1 、小序

钛合金具有机械强度高、耐热性好、耐侵蚀性强等特点，，，，，，，从 20世纪 60年月最先，，，，，，，种种型号的钛合金逐渐应用在航空发念头上。。。。。。。。如 Ti-64主要用于电扇及低压压气机，，，，，，，Ti-6246可用于低压压气机后段和高压压气机前段高负荷零件上，，，，，，，IMI-834 可用于压气机最后一级钛零件，，，，，，，Ti-6242用于低压压气机后段和高压压气机前段的所有零件 [1] 。。。。。。。。近年来，，，，，，，随着军用航空发念头对高推重比的一直追求，，，，，，，钛合金的使用比例一直提高。。。。。。。。美国推重比 8 一级的 F404 发念头上钛合金用量为25%，，，，，，，推重比10一级的F119发念头上钛合金用量达39%。。。。。。。。但钛合金在特定情形下有容易着火燃烧的致命弱点。。。。。。。。航空发念头上因钛合金着火燃烧事务许多，，，，，，，如 F100、F404 和 RB211 等发念头都爆发过很是严重的钛火事故。。。。。。。。钛合金燃烧速率非？？？？？(一样平常钛合金机件的燃烧伸张时间从最先到竣事共计 4～20 s)，，，，，，，接纳灭火步伐显然来缺乏。。。。。。。。为此，，，，，，，必需接纳钛火防护步伐，，，，，，，阻止钛火爆发。。。。。。。。美国、俄罗斯和英国等对钛火防护手艺举行了大宗研究，，，，，，，开展了大宗试验验证，，，，，，，并建设了响应的试验平台。。。。。。。。

本文从钛合金在航空发念头中的应用入手，，，，，，，对爆发钛火故障的缘故原由举行剖析，，，，，，，并团结发念头上典范钛火故障，，，，，，，总结了钛火防护设计手艺，，，，，，，详细叙述了钛火防护手艺的试验验证要领和目的。。。。。。。。

2、 钛火爆发缘故原由及效果

航空发念头上钛火爆发的缘故原由，，，，，，，主要是由于摩擦，，，，，，，如断片、碎片，，，，，，，散失的螺钉、螺帽和外来物等进入燃气流道中，，，，，，，卡在转子与静子之间，，，，，，，造成钛制零件的相互摩擦；；；；；转子轴承和支持零件损坏，，，，，，，使转子相对静子爆发轴向和径向移动，，，，，，，造成钛制零件相互摩擦；；；；；由于结构设计不对理，，，，，，，转子与静子之间间隙过。。。。。。。。，，，，，，造成转子叶片与机匣内环摩擦等。。。。。。。。其次是气动加热，，，，，，，压气机喘振和失速会引起发念头中气流反向流动，，，，，，，从燃烧室后段返回的气流温度很高，，，，，，，一样平常在钛的燃点以上，，，，，，，这会引起压气机钛合金叶片起火。。。。。。。。美国曾对爆发的钛火事务举行过统计，，，，，，，其中由高压压气机事情叶片故障引起钛火的比例为 22.5%，，，，，，，由涡轮故障引起钛火的比例为20%[2] 。。。。。。。。

