航空發動機鈦火試驗技術研究新進展

弭光寶，黃　旭，曹京霞，曹春曉

(北京航空材料研究院 先進鈦合金航空科技重點實驗室， 北京 100095)

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航空發動機鈦火試驗技術研究新進展

弭光寶，黃旭，曹京霞，曹春曉

(北京航空材料研究院 先進鈦合金航空科技重點實驗室， 北京 100095)

鈦火是現代航空發動機典型的災難性故障。針對高推重比發動機對鈦火試驗技術的迫切需求，系統開展了摩擦氧濃度法鈦合金燃燒技術及理論研究，建立了阻燃性能評價方法和摩擦著火模型，闡明了阻燃鈦合金的阻燃機理。在總結近期研究進展基礎上，從鈦火的演化規律、機理和防控三個層次，提出鈦火試驗技術及應用研究的思路和方向，即接近發動機氣流環境的阻燃性能綜合評價、發動機氣流環境的阻燃性能預測模型和阻燃技術的試驗驗證。未來實現發動機鈦火防控體系的科學構建，助推壓氣機“全鈦化”和發動機推重比不斷提高。

高溫鈦合金；摩擦氧濃度法；阻燃性能；燃燒機理；鈦火防控技術；阻燃涂層

航空發動機鈦火是一種典型的鈦合金燃燒致災故障，危害巨大。葉片與機匣之間的非正常摩擦是主要的點火源，瞬間溫度高達2700 ℃[1]。鈦火一旦發生，在高溫、高壓和高速的氣流環境中呈“裂變式”發展，壓氣機零部件持續燃燒時間不超過20 s，難以采取有效的滅火措施，造成葉片燒損、機匣燒穿，甚至燒毀整個發動機[2-3]。除了環境因素，鈦合金顯著區別于其他金屬元素具有高的化學反應生成熱[4]、低的導熱系數等特性，是鈦火發生的內因。

20世紀60年代以來，高推重比先進發動機對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，即隨著發動機推重比提高，鈦合金用量增大，壓氣機鈦合金構件的工作條件更為復雜和苛刻，鈦火傾向性和嚴重性大大增加，致使鈦火故障頻發。國內外軍用和民用發動機發生過170余起鈦火，不僅造成巨大經濟損失，也嚴重影響了人們對高溫鈦合金使用的信心，大有“談鈦色變”之勢，鈦火的預防與控制即鈦火防控成為制約發動機發展的重大難題。

鈦火試驗技術即鈦合金/構件燃燒技術，是科學認識發動機鈦火特性與機理，構筑鈦火綜合防控體系的核心與關鍵。美國和俄羅斯等航空強國通過開展鈦火試驗技術研究，對發動機鈦火防控技術的阻燃性能進行了綜合評價與驗證[1,3-6]，實現了鈦火故障由被動應對向主動防控的重大轉變，并把鈦火安全理念融入到發動機結構設計中，為鈦合金在先進發動機上大量應用、提升推重比，以及驗證民用發動機適航安全性提供了理論與技術支撐。然而，由于國外技術封鎖等原因，我國在鈦火試驗技術上一直進展很緩慢，導致先進發動機鈦火防控技術的設計思想、實施細節及阻燃機理不清楚，長期困擾和限制了發動機設計對鈦合金大量選材。

因此，近五年本課題組以鈦火試驗技術為突破口，系統開展了摩擦氧濃度法鈦合金燃燒技術及理論研究[7-15]，建立了阻燃性能評價方法，闡明了阻燃鈦合金的阻燃機理。本文綜述了近期研究進展，并對未來研究方向作出展望。

1　摩擦氧濃度法鈦合金燃燒技術

“摩擦點火最具備模擬發動機鈦火發生的方式和條件”，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實現塊體金屬材料點火燃燒的思想，將摩擦接觸壓力Pfric與預混氣流氧濃度c0設計為控制參數，發明了摩擦氧濃度法(Friction Oxygen Concentration Method, FOC)鈦合金燃燒技術與裝置，試驗原理如圖1所示。試驗過程中，采用數字式質量流量控制器提供富氧的氣流環境，轉子試樣A與靜子試樣B形成一對摩擦副，因劇烈高速摩擦，試樣局部溫度急劇升高，直至點燃。轉子試樣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，通過調控測試參數Pfric和c0，得到不同試驗條件下點燃與不燃的多個試驗點。經過數據分析處理，將獲得的Pfric-c0關系曲線作為表征鈦合金阻燃性能的指標。

