航空发动机钛火试验技术研究新进展

弭光宝，黄　旭，曹京霞，曹春晓

(北京航空材料研究院 先进钛合金航空科技重点实验室， 北京 100095)



航空发动机钛火试验技术研究新进展

弭光宝，黄旭，曹京霞，曹春晓

(北京航空材料研究院 先进钛合金航空科技重点实验室， 北京 100095)

钛火是现代航空发动机典型的灾难性故障。针对高推重比发动机对钛火试验技术的迫切需求，系统开展了摩擦氧浓度法钛合金燃烧技术及理论研究，建立了阻燃性能评价方法和摩擦着火模型，阐明了阻燃钛合金的阻燃机理。在总结近期研究进展基础上，从钛火的演化规律、机理和防控三个层次，提出钛火试验技术及应用研究的思路和方向，即接近发动机气流环境的阻燃性能综合评价、发动机气流环境的阻燃性能预测模型和阻燃技术的试验验证。未来实现发动机钛火防控体系的科学构建，助推压气机“全钛化”和发动机推重比不断提高。

高温钛合金；摩擦氧浓度法；阻燃性能；燃烧机理；钛火防控技术；阻燃涂层

航空发动机钛火是一种典型的钛合金燃烧致灾故障，危害巨大。叶片与机匣之间的非正常摩擦是主要的点火源，瞬间温度高达2700 ℃[1]。钛火一旦发生，在高温、高压和高速的气流环境中呈“裂变式”发展，压气机零部件持续燃烧时间不超过20 s，难以采取有效的灭火措施，造成叶片烧损、机匣烧穿，甚至烧毁整个发动机[2-3]。除了环境因素，钛合金显著区别于其他金属元素具有高的化学反应生成热[4]、低的导热系数等特性，是钛火发生的内因。

20世纪60年代以来，高推重比先进发动机对钛合金用量提高的需求与钛火倾向性增大的尖锐矛盾凸显，即随着发动机推重比提高，钛合金用量增大，压气机钛合金构件的工作条件更为复杂和苛刻，钛火倾向性和严重性大大增加，致使钛火故障频发。国内外军用和民用发动机发生过170余起钛火，不仅造成巨大经济损失，也严重影响了人们对高温钛合金使用的信心，大有“谈钛色变”之势，钛火的预防与控制即钛火防控成为制约发动机发展的重大难题。

钛火试验技术即钛合金/构件燃烧技术，是科学认识发动机钛火特性与机理，构筑钛火综合防控体系的核心与关键。美国和俄罗斯等航空强国通过开展钛火试验技术研究，对发动机钛火防控技术的阻燃性能进行了综合评价与验证[1,3-6]，实现了钛火故障由被动应对向主动防控的重大转变，并把钛火安全理念融入到发动机结构设计中，为钛合金在先进发动机上大量应用、提升推重比，以及验证民用发动机适航安全性提供了理论与技术支撑。然而，由于国外技术封锁等原因，我国在钛火试验技术上一直进展很缓慢，导致先进发动机钛火防控技术的设计思想、实施细节及阻燃机理不清楚，长期困扰和限制了发动机设计对钛合金大量选材。

因此，近五年本课题组以钛火试验技术为突破口，系统开展了摩擦氧浓度法钛合金燃烧技术及理论研究[7-15]，建立了阻燃性能评价方法，阐明了阻燃钛合金的阻燃机理。本文综述了近期研究进展，并对未来研究方向作出展望。

1　摩擦氧浓度法钛合金燃烧技术

“摩擦点火最具备模拟发动机钛火发生的方式和条件”，基于摩擦生热原理和着火热理论，提出局部摩擦升温与氧分压精确控制来实现块体金属材料点火燃烧的思想，将摩擦接触压力Pfric与预混气流氧浓度c0设计为控制参数，发明了摩擦氧浓度法(Friction Oxygen Concentration Method, FOC)钛合金燃烧技术与装置，试验原理如图1所示。试验过程中，采用数字式质量流量控制器提供富氧的气流环境，转子试样A与静子试样B形成一对摩擦副，因剧烈高速摩擦，试样局部温度急剧升高，直至点燃。转子试样A与静子试样B的初始温度恒定，在一定气流温度和压力下，通过调控测试参数Pfric和c0，得到不同试验条件下点燃与不燃的多个试验点。经过数据分析处理，将获得的Pfric-c0关系曲线作为表征钛合金阻燃性能的指标。