当发念头上爆发钛火时，，，，，，，关于高压压气机转子，，，，，，，中心级的前几级有可能泛起严重的叶尖摩擦征象；；；；；后几级叶型后燃烧产品增添，，，，，，，叶尖和尾缘上可能会有非一连燃烧或熔化征象，，，，，，，燃烧产品或残渣群集在叶型后部；；；；；中心级的事情叶片可能会大面积燃烧，，，，，，，厥后所有叶型所有销毁。。。。。。。。关于高压压气机静子，，，，，，，中心级的前几级因向前偏斜，，，，，，，导致静子叶片缘板泛起摩擦；；；；；后几级静子叶片后因有燃烧产品群集，，，，，，，在叶片尾缘处爆发非一连燃烧征象，，，，，，，尾缘两侧群集有燃烧产品或残渣；；；；；中心级后所有静子叶片所有销毁；；；；；正对中心级前机匣 360°过热，，，，，，，稍微燃烧；；；；；中心级机匣过热，，，，，，，有钛熔化征象；；；；；所有引气管线全被烧穿，，，，，，，气流携带熔化钛从后总管流向前总管，，，，，，，导致管路彻底熔化。。。。。。。。高压压气机爆发钛火后，，，，，，，会在燃烧室燃油喷嘴处群集许多燃烧产品，，，，，，，火焰筒因流动不规则导致燃烧、开裂和变形。。。。。。。。钛火会使涡轮入口导叶由于大宗金属群集而变形，，，，，，，某些群集物下方尚有热变形。。。。。。。。

由此可见，，，，，，，高压压气机上爆发钛火，，，，，，，不但会销毁所有的钛合金叶片，，，，，，，还会将机匣、整流叶片、叶盘、轴等其它非钛合金质料零件销毁，，，，，，，甚至导致燃烧室火焰筒、涡轮叶片等泛起差别水平损伤，，，，，，，压气机上种种毗连受线等也会损坏[2，，，，，，，3] 。。。。。。。。

3、 典范钛火故障

钛火故障是发念头上最危险的故障。。。。。。。。上世纪70～80 年月，，，，，，，许多发念头(军用或民用发念头)的高压压气机爆发过钛火故障。。。。。。。。

普惠公司F100发念头在台架试车时，，，，，，，发念头运转到最大状态时爆发钛合金燃烧，，，，，，，压气机完全销毁，，，，，，，且整个发念头被烧得面目一新。。。。。。。。GE公司F404发念头在 1987年爆发 4起钛火，，，，，，，造成 4架 F/A-18飞机坠毁。。。。。。。。英国罗·罗公司 RB211-524G2-T 发念头，，，，，，，在累计航行13 922 h和1 395个循环后爆发了钛火，，，，，，，剖析后发明，，，，，，，第1级高压压气机转子叶片泛起脱落，，，，，，，所有叶片均有差别水平的损伤，，，，，，，对其它部件也造成了破损。。。。。。。。图1显示了这次钛火故障造成的效果 [4] 。。。。。。。。

图1 RB211-524G2-T发念头钛火故障后部分形貌

Fig.1 Working blade of RB211-524G2-T completely fell off after titanium fire

普惠公司 PW4000在适航取证历程中举行容纳试验时，，，，，，，由于断裂的电扇叶片引起高压压气机喘振，，，，，，，造成压气机第 1级转子叶片的叶尖，，，，，，，将直接装在钛制机匣上的封严环磨穿，，，，，，，并与钛机匣摩擦引发钛火，，，，，，，且后窜的火焰还将后几级转子叶片部分烧熔。。。。。。。。

1977～1988 年间，，，，，，，苏联的 NK-8、NK-86、D-30和 AI-25 等发念头爆发过 30 多起钛火事务。。。。。。。。缘故原由是叶片卡在转子与静子之间、转子止推轴承损坏、转子与静子相互碰磨等。。。。。。。。

典范的钛火事务尚有许多，，，，，，，如：飞马发念头在试飞中压气机事情叶片与机匣相互碰磨引发钛火，，，，，，，飞机坠毁；；；；；CF6发念头一年之内曾爆发过 14起钛火事故。。。。。。。。在没有更好的质料取代钛合金在航空发念头上应用的情形下，，，，，，，钛合金在未来很长时间内仍然是主要的航空质料。。。。。。。。为此，，，，，，，必需研究钛火防护手艺，，，，，，，包管钛合金在发念头和飞机上的清静应用。。。。。。。。