通過改進摩擦接觸壓力控制系統的潤滑條件和氣密性，反復調試及幾百次試驗，進一步規范了試驗參數、初始試驗條件及試樣形貌(見圖2)等定義，在Pfric一定條件下，使表征參數c0的控制精度達到0.9%。在此基礎上，歸納總結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，是衡量發動機鈦合金使用安全性的關鍵性能指標之一，英文表達優先使用fireproof property，包括抵抗熱自燃、點燃和擴展燃燒三個方面的性能；制定了中航工業集團公司標準《鈦合金抗摩擦點燃試驗方法(AVIC-2015)》，標準審查結論認為，“該標準結合了最新研究成果，達到了國外同類標準的先進水平”。2015年10月，摩擦氧濃度法鈦合金燃燒技術及阻燃性能測試結果通過了總裝軍用材料瓶頸技術項目評審專家組的現場測試評審，包括阻燃性能測試大綱及現場測試結果，確保了某型號重點任務的里程碑節點測試與試驗驗證。未來將在進一步擴大應用和廣泛征求意見基礎上形成航空行業標準。

圖1　摩擦氧濃度法鈦合金燃燒試驗裝置原理圖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) 未點燃；(c，d)點燃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和表征方法，評價了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，為發動機鈦合金阻燃等級劃分積累了基礎數據，部分鈦合金摩擦燃燒過程及阻燃性能試驗結果如圖3～圖4所示。首次明確了V，Cr元素對Ti-V-Cr系鈦合金阻燃性能的影響，當Cr含量為15-0.3Si-0.1C)阻燃鈦合金的阻燃性能差異小于5%，有助于推動阻燃鈦合金在高推重比發動機上應用。此外，%(質量分數，下同)時，V含量相差10%的Ti40(Ti-25V-15Cr-0.2Si)和TF550(Ti-35V-15Cr對壓氣機鈦合金阻燃涂層進行了初步篩選和驗證，為開展鈦火防護原理及新技術研究奠定了基礎。上述研究結果已被推重比XA～XB, XO等型號發動機研制所應用。

圖3　高溫鈦合金摩擦點火過程原位觀察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結果Fig.4　Experimental results of fireproof property for titanium alloys

3　鈦合金摩擦著火理論模型

在試驗研究基礎上，通過分析鈦合金著火的物理過程和機理，建立了摩擦著火理論模型。即：轉子試樣A與靜子試樣B高速摩擦過程中，靜子試樣B中心孔附近的溫度急劇升高，當帶有原生表面的微凸體突然出現在某一氧濃度ci的氣氛時，部分氧分子與表面發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，此時氧的化學吸附是作用的微觀本質，反應速率依賴于ci，當ci增大至某一臨界值c0時，反應速率急劇增大即著火發生。基于著火熱理論[16-17]對摩擦著火機理進行模型計算與分析，得到

(1)

式中：K0,E為O2在微凸體表面解離吸附過程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反應熱；R為氣體常數；為發生著火的臨界氧濃度；Pi為系統氣體總壓力；P0.1為大氣壓力；T*為著火臨界溫度。

將導熱系數等參數代入式(1)，得出Ti40合金T*與Pi的關系

(2)

根據式(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%大氣環境中，當Pi在0.1～0.5 MPa變化時，Т*的變化范圍為1150～1323 K，如圖5所示。在Pi=0.5 MPa時，典型氣流溫度下Ti40合金的5次燃燒試驗均未發生著火，如圖6所示，間接驗證了阻燃鈦合金的摩擦著火模型。這些研究結果為鈦合金燃燒技術應用研究奠定了理論基礎。

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

圖6　典型氣流溫度下Ti40合金著火試驗結果Fig.6　Ignition experimental results of Ti40 alloy under typical gas flow temperature

4　阻燃鈦合金的阻燃機理

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

當Cr元素含量為15%時，V元素含量在20%～40%之間時，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)；非等溫氧化過程形成的液態相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散。