通过改进摩擦接触压力控制系统的润滑条件和气密性，反复调试及几百次试验，进一步规范了试验参数、初始试验条件及试样形貌(见图2)等定义，在Pfric一定条件下，使表征参数c0的控制精度达到0.9%。在此基础上，归纳总结了钛合金阻燃性能的概念，即材料所具有的防止、终止或减慢燃烧的特性，是衡量发动机钛合金使用安全性的关键性能指标之一，英文表达优先使用fireproof property，包括抵抗热自燃、点燃和扩展燃烧三个方面的性能；制定了中航工业集团公司标准《钛合金抗摩擦点燃试验方法(AVIC-2015)》，标准审查结论认为，“该标准结合了最新研究成果，达到了国外同类标准的先进水平”。2015年10月，摩擦氧浓度法钛合金燃烧技术及阻燃性能测试结果通过了总装军用材料瓶颈技术项目评审专家组的现场测试评审，包括阻燃性能测试大纲及现场测试结果，确保了某型号重点任务的里程碑节点测试与试验验证。未来将在进一步扩大应用和广泛征求意见基础上形成航空行业标准。

图1　摩擦氧浓度法钛合金燃烧试验装置原理图Fig.1　Schematic diagram of combustion testing apparatus by friction oxygen concentration method

图2　钛合金燃烧后试样的形貌　(a，b) 未点燃；(c，d)点燃Fig.2　Sample patterns after combustion of titanium alloy　(a, b) no ignition; (c, d) ignition

2　阻燃钛合金等高温钛合金的阻燃性能

采用建立的钛合金燃烧技术和表征方法，评价了Ti40，TF550等阻燃钛合金，Ti60,TC11等高温钛合金，以及TiAl,Ti3Al等钛铝金属间化合物的阻燃性能，为发动机钛合金阻燃等级划分积累了基础数据，部分钛合金摩擦燃烧过程及阻燃性能试验结果如图3～图4所示。首次明确了V，Cr元素对Ti-V-Cr系钛合金阻燃性能的影响，当Cr含量为15-0.3Si-0.1C)阻燃钛合金的阻燃性能差异小于5%，有助于推动阻燃钛合金在高推重比发动机上应用。此外，%(质量分数，下同)时，V含量相差10%的Ti40(Ti-25V-15Cr-0.2Si)和TF550(Ti-35V-15Cr对压气机钛合金阻燃涂层进行了初步筛选和验证，为开展钛火防护原理及新技术研究奠定了基础。上述研究结果已被推重比XA～XB, XO等型号发动机研制所应用。

图3　高温钛合金摩擦点火过程原位观察Fig.3　In-situ observation of friction ignition process of high temperature titanium alloy

图4　几种钛合金的阻燃性能试验结果Fig.4　Experimental results of fireproof property for titanium alloys

3　钛合金摩擦着火理论模型

在试验研究基础上，通过分析钛合金着火的物理过程和机理，建立了摩擦着火理论模型。即：转子试样A与静子试样B高速摩擦过程中，静子试样B中心孔附近的温度急剧升高，当带有原生表面的微凸体突然出现在某一氧浓度ci的气氛时，部分氧分子与表面发生非弹性碰撞而被吸附于活性位置，吸附的氧分子迅速解离并获得金属的电子形成氧离子，此时氧的化学吸附是作用的微观本质，反应速率依赖于ci，当ci增大至某一临界值c0时，反应速率急剧增大即着火发生。基于着火热理论[16-17]对摩擦着火机理进行模型计算与分析，得到

(1)

式中：K0,E为O2在微凸体表面解离吸附过程Arrhenius方程的指前因子和激活能；Q为微凸体与氧作用的单位化学反应热；R为气体常数；为发生着火的临界氧浓度；Pi为系统气体总压力；P0.1为大气压力；T*为着火临界温度。

将导热系数等参数代入式(1)，得出Ti40合金T*与Pi的关系

(2)

根据式(2)可以得到，摩擦条件下，Ti40合金的Т*随着Pi的增大而减小，在c0=21%大气环境中，当Pi在0.1～0.5 MPa变化时，Т*的变化范围为1150～1323 K，如图5所示。在Pi=0.5 MPa时，典型气流温度下Ti40合金的5次燃烧试验均未发生着火，如图6所示，间接验证了阻燃钛合金的摩擦着火模型。这些研究结果为钛合金燃烧技术应用研究奠定了理论基础。

图5　Ti40合金着火温度与压力关系Fig.5　Relationship between ignition temperature and pressure of Ti40 alloy

图6　典型气流温度下Ti40合金着火试验结果Fig.6　Ignition experimental results of Ti40 alloy under typical gas flow temperature

4　阻燃钛合金的阻燃机理

通过分析高温氧化、摩擦磨损和扩展燃烧的过程及产物，阐明了Ti-V-Cr系阻燃钛合金的阻燃机理。即在Ti合金中添加V和Cr元素，起到了阻止氧化的作用，生成的低熔点氧化物V2O5大幅度减少了摩擦生热，并在燃烧过程形成了一个新的合金层(V基固溶体)阻止了O向合金基体、Ti向燃烧表面的大量扩散，从而提高了阻燃钛合金的阻燃性能。

当Cr元素含量为15%时，V元素含量在20%～40%之间时，Ti-V-Cr合金的抗非等温氧化性差异较小，且显著高于Ti-V合金(见图7)；非等温氧化过程形成的液态相V2O5与Cr2O3，TiO2的混合氧化物共同阻止了O向合金基体的大量扩散。

