國(guó)立技術(shù)大學(xué)帕拉勃夫.В教授分別在科學(xué)問(wèn)題凝煉和著火溫度計(jì)算方面的有益建議。

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(MI G B, HUANG X, CAO J X,etal. A test method characterizing the fireproof property of titanium alloys for aero-engine: ZL201218003649.0[P]. 2012-09-04.)

[15] 弭光寶, 黃旭, 曹京霞, 等. 一種航空發(fā)動(dòng)機(jī)用鈦的阻燃性能測(cè)試方法與裝置: ZL201218001209.1[P]. 2012-05-17.

(MI G B, HUANG X, CAO J X,etal. A test method and device of fireproof property of titanium alloys for aero- engine: ZL201218001209.1[P]. 2012-05-17.)

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(責(zé)任編輯：張崢)

Experimental Technique of Titanium Fire in Aero-engine

MI Guangbao，HUANG Xu，CAO Jingxia，CAO Chunxiao

(Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Advanced Titanium Alloys, Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095, China)

Titanium fire is the typical catastrophic fault in the aero-engine. Aiming at the urgent demand for experimental technique of titanium fire from advanced high thrust-weight ratio aero-engine, the combustion technology and theory of titanium alloy based on friction oxygen concentration method (FOC) were systematically studied. The evaluation method of fireproof property and the friction ignition model were built, and the fireproof mechanism was illustrated. By generalizing recent progress in experimental technique of titanium fire from three levels, including evolutionary rule, mechanism and prevention and control technology, the ideas and directions of experimental technique associated with the application research of titanium fire in the future were proposed, namely overall evaluation of fireproof property close to air flow environment of the aero-engine, prediction model of fireproof property and experimental verification of fireproof technique under the air flow environment of aero-engine. It is necessary to establish the prevention system of titanium fire in aero-engine, which contributes to the realization of “full titanium” in compressor and to the increase of high thrust-weight ratio.

high temperature titanium alloy; friction oxygen concentration method; fireproof property; combustion mechanism; prevention and control technology of titanium fire; fireproof coating

2016-03-03；

2016-04-15

國(guó)家自然科學(xué)基金(51471155)；中航工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金(2014E62149R)

弭光寶(1981—)，男，博士，高級(jí)工程師，主要從事高溫鈦合金及阻燃性能評(píng)價(jià)等方面研究，(E-mail)miguangbao@163.com。

10.11868/j.issn.1005-5053.2016.3.004

TG146.2; V231.2

A

1005-5053(2016)03-0020-07