钛合金因其较高的比强度、优异的抗蚀性和耐热性能,,,,,,而被普遍应用于航空发念头和地面涡轮燃机高压压气机叶片质料。。。。。。钛合金在发念头上的应用量在一定水平上反应了发念头先进设计、制造手艺的水平,,,,,,也是权衡一种发念头先进水平的主要标记。。。。。。
20世纪70年月以来,,,,,,外洋先进的军用发念头已普遍接纳钛合金作为电扇叶片、压气机转静子叶片。。。。。。如法国阵风战机装配的M88发念头的前2级整体叶盘均为钛合金 [1-2] ;;;;;;;;俄罗斯米格29飞机装备的RD-33 发念头的 4 级电扇、9 级高压压气机中前6级转静子叶片等均为钛合金质料 [3] ;;;;;;;;据统计,,,,,,美国 F22装备的 F119发念头用钛量达39% ,,,,,, F404发念头钛合金使用量达25% ,,,,,, V2500发念头用钛量高达41%之上 [4-6] 。。。。。。但由于钛合金导热系数低、氧化天生热和燃烧热焓高,,,,,,燃烧敏感性问题突出,,,,,,容易着火并迅速扩展一连燃烧,,,,,,导致发念头钛火故障 [7] 。。。。。。因此,,,,,,研究防钛火手艺成为其时天下各国航空发动 机 研制 急 需 解决的 瓶颈问题 。。。。。。
以后,,,,,,随着钛合金作为航空发念头高压压气机叶片、机匣的必选质料,,,,,,使发念头高压压气机钛火控制手艺成为发念头研制的要害手艺。。。。。。因此航空发念头钛火预防手艺肩负着既要尽可能多使用钛合金的要求,,,,,,又要知足发念头运行清静,,,,,,不爆发钛火危险的要求,,,,,,使航空发念头具有先进性 。。。。。。 基于以上熟悉,,,,,,本文针对海内外航空发念头钛火控制手艺,,,,,,从钛火机制剖析、防钛火阻燃合金、阻燃涂层的研究希望及防钛火结构设计等方面,,,,,,对航空发念头防钛火手艺举行了综合叙述,,,,,,进而提出防钛火阻燃合金保存的危害及防钛火手艺的未来研究重点。。。。。。
1、钛火机制剖析
航空发念头钛火问题是许多国家发念头公司都遇到过的问题 。。。。。。20 世纪 70 年月以来,,,,,,美国航空发念头已爆发过 144 起钛火故障,,,,,,前苏联爆发过钛火 30余起。。。。。。其中,,,,,,由高压压气机事情叶片故障引起钛火的比例达22.5% ,,,,,,由涡轮故障引起的钛火达20%之多 [8-10] 。。。。。。因此,,,,,,研究钛火机制与防钛火手艺已成为海内外学者配合关注与探索的手艺难点,,,,,,也是一直是制约新型航空发念头研制的瓶颈手艺 。。。。。。
1.1 内部因素影响机制剖析
钛合金外貌氧化膜的致密性是造成其燃烧的主要因素,,,,,,纯钛基合金燃烧外貌的氧化层松散、不致密,,,,,,不可阻止氧向基体的运送,,,,,,进而导致燃烧一连举行。。。。。。
钛在正常温度下为 α 结构,,,,,,外貌形成致密的具有;;;;;;;;ぷ饔玫 TiO2[11] 。。。。。。在加热到较高温度时,,,,,,由于 TiO2的密度小于 Ti3O5,,,,,,Ti2O3的密度,,,,,,以是 TiO2单位体积较小极易破碎失去密封性能,,,,,,进而在氧化物的交流放热反应中,,,,,,引起氧气的运送速率急剧增大,,,,,,导致热量析出速率凌驾热量损失速率,,,,,,造成温度升高,,,,,,最终增进燃烧 。。。。。。
1.2 外部因素影响机制剖析
钛合金事情情形下的温度、压力、气流速率是影响其燃烧的主要外部因素。。。。。。钛的熔点为1660℃ ,,,,,,在空气中的燃点为1627℃ ,,,,,,而发念头正常事情条件下,,,,,,高压压气机钛合金叶片所遭受的温度一样平常不凌驾600℃ ,,,,,,其事情温度远低于钛的燃点,,,,,,即在正常事情条件下不可能导致钛火。。。。。。但在高温下,,,,,,钛具有高的氧活性,,,,,,可爆发放热反应,,,,,,这种反应在高速气流及一定的压力下获得活化 。。。。。。