图7　阻燃钛合金非等温氧化试验结果Fig.7　Experimental results of non-isothermal oxidization of fireproof titanium alloy

当摩擦升温至V2O5的熔点时，摩擦接触面的摩擦系数大幅下降，根据式(3)摩擦生热的降幅达到60%；结合摩擦磨损产物分析(见图8)，液态“软化相”V2O5弥合了“硬质相”TiO2和Cr2O3之间刚性连接产生的缺陷，极大地释放了表面氧化膜的内应力，形成了相容性较好的混合氧化物，从而使氧化膜的致密性及与基体的结合强度得到改善，抑制了具有原生金属表面的微凸体大量产生。

(3)

σs为屈服强度；A为摩擦实际接触面积。

图8　TF550合金摩擦磨损产物XRD分析Fig.8　XRD analysis of frictional wear products of TF550 alloy

图9　TF550合金扩展燃烧过程原位观察Fig.9　In-situ observation of extended combustion process for TF550 alloy

当合金摩擦着火后，迅速进入扩展燃烧阶段(见图9)。燃烧产物主要有TiO2，V2O5和Cr2O3三种氧化物，该混合氧化物以分散颗粒和致密连续体存在(见图10)：分散颗粒为规则的球形；致密连续燃烧产物的微观组织具有分区特征(图11)，从合金基体至燃烧表面依次为过渡区(TR)、热影响区(HE)、熔凝区(FU)和燃烧区(CO)。热影响区的V基固溶体降低了Ti元素向熔凝区的迁移速率，减慢了燃烧区Ti与O的优先反应；燃烧区形成的TiO2，V2O5和Cr2O3混合氧化物和熔凝区O在Ti中大量固溶共同终止了O向合金基体的继续扩散。

图10　Ti40合金燃烧产物表面分析Fig.10　Analysis of burning product surface of Ti40 alloy

基于上述理论研究，初步设计了Ti-Mo-X和Ti-V-Y两种β钛合金的主干成分，阻燃性能均比TC4钛合金高20%以上；并尝试开展了钛合金表面喷涂工艺和激光增材制造阻燃涂层研究，阻燃性能较基体提高10%以上，验证了阻燃物理模型，为发动机钛火防控技术研究提供了设计思路。

图11　Ti40合金燃烧产物截面分析　(a)SEM形貌;(b)图(a)中各区域元素平均分布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　未来研究方向

尽管目前在钛合金燃烧技术及阻燃性能研究上取得重要进展，但与国外钛火试验技术及应用研究的水平还存在较大差距，包括压气机结构设计、合金材料及表面技术的阻燃性能综合评价与试验验证，以及阻燃工程判据等方面。面向未来，任重而道远。尤其随着我国先进发动机研制进程的加快、考核验证台份数量的增大，钛火出现的概率和风险将会提高，钛合金使用安全性问题成为发动机结构研究的重点方向。未雨绸缪，为有效防控钛火隐患，急需在目前研究基础上，系统深入开展钛火试验技术及应用研究。通过分别研究阻燃性能的综合评价、预测模型及试验验证所包含的关键科学问题，以及三者之间的相互影响与关联性，提出了以下研究思路和发展方向，如图12所示。

图12　发动机钛火试验技术研究思路Fig.12　Research thinking of experimental technique for titanium fire in aero-engine

(1)钛火演化规律与综合评价方法。综合考虑发动机的结构特点和复杂环境因素，建立接近发动机气流环境的钛火试验装置及阻燃性能评价方法，科学认识钛合金/构件的阻燃性能和多参数耦合作用下点火燃烧的动力学行为。

(2)钛火机理与理论预测模型。解明钛合金/构件的燃烧模型和阻燃机理，预测发动机气流环境的阻燃性能，提出阻燃设计准则。

(3)钛火防控技术与工程试验验证。发展钛合金/构件阻燃技术的阻燃性能验证与部件级考核方法，试验验证钛火试验技术，建立合金、涂层和结构协同的阻燃技术体系。

总之，发动机钛火试验技术及理论研究是一个富有挑战性的技术难题，也是多学科交叉的研究领域，需要材料、制造、摩擦、燃烧和设计等专业大力协同。通过解决这一瓶颈问题，有望实现发动机钛火防控体系的科学构建，从而有助于压气机“全钛化”和发动机推重比不断提高。

感谢北京航空材料研究院陶春虎研究员和圣彼得堡国立技术大学帕拉勃夫.В教授分别在科学问题凝炼和着火温度计算方面的有益建议。

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(责任编辑：张峥)

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

国家自然科学基金(51471155)；中航工业技术创新基金(2014E62149R)

弭光宝(1981—)，男，博士，高级工程师，主要从事高温钛合金及阻燃性能评价等方面研究，(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