圖7　阻燃鈦合金非等溫氧化試驗結果Fig.7　Experimental results of non-isothermal oxidization of fireproof titanium alloy

當摩擦升溫至V2O5的熔點時，摩擦接觸面的摩擦系數大幅下降，根據式(3)摩擦生熱的降幅達到60%；結合摩擦磨損產物分析(見圖8)，液態“軟化相”V2O5彌合了“硬質相”TiO2和Cr2O3之間剛性連接產生的缺陷，極大地釋放了表面氧化膜的內應力，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合強度得到改善，抑制了具有原生金屬表面的微凸體大量產生。

(3)

σs為屈服強度；A為摩擦實際接觸面積。

圖8　TF550合金摩擦磨損產物XRD分析Fig.8　XRD analysis of frictional wear products of TF550 alloy

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

當合金摩擦著火后，迅速進入擴展燃燒階段(見圖9)。燃燒產物主要有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體存在(見圖10)：分散顆粒為規則的球形；致密連續燃燒產物的微觀組織具有分區特征(圖11)，從合金基體至燃燒表面依次為過渡區(TR)、熱影響區(HE)、熔凝區(FU)和燃燒區(CO)。熱影響區的V基固溶體降低了Ti元素向熔凝區的遷移速率，減慢了燃燒區Ti與O的優先反應；燃燒區形成的TiO2，V2O5和Cr2O3混合氧化物和熔凝區O在Ti中大量固溶共同終止了O向合金基體的繼續擴散。

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

基于上述理論研究，初步設計了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，驗證了阻燃物理模型，為發動機鈦火防控技術研究提供了設計思路。

圖11　Ti40合金燃燒產物截面分析　(a)SEM形貌;(b)圖(a)中各區域元素平均分布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　未來研究方向

盡管目前在鈦合金燃燒技術及阻燃性能研究上取得重要進展，但與國外鈦火試驗技術及應用研究的水平還存在較大差距，包括壓氣機結構設計、合金材料及表面技術的阻燃性能綜合評價與試驗驗證，以及阻燃工程判據等方面。面向未來，任重而道遠。尤其隨著我國先進發動機研制進程的加快、考核驗證臺份數量的增大，鈦火出現的概率和風險將會提高，鈦合金使用安全性問題成為發動機結構研究的重點方向。未雨綢繆，為有效防控鈦火隱患，急需在目前研究基礎上，系統深入開展鈦火試驗技術及應用研究。通過分別研究阻燃性能的綜合評價、預測模型及試驗驗證所包含的關鍵科學問題，以及三者之間的相互影響與關聯性，提出了以下研究思路和發展方向，如圖12所示。

圖12　發動機鈦火試驗技術研究思路Fig.12　Research thinking of experimental technique for titanium fire in aero-engine

(1)鈦火演化規律與綜合評價方法。綜合考慮發動機的結構特點和復雜環境因素，建立接近發動機氣流環境的鈦火試驗裝置及阻燃性能評價方法，科學認識鈦合金/構件的阻燃性能和多參數耦合作用下點火燃燒的動力學行為。

(2)鈦火機理與理論預測模型。解明鈦合金/構件的燃燒模型和阻燃機理，預測發動機氣流環境的阻燃性能，提出阻燃設計準則。

(3)鈦火防控技術與工程試驗驗證。發展鈦合金/構件阻燃技術的阻燃性能驗證與部件級考核方法，試驗驗證鈦火試驗技術，建立合金、涂層和結構協同的阻燃技術體系。

總之，發動機鈦火試驗技術及理論研究是一個富有挑戰性的技術難題，也是多學科交叉的研究領域，需要材料、制造、摩擦、燃燒和設計等專業大力協同。通過解決這一瓶頸問題，有望實現發動機鈦火防控體系的科學構建，從而有助于壓氣機“全鈦化”和發動機推重比不斷提高。

感謝北京航空材料研究院陶春虎研究員和圣彼得堡國立技術大學帕拉勃夫.В教授分別在科學問題凝煉和著火溫度計算方面的有益建議。

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(責任編輯：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

國家自然科學基金(51471155)；中航工業技術創新基金(2014E62149R)

弭光寶(1981—)，男，博士，高級工程師，主要從事高溫鈦合金及阻燃性能評價等方面研究，(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