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     

航空发动机钛火故障及防护技术

钛合金以其优良的特性在航空发动机上得以广泛应用,在显著提高发动机性能的同时,也带来了另外一个严重的问题——钛火故障。本文阐述了钛火故障的危害及原因,介绍了改进结构设计、发展钛合金阻燃涂层和阻燃钛合金等钛火防护技术。     

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。     

钛合金构件碰摩着火试验器研制及应用

介绍了自主研制的国内首台可变环境条件(压力、温度、流速)旋转碰摩式钛火试验器及相关试验研究,建立了旋转碰摩着火试验流程。通过设定旋转碰摩的工作环境及进给力大小,成功再现了钛合金试样(TC17/TC4)着火、稳定燃烧、燃烧扩展等复杂燃烧过程。该试验器的成功研制,为钛合金构件着火性能及其防护研究提供了试验手段,在航空发动机钛合金燃烧特性评估和防钛火试验研究领域,具有良好的应用前景。     

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.      

压气机叶片防护涂层的研究

含低钼的钛钼合金复合涂层具有耐冲刷和抗腐蚀的特性，用多弧离子镀工艺制造这种涂层可以满足航空发动机压气机叶片在海上工作的防护需要。海上飞机发动机和舰船动力机的压气 机叶片受环境影响较为严重，为解决其防腐问题和进而带来的涂层耐冲刷能力问题，必须精心选择涂层材料。采用氟橡胶保护叶片，虽然可以较好地解决腐蚀问题，但该材料常因气体的冲刷而成片起皮，从而失去保护作用。所以抗蚀能力强的钛及钛合金成为所研究的涂层材料的候选材料。压气机叶片防护涂层的研制 １．氮化钛防护涂层的选择 压气机叶片防护涂层的设计原则是抗蚀…     

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     

可变环境条件下钛合金旋转摩擦着火试验研究

为研究航空发动机压气机钛合金构件发生钛火的形成机理和影响规律,围绕试验件设计、参数测试与状态调控等关键技术进行深入探索,完善了可变环境条件下的钛合金旋转摩擦试验方法,并在此基础上开展了试验件结构、材料与气流参数对钛合金燃烧特性影响的试验研究。试验结果表明:双环结构试验件具有较好的强度和刚度,能够满足钛合金摩擦试验要求;在试验工况范围内,TC4钛合金材料较Ti40材料更容易燃烧,且气流参数对钛合金燃烧特性的影响不明显。     

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。     

喷雾液滴与涂层壁面作用的机理性试验及其影响研究

为了研究双组元离心式发动机的喷雾液滴在撞击燃烧室涂层壁面后的发展行为，及其对发动机燃烧和传热的影响，进行了液滴与真实的涂层试样的机理性试验。通过试验，使用高速摄影装置观察了液滴在不同温度和入射韦伯数We的条件下撞击涂层试样后的情况，包括撞击后粘附、铺展、破碎、飞溅、悬浮和反弹多种行为模式下的速度、粒径和角度，证明了涂层表面状态的差异性对于液滴撞壁行为有显著影响。根据试验结果，分别建立了两种涂层基于壁温与入射韦伯数We的液滴撞壁机制和数学模型，并结合化学反应动力学模型进行了燃烧传热分析，通过与OA模型仿真结果和真实发动机热试车测试数据的对比，验证了该模型具有更高的准确性。     

曹春晓院士访谈

2008年12月25日,本刊编辑部专访了中国航空工业钛合金研究和应用的创始人之一、北京航空材料研究院研究员曹春晓院士。在访谈中,曹春晓院士介绍了国内外航空工业用钛的发展,钛合金用量在航空发动机结构质量中所占比例的变化趋势,金属间化合物研究的进展,以及在航空发动机未来发展中,钛合金与复合材料的应用所存在的关系。     

固体发动机压强-时间曲线中燃烧时间的确定

以固体推进剂燃烧公式为基础，采用计算力学中的数值积分及插值法，并利用计算机技术，研究了用燃烧室药柱的实际肉厚，确定固体火箭发动机试验曲线中燃烧时间的新方法，在点火发动机中应用的结果表明，此方法解决了试验曲线数据处理结果散布范围较大的问题，提高了燃速预估的准确性。     

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.     