钛起火需要一定的温度和压力条件,,,,,,其中强烈攻击、摩擦是钛火的主要缘故原由。。。。。。如压气机吸入外物或内部零件掉块时,,,,,,会攻击高速旋转的叶片,,,,,,可能造成叶片损伤掉块而引起强烈摩擦,,,,,,爆发大宗的热量,,,,,,致使叶片或机匣内局部温度过高,,,,,,在一定的压力和氧气质量分数下,,,,,,即可着火并一连燃烧而爆发钛火故障 。。。。。。发念头一旦爆发钛火,,,,,,在火源转达的热量和相邻钛零件熔化携带来的热量使继续伸张,,,,,,直到钛燃烧耗尽,,,,,,或空气压力低于某个临界值,,,,,,或燃烧区域因焠熄造成热量散失,,,,,,钛火才会阻止。。。。。。
钛火是一种典范的二次事故,,,,,,美国普惠公司研制的用于F-15 飞机的 F100 发念头在试车最大状态下发 生 钛 合 金 燃 烧,,,,,,导 致 整 台 发 动 机 被 烧坏 [12-13] ,,,,,,详细征象如图 1 所示 。。。。。。

图 1 钛火故障后的发念头
Fig.1 。。。。。牛睿纾椋睿濉。。。。。。幔妫簦澹颉。。。。。。簦椋簦幔睿椋酰怼。。。。。。妫椋颍
2、 防钛火手艺研究希望
外洋从上世纪70年月起,,,,,,开展了大宗有关钛合金燃烧和防钛火手艺方面的研究。。。。。。美国、俄罗斯等国通过研究钛合金主要元素对其燃烧的影响纪律,,,,,,进而研制了Alloy C和BTT系列的阻燃钛合金 [14-16] 。。。。。。
经由多年的研究,,,,,,美国、英国、俄罗斯等航空手艺先进国家掌握了航空发念头防钛火手艺。。。。。。近年来,,,,,,海内航空动力和质料界专家多年来一直一直的探索研究钛火防护手艺,,,,,,已在防钛火手艺方面取得突破性的前进,,,,,,并乐成开发了一些防钛火手艺和大宗防钛火产品,,,,,,为航空发念头的生长作出了重大孝顺。。。。。。
2.1 阻燃钛合金的研究现状
2.1.1 阻燃机制剖析
钛及钛合金自身具有在空气中自维持燃烧的特征,,,,,,辐射、摩擦生热及气动加热等都可能导致钛及钛合金自维持燃烧的爆发 。。。。。。 钛的这种特征正是一切“钛火”危害的泉源,,,,,,因此,,,,,,生长阻燃钛合金就成为解决钛燃烧问题的基础途径。。。。。。现在,,,,,,海内外阻燃钛合金的研究和设计都是基于以下三个角度来开展。。。。。。
1 )中止氧运送
钛合金能一连燃烧的一个主要条件是空气中氧一直通过松散的外貌氧化层送到基体,,,,,,与基体反应 。。。。。。向纯钛中加入适量的 V ,,,,,, Cr等元素能使燃烧前沿快速形成一层致密;;;;;;;;ば匝趸,,,,,,可有用地阻止燃烧 [17] 。。。。。。
2 )热力学角度
用绝热燃烧温度来表征合金燃烧历程的总体热效应。。。。。。 盘算批注,,,,,,向钛中添加 V ,,,,,,Cr ,,,,,, Mo 等合金元素可以降低其绝热燃烧温度 。。。。。。
3 )镌汰摩擦发热
将钛零件间干摩擦转变为有液相润滑的摩擦,,,,,,从而急剧镌汰摩擦功及加热量,,,,,,抵达镌汰摩擦发热与加热金属来抑制合金燃烧 。。。。。。迄今为止,,,,,,较量乐成的阻燃钛合金都是对以上3种因素综合运用的效果,,,,,,如俄罗斯的 Ti - Cu -Al系阻燃钛合金,,,,,,美国的 Ti-V-Cr系阻燃合金等 [18] 。。。。。。Ti- Cu - Al系阻燃钛合金的阻燃机制是将钛零件之间的干摩擦转变为有液相润滑的摩擦,,,,,,从而镌汰摩擦功及加热量;;;;;;;; Ti- V - Cr 系阻燃合金是通过中止氧运送和热力学角度两方面的阻燃机制抵达阻燃目的 [ 19] 。。。。。。