4 、航空发念头中的钛火防护手艺

从设计思绪上讲，，，，，，，以下 4 种钛火防护设计要领较为有用。。。。。。。。

(1) 加装摩擦条设计。。。。。。。。在转子与机匣之间及封严件上加装摩擦条，，，，，，，可避免钛制转子叶片接触钛制机匣，，，，，，，同时能阻止太多能量群集在钛外貌，，，，，，，进而限制钛层温度。。。。。。。。早在上世纪 60 年月末，，，，，，，美国就在 F101发念头上接纳磷泼要领。。。。。。。。该发念头设计之初，，，，，，，就在9级高压压气机部件上思量了防钛火步伐，，，，，，，除第6级外，，，，，，，所有高压压气机转子流道外沿加装可拆卸内衬环(作用与摩擦条相同)，，，，，，，避免转子叶片叶尖与机匣内壁接触碰磨，，，，，，，尽可能减小摩擦损伤，，，，，，，以降低钛火爆发概率。。。。。。。。F119 发念头接纳了在机匣上加装摩擦条的要领。。。。。。。。摩擦条要设计得易磨，，，，，，，且只能摩擦到某种厚度，，，，，，，太深的摩擦可能会穿透、磨掉或熔化掉摩擦条，，，，，，，使钛质料裸露。。。。。。。。摩擦条可接纳几种差别的质料，，，，，，，规模从在低温区填充人造橡胶到高温区喷涂金属涂层、粘结质料和钢。。。。。。。。

(2) 接纳防护涂层，，，，，，，主要是阻燃涂层。。。。。。。。阻燃涂层的事情原理是只管阻止钛合金件之间相互接触碰磨，，，，，，，阻止热量向基体撒播。。。。。。。。但阻燃涂层的阻燃作用，，，，，，，受其质料成份、事情情形及阻燃涂层与基体质料内部组织结构匹配的限制。。。。。。。。有些阻燃涂层会随着事情情形温度和压力的升高，，，，，，，逐渐失去阻燃作用。。。。。。。。为此，，，，，，，阻燃涂层质料必需具有优异的导热性、抗氧化性、粘结性、与基体的兼容性、工艺性，，，，，，，易磨耗性和低的摩擦系数。。。。。。。。阻燃涂层通常喷涂在机匣内壁、鼓筒和转子叶尖等区域。。。。。。。。喷涂要领一样平常接纳物理气相沉积法、化学气相沉积法及通例电镀要领等。。。。。。。。

这种钛火防护手艺在 F119、AL-31F、EJ200(图2)等多种发念头上都获得了很好应用。。。。。。。。

图2 EJ200上涂有氮化硼涂层的钛制叶片

Fig.2 Boron nitrides coated on titanium blades of EJ200

除了阻燃涂层外，，，，，，，有时还在这些抗摩擦元件上喷涂易磨削涂层。。。。。。。。如 CFM56发念头，，，，，，，在高压压气机机匣内环上加装了避免摩擦的钢制衬套和防火隔圈，，，，，，，隔圈上喷涂有易磨削涂层。。。。。。。。

(3) 间隙设计手艺。。。。。。。。设计间隙时，，，，，，，从两方面思量镌汰摩擦的可能性。。。。。。。。一是在某些允许的情形下，，，，，，，适当加大转子叶尖与静子间的径向间隙，，，，，，，降低转子叶片与机匣内环爆发摩擦的概率；；；；；二是适量加大转子叶片与整流叶片间的轴向间隙，，，，，，，镌汰因喘振和失速导致的转子、整流叶片碰撞。。。。。。。。但这种要体会降低压气机效率和喘振裕度，，，，，，，需合理设计。。。。。。。。

