航空发动机钛火试验技术研究新进展

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.     

航空发动机钛火预防技术研究的进展

针对航空发动机防钛火的控制技术,结合国内外相关工作的研究状况,从钛火机制分析、防钛火阻燃合金的作用机制、阻燃钛合金体系研究状况、阻燃涂层的研究及防钛火结构设计等方面,对航空发动机钛火控制技术领域取得的研究成果进行总结和分析.重点论述了各国先进航空发动机中良好的钛火预防技术,并提出我国应建立钛合金启燃与环境(温度、压力、流速)的关系,从根本上解决了阻燃钛合金工程化问题上存在的风险.      

航空发动机高温钛合金非等温氧化行为研究进展

阻燃性能是衡量航空发动机钛火安全的关键性能指标,通常采用钛合金材料/构件抵抗热自燃、点燃和扩展燃烧的能力进行综合评价。针对高性能航空发动机对先进高温钛合金的需求,在回顾近期抗点燃性能和抗燃烧性能试验技术研究基础上,重点从抗热自燃性能的层面介绍阻燃钛合金、高温钛合金及钛铝金属间化合物的非等温氧化行为及阻燃机理的研究进展,并对未来发展方向进行展望。     

界面在钛合金燃烧过程中的作用

高推重比航空发动机中的钛火在燃烧过程中燃烧界面对钛合金燃烧行为有重要影响。研究结果表明,钛合金燃烧产物与空气的界面及产物内部因膨胀系数、Ｐ－Ｂ比不同等原因,均严重开裂、多孔,不能阻止燃烧的持续进行。纯钛和ＴＣ４合金燃烧产物与基体的界面也如此,而Ｔｉ４０阻燃钛合金的燃烧产物与基体的界面致密,界面产物是稳定的具有保护作用的Ｃｒ２Ｏ３,可阻止空气中可燃气体氧向基体内扩散,降低合金的燃烧速度。以此为基础提出了阻燃钛合金的中断氧输送阻燃机理     

航空发动机钛火防护技术及试验验证方法

钛合金在航空发动机上应用广泛,特别是对于追求高推重比的军用发动机更是如此。但采用钛合金存在钛火风险,且钛火故障危害大、发生频率高。分析了钛火故障产生的原因,描述了故障导致的后果,并结合发动机上典型钛火故障,总结了4种较为有效的钛火防护设计技术。阐述了钛火防护技术的试验验证方法和目的,指出只有通过试验验证,才能确认钛火防护技术的安全有效。     

模拟环境下TB12阻燃钛合金燃烧特征与应用设计

采用摩擦试验方法在模拟航空发动机压气机环境下对TB12阻燃钛合金的起燃和扩散燃烧等特性进行了研究。结果表明,TB12阻燃钛合金在摩擦生热作用下会发生燃烧,表现为转静子试验件初始碰磨会引发突然燃烧,局部燃烧烧损使得试验件的高度尺寸减小,但其对扩散燃烧不敏感,燃烧快速停止,未发生类似与TC4钛合金的持续扩散燃烧现象。TB12阻燃钛合金燃烧产物具有较强的黏附性能、较高的强度、润滑功能和导热系数低的特点,黏附在试验件表面可降低摩擦生热量,阻止摩擦热向基体传导,减少了转静子试验件再次引发燃烧的可能性。根据TB12阻燃钛合金燃烧特点,在航空发动机中设计应用于压气机静子叶片,初始碰磨引发TB12阻燃钛合金叶片局部烧损后快速停止,形成的燃烧产物将阻止静子叶片与转子鼓筒直接碰磨,可降低因鼓筒失稳鼓包以及鼓包与悬臂静子叶片碰磨导致航空发动机钛火这一故障风险。     

航空发动机钛合金机件的阻燃技术

叙述了航空发动机钛合金零部件的燃烧问题 ,介绍了国外阻燃涂层和阻燃钛合金的研究和应用状况     

TC11钛合金表面阻燃涂层的抗点燃性能及机理研究

采用摩擦氧浓度点燃方法,研究YSZ+NiCrAl-B.e复合涂层对TC11钛合金抗点燃性能的影响,并结合摩擦磨损分析和非稳态热传导计算,探讨复合涂层的阻燃机理。结果表明:YSZ+NiCrAl-B.e复合涂层显著提高了钛合金的抗点燃性能,其临界着火氧浓度约为钛合金基体的2.3倍;钛与复合涂层构成摩擦副的摩擦性能高于钛与钛;NiCrAl-B.e层对提高钛合金抗点燃性能的影响不明显。摩擦点燃过程中,YSZ层能够大幅度降低钛合金基体的温度升高,阻隔了热量的快速传输,从而起到延迟点燃钛合金的作用,在这个意义上,该体系涂层中YSZ层是阻燃层,热量阻隔是主要的阻燃机理。     

Ti-V-Cr系阻燃钛合金应用研究进展

阻燃钛合金是为了应对航空发动机钛火隐患而研制高温结构材料。经过近十年的发展,研发出500℃(Ti40)和550℃(TF550)两个耐温级别的Ti-V-Cr系阻燃钛合金,并且在Ti-V-Cr系阻燃钛合金工业铸锭熔炼、挤压开坯、棒材锻造及环锻件轧制等工艺技术方面取得了较大进展。通过拓展摩擦点火实验技术,建立了以P-co曲线定量表征钛合金抗点燃性能的测试方法,测试结果表明,Ti40与TF550阻燃钛合金具有接近的抗点燃性能。综合考虑原材料成本、综合性能和制造工艺等多方面的因素,Ti40和TF550阻燃钛合金各具优势。     

我国航空用钛合金材料研究现状

评述了我国航空用钛合金材料研制部门近几年研究现状,包括高温钛合金、钛基复合材料、强韧性钛合金、阻燃钛合金等,以及将来的发展趋势.