2.1.2 阻燃钛合金系统研究状态
接纳阻燃钛合金是预防航空发念头“钛火”最有用、最基础的要领 。。。。。。 凭证差别钛合金的阻燃特征,,,,,,选择合适的阻燃钛合金,,,,,,可以有用地防治“钛火”危害。。。。。。20世纪70年月以来,,,,,,各国学者始终致力于阻燃钛合金的研制。。。。。。现在,,,,,,美国、英国、俄罗斯等国都研制出了各自的阻燃钛合金,,,,,,并已在发念头上获得乐成应用 [20] 。。。。。。
俄罗斯以 Ti - Cu 共晶系为基础,,,,,,乐成研制了BTT - 1和 BTT - 3两种阻燃合金[21] 。。。。。。BTT- 1合金是在 Ti - Cu二元的基础上添加少量的铝、钼、锆等元素制成的,,,,,,其具有优异的热加工性能,,,,,,可以生产出形状重大的发念头零件,,,,,,如压气机机匣和叶片等。。。。。。BTT - 3 合 金 工 艺 塑 性、阻 燃 性 能 均 高 于BTT - 1 ,,,,,,特殊适用于制造种种板材件[22] 。。。。。。而美国研制的 Alloy C属于另一类 Ti- V - Cr系阻燃钛合金,,,,,,与通例钛合金相比,,,,,,这类合金具有较高的高温拉伸强度、蠕变抗力以及优异的冷变形能力,,,,,,可以制成板材、箔材、带材、冷成形支架和增强杆等 [23] 。。。。。。
迄今,,,,,,AlloyC 已被乐成应用于美国战机 F22的F119 - WP - 100发 动 机 的 尾 喷 管 和 加 力 燃 烧 室上 [24] 。。。。。。另 外,,,,,,英 国 Rolls- Royce 公 司 研 制 的IMI834高温钛合金已在 Trent系列发念头上获得普遍的应用 [25] 。。。。。。
我国阻燃钛合金的研制始于20世纪90年月初期,,,,,,一些研究单位自行研制了多种 Ti - Cu - Al 和Ti-V-Cr系阻燃钛合金。。。。。。如:西北有色金属院研制的 Ti40合金曾被应用于某发念头压气机部件做2 ,,,,,, 3 级机匣[26] 。。。。。。
总体来看,,,,,,我国的阻燃合金手艺水平与蓬勃国家相比仍保存差别。。。。。。
2.2 阻燃涂层的研究与应用状态
钛火是发念头机械故障爆发后,,,,,,钛制零件直接摩擦,,,,,,热量急剧积累的效果 。。。。。。 因此,,,,,,阻止零件直接摩擦并抑制高温下的钛元素活性成为钛火预防的又一主要手段 。。。。。。 外洋早在 60 年月就举行了阻燃涂层方面的研究,,,,,, NASA 曾举行过一项涂层研究妄想,,,,,,其目的是开发一种涂层系统,,,,,,使之能在引起裸露钛燃烧的能量的输入下,,,,,,对钛机体起到;;;;;;;;ぷ饔 [27] 。。。。。。
现在,,,,,,英国 Rolls - Royle公司、德国 MTU 公司、意大利FAIT公司及西班牙ITP公司团结研制的 EJ - 200 发念头中,,,,,,高压压气机内机匣 1 级 ~4 级和对应的转子叶片均接纳钛合金,,,,,,钛火事故概率高 [28] 。。。。。。
在改型时特殊注重了其防护问题,,,,,,通过制备氧化锆隔热底层加易磨耗封严涂层手段,,,,,,有用提高了钛合金的阻燃性能 。。。。。。 其中,,,,,, EJ200 防钛火涂层如图 2 所示 。。。。。。

图2 。。。。。牛200防“钛火”阻燃涂层
Fig.2 。。。。。粒睿簦 - titanium 。。。。。妫椋颍濉。。。。。。悖铮幔簦椋睿