(4) 接纳机匣处置惩罚步伐，，，，，，，特殊是在机匣上开斜槽以避免热膨胀和失速。。。。。。。。

以上钛火防护设计要领，，，，，，，在航空发念头设计之初就应充分思量，，，，，，，这样才华降低钛合金着火概率，，，，，，，镌汰燃烧撒播，，，，，，，消除机匣烧穿隐患，，，，，，，从设计理念上把钛火防护手艺融入到设计历程中。。。。。。。。别的，，，，，，，替换质料也是 一 种 有 效 的 钛 火 防 护 方 法，，，，，，，如 F404-GE-400、CFM56-3和 NK-86等发念头都接纳过，，，，，，，但会增添重量 [5～7] 。。。。。。。。

5、 钛火防护手艺的试验验证

钛火防护手艺试验验证是防钛火设计最主要的环节。。。。。。。。如 EJ200 发念头设计时，，，，，，，接纳了防钛火涂层。。。。。。。。为确认这种防钛火要领的有用性，，，，，，，通过在该发念头上举行钛火容纳试验予以了验证。。。。。。。。

钛火防护手艺的试验验证，，，，，，，可在能模拟发念头工况的钛火试验平台或直接在发念头上举行。。。。。。。。试验验证纲要中还要思量选择合理的钛合金燃烧要领和熄灭要领，，，，，，，及钛火效果处置惩罚和评估要领等。。。。。。。。通常，，，，，，，选择小型风洞作为钛火防护手艺试验验证平台，，，，，，，由于在小型风洞中可模拟气流在压气机中的情形压力、温度和速率，，，，，，，并可深入相识旋转部件的性能。。。。。。。。钛火防护手艺试验验证最主要的一点，，，，，，，是试验条件(试验所需温度、压力及空气流量)的组织。。。。。。。。美国空军研究实验室的钛火试验装备，，，，，，，接纳活塞式压气机供气，，，，，，，在空气供应时，，，，，，，压力可通过开关活门的反响控制器维持在额定值，，，，，，，流量可通过位于控制室中的远程控制器调理，，，，，，，所需温度则通过高温炉加热获得。。。。。。。。试验验证时还需要确定钛合金的燃烧要领。。。。。。。。钛合金的燃烧要领，，，，，，，有激光燃烧、摩擦燃烧、金属液滴燃烧、电火花燃烧、等离子燃烧和机械冒犯燃烧等。。。。。。。。美国在阻燃钛合金试验验证时通常接纳激光燃烧法，，，，，，，俄罗斯则接纳摩擦燃烧法。。。。。。。。稳态试验中通常接纳机械冒犯燃烧法。。。。。。。。下面以乌克兰 AI-25发念头为例，，，，，，，详细叙述怎样开展钛火防护手艺的试验验证。。。。。。。。

AI-25发念头是在上世纪60年月研制的涡扇发念头，，，，，，，其零部件质料中，，，，，，，钛合金所占比例约为 70%，，，，，，，占发念头总重的 30%，，，，，，，以该发念头为平台举行防钛火要领试验验证很是具有代表性。。。。。。。。该发念头设计时，，，，，，，主要通过合理设计径向间隙的要领来避免钛火，，，，，，，以是在钛火再现试验时，，，，，，，主要针对间隙举行控制。。。。。。。。

如该发念头工程图上的间隙值为 3.6 +1.23-1.53 mm，，，，，，，试验时将其 8级高压压气机最后几级的间隙选为最。。。。。。。。，，，，，，约为 0.8 +0.2 mm，，，，，，，以此来验证间隙设计对防钛火的有用性。。。。。。。。验证试验接纳摩擦燃烧的方法。。。。。。。。为组织转子与静子摩擦，，，，，，，专门设计一种装置，，，，，，，并将其装置在高压压气机的滚珠轴承上。。。。。。。。转静子摩擦装置可通过应变传感器对运行中的发念头的转子位移举行丈量，，，，，，，并能同时包管转子行程不凌驾3 mm [8] 。。。。。。。。