航空发动机燃烧不稳定性预测及控制研究进展

燃烧不稳定性问题广泛出现在各类航空发动机燃烧室内，该问题是火焰非定常热释放和声波充分耦合的结果，发生时伴随着大幅度的压力脉动，严重威胁发动机的稳定工作及结构安全。目前，包括中国在内的各航空发动机研制国家在多数发动机型号的研制过程中，均遇到了严重的燃烧不稳定性问题，且发动机越先进，该问题越复杂且难以解决。在深入认识其发生机理的基础上，对其进行准确预测并设计有效的控制手段，对航空发动机的研制具有重要意义。系统阐述了该问题的研究现状，介绍了燃烧不稳定性问题发生关键，即军用的钝体燃烧加力燃烧室和民用的贫油预混环形燃烧室的非定常流动及火焰响应特征。综述了该问题研究常用的燃烧不稳定性声网络预测分析模型，重点报告了为了耦合考虑燃烧室声软壁面被动控制设计，团队所发展的三维燃烧不稳定性预测控制模型。基于该模型，介绍了壁面声衬参数及布局对燃烧不稳定模态控制效果影响的研究进展，为先进发动机燃烧不稳定性的排故提供技术储备。     

航空钛合金紧固件铝涂层性能规范研究

通过比较美国宇航标准NAS 4006、波音公司的BMS 10-85以及美国Hi-Shear公司的Hi-Shear 294三份航空钛合金紧固件铝涂层规范之间的异同,对3份标准在铝涂层各项性能的评价上的特点和存在的问题进行了讨论,同时指出了国产钛合金紧固件铝涂层与国外先进铝涂层的差距,为未来我国铝涂层规范的制订以及航空钛合金紧固件铝涂层的研究提供了建议。     

探索新型陶瓷热障涂层材料助力航空航天发展——访昆明理工大学材料科学与工程学院冯晶教授

热障涂层对于航空发动机的重要性体现在哪些方面?国内热障涂层的研究及应用处于怎样的水平?冯晶:航空发动机的重要技术 是两盘一片和热障涂层,热障涂层是四大关键核心技术之一。航空发动机的效率取决于温度,温度越高效率也越高,但提高发动机的使用温度,要考虑材料是否耐受,目前发动机燃气的燃烧温度可以达到1500~1600℃,到达材料表面的温度大概是1100℃左右。未来对于航空发动机的要求将越来越高,其使用温度可能达到1800℃、2000℃,甚至更高。那面临的一个问题,就是如何保 证材料在这么高的温度下还能正常运转。目前发动机最常用的材料是镍基超高温合金,其服役的最高温度是1100℃左右,而且这个指标事实上还很难完成,那就需要使用热障涂层让其达到使用要求。     

先进的航空发动机涡轮叶片涂层技术

随着高性能航空发动机涡轮进口温度日益提高，涂层技术在涡轮叶片上得以广泛应用。本文介绍了航空发动机涡轮叶片的两种功能涂层及其涂层材料和制备工艺，并阐述了其应用技术经济效益，最后展望了今后的研究方向。     

钛合金的高温氧化及防护

综述了国内外有关钛合金的高温氧化规律的研究以及防护方法和技术的发展。介绍了扩散型涂层、气相沉积型涂层、离子注入表面改性层和搪瓷涂层等针对钛合金的抗氧化防护涂层和技术。讨论了存在的问题和有望解决问题的途径。     

顷发的发动机钛着火故障

钛合金是航空发动机中的常用材料，从20世纪60年代开始应用以来，钛着火故障却不绝于耳，在军用发动机和民用发动机中都出现过严重的钛着火故障，不仅有钛合金转子与钛合金静子相磨蹭引发的，也有钛合金的工作叶片与钢制机匣严重磨蹭而引发的事故，这些都应引起重视，并采取相应的措施。     

控制航空发动机运转间隙的热喷涂封严涂层

介绍了控制航空发动机运转间隙的热喷涂封严涂层的研究和应用，即等离子喷涂聚苯酯／铝硅封严涂层，氧－乙炔焰喷涂六方氮化硼陶瓷封严涂层，以及等离子喷涂钇稳氧化锆陶瓷封严涂层。此外还针对现有的问题提出了今后应开展的研究工作。