阻燃涂层是接纳先进的喷涂工艺在钛合金零部件外貌,,,,,,涂覆一层难以燃烧的质料,,,,,,避免转、静子钛合金零件直接碰磨,,,,,,镌汰碰磨热量积累和传导,,,,,,能够起到延缓和阻止燃烧的作用。。。。。。海内有关单位开展了包括防钛火涂层的筛选、涂层制备工艺手艺、差别涂层的防钛火特征研究,,,,,,用于钛合金燃烧防护涂层激光筛选试验的涂层种类及因素如表1所示。。。。。。

经由相关领域学者多年的研究,,,,,,已研究出具有防钛火功效的 NiCrAl+ZrO 2 +NiCrAl/ Be复合涂层。。。。。。在激光点燃试验中,,,,,, NiCrAl+ZrO2 +NiCrAl / Be复合涂层的抗燃烧性能比其他涂层系列好,,,,,,未发明涂层中的金属元素向基体扩散,,,,,,同时也未泛起基体中的 Ti元素向涂层扩散。。。。。。其中,,,,,, Ni-CrAl+ZrO 2 +NiCrAl / Be复合涂层经激光点燃后的涂层外貌特征如图3所示。。。。。。

图 3 激光点燃试验后的涂层外貌特征
Fig.3 。。。。。茫铮幔簦椋睿纭 surface 。。。。。妫澹幔簦酰颍澹蟆。。。。。。幔妫簦澹颉。。。。。。欤幔螅澹颉。。。。。。椋纾睿門iOn 。。。。。簦澹螅簦椋睿
2.3 防钛火结构设计剖析
为了有用阻止“钛火”危害,,,,,,除研究不燃合金外,,,,,,发念头结构设计具有较大优化潜力 。。。。。。 现在,,,,,,海内外在防钛火结构设计时,,,,,,为阻止钛合金部件之间的直接摩擦,,,,,,降低钛着火的概率,,,,,,接纳了不可对使用钛合金的设计原则,,,,,,阻止钛合金部件间的摩擦。。。。。。并且,,,,,,只管镌汰相近区域着火,,,,,,将钛火限制在外涵内。。。。。。据对现役的英军、美军、民用发念头用材的 统 计,,,,,,如 CF6 - 80C2 ,,,,,, CFM56 ,,,,,, F404 ,,,,,, RB211 -535E4 / - 524D4 ,,,,,, PW4000 等发念头,,,,,,其高压压气机、转子叶片只要事情温度允许,,,,,,都接纳钛合金,,,,,,但静子叶片均接纳合金钢或镍基合金,,,,,,机匣大大都接纳合金钢。。。。。。前苏联凭证多年对钛合金使用的履历与对钛着火征象的研究,,,,,,在统一的民航适航性标准中对钛合金零件的使用温度举行限制。。。。。。他们这样做的目的都是降低钛磨擦的可能从而降低钛着火的概率。。。。。。
3、钛火防治手艺未来的研究重点
航空发念头钛火防治手艺的研究是研制高推质比发念头的要害。。。。。。通过多年研究积累,,,,,,我国已在防钛火手艺方面取得突破性的前进,,,,,,为航空发念头的生长作出了重大孝顺。。。。。。但与蓬勃国家相比,,,,,,海内的防钛火手艺水平仍保存较大差别。。。。。。主要是阻燃钛合金各元素对燃烧行为的影响、钛合金燃烧特征的表征及评价系统、阻燃性能评价要领、钛合金燃烧火焰及燃烧产品在发念头工况下的撒播行为、阻燃钛合金相配套的防钛火涂层工程化应用等领域基础研究薄弱,,,,,,将成为制约新一代航空发念头研制的堡垒 。。。。。。 故在未来研究中,,,,,,应基于钛合金 燃烧条件、撒播模式、防护原理等理论和要领,,,,,,举行服役情形下钛火的防治手艺研究,,,,,,展现阻燃钛合金各元素对燃烧行为的作用机制,,,,,,建设钛合金钛合金启燃与情形(温度、压力、流速)的关系,,,,,,从基础上解决了阻燃钛合金工程化问题上保存的危害 。。。。。。 最终形成立异的具有自主知识产权的低本钱、高可靠的新型钛火防治手艺系统,,,,,,以知足我国未来航空发念头高效、减轻质量、延寿和高可靠性的需求。。。。。。
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