为避免外涵机匣被烧穿，，，，，，，机匣上涂抹维克辛特有机硅密封剂У-4-21成份的涂层，，，，，，，涂层厚度约为 2mm。。。。。。。。为确定高压压气机部件钛火爆发的时刻，，，，，，，及对发念头静子零件热状态举行一连监控，，，，，，，在燃烧室外涵机匣上安排热电偶，，，，，，，对高压压气机后空气温度、燃烧室3号增强筋平面上温度和涡轮后空气温度举行丈量。。。。。。。。

钛火再现试验时，，，，，，，发念头先在慢车状态事情一段时间，，，，，，，然后加速到 92.8%压气机转子最大转速，，，，，，，启动高压压气机转子轴向位移装置。。。。。。。。当发念头事情响声改变后，，，，，，，尾喷管喷出火焰，，，，，，，发念头发出爆声。。。。。。。。这时最先收罗高压压气机中元件着火的相关数据。。。。。。。。数据显示，，，，，，，高压压气机后温度阶跃性升高到1 300℃，，，，，，，燃烧室中温度急剧升高到1 075℃，，，，，，，高压压气机后空气压

力急剧降低，，，，，，，高压压气机转子转速下降，，，，，，，振动水平增大。。。。。。。。钛火爆发瞬间，，，，，，，尾喷管中有火舌喷出。。。。。。。。

试验竣事后，，，，，，，剖析发念头，，，，，，，效果证实转静摩擦装置有用，，，，，，，钛合金制造的高压压气机零件爆发燃烧，，，，，，，是由于高压压气机第 8级转子盘后端面与第 8级导向器内圈接触碰摩所致。。。。。。。。钛火导致的效果有：①高压压气机第8级导向器、内环和内扩压器所有销毁；；；；；②高压压气机第8级转子与第8级导向器内环碰摩处，，，，，，，盘端面烧坏和事情叶片榫头烧焦；；；；；③火焰筒头部和

火焰稳固器头部局部销毁；；；；；④火焰筒头部之间的燃烧室外机匣局部销毁；；；；；⑤轮毂碰摩处后篦齿上端边沿篦齿销毁；；；；；⑥高压涡轮事情叶片所有带冠缘板所有断裂，，，，，，，叶身变形；；；；；⑦涡轮机匣下端烧坏并熔化；；；；；⑧喷涂维克辛特有机硅密封剂У-4-21的机匣下端，，，，，，，约莫5%面积上涂层厚度一半处爆发热结构热变形，，，，，，，剩余一半涂层和其它位置密封胶情形优异。。。。。。。。

通过在 AI-25 发念头上举行钛火再现试验，，，，，，，进一步验证了合理设计高压压气机上的径向间隙和轴向间隙是防钛火的有用步伐。。。。。。。。另外，，，，，，，还验证了钛合金叶片边沿加厚、降低变应力值，，，，，，，提高径向止推轴承润滑系统和冷却系统的可靠性，，，，，，，不可对接纳钛合金(如接纳钢和镍基合金作压气机机匣、导向器叶片质料)等，，，，，，，也可有用避免钛火爆发。。。。。。。。

6、 竣事语

防钛火设计最幸亏航空发念头设计之初就充分思量，，，，，，，这样可阻止以后换质料、修改设计等带来的增重和效率下降等倒运因素。。。。。。。。钛火防护设计要领的试验验证很是重大，，，，，，，但它是能够确认防钛火要领有用性的最直接手段。。。。。。。。AI-25发念头上举行的钛火试验充分批注，，，，，，，可在真实发念头上再现钛火历程，，，，，，，核实钛火缘故原由和验证钛火防护要领。。。。。。。。EJ200发念头上的容纳试验也批注，，，，，，，钛火防护设计是阻止钛火烧穿机匣的最有用步伐。。。。。。。。这些实例充辩白明晰钛火防护手艺试验验证的主要性，，，，，，，只有通过试验验证的防钛火步伐才是最有用的防钛火步伐，，，，，，，用在发念头上才清静可靠。。。。。。。。

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