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航空發動機鈦合金化的探索及研究

來源:鈦棒,鈦板,鈦管,鈦絲,鈦設備,鈦合金,鈦材 發布時間:2016-7-29 15:24:23
航空發動機是飛機的心臟、動力源泉,決定飛機的性能、壽命和可靠性。于發動機而言,一個重要的性能指標是推重比,也就是發動機產生的推力與其質量之比。推重比的大幅提升,就會催生新一代的飛機誕生。早期噴氣發動機的推重比只有2-3,現在已能到達10。要提高推重比,給發動機減重是一個重要途徑。要讓發動機輕量化,就需要將原有的材料以更輕的材料所取代。不過,航空發動機的工作環境比較特殊,尤其高溫場景較多,可不是什么輕量化材料承受得了的。發動機的高溫段部分高壓壓氣機,工作溫度一般在500-600度,目前用的仍然是鎳基高溫合金。
 
鈦合金由于鈦自身極大的缺陷,突破600度的“熱障”,服役溫度達到更高,取代鎳基高溫合金,難度還是非常大的。且不說在600度以上高溫,目前研發的鈦合金的總體力學性能對于鎳基高溫合金并無多大優勢。如果解決不了鈦火問題,高溫鈦合金在航發上難有更大作為。阻燃涂層是避免鈦火的一種方式。它是采用先進的噴涂工藝在鈦合金零部件表面涂覆一層難以燃燒的材料,延緩和阻止燃燒的作用。不過,阻燃涂層存在脫落的危險,而且它也不能提高鈦合金的使用溫度。
 
對鈦合金表面合金化同樣也是一條路,通過擴散改變鈦合金表面基體的成份,在其表面形成一道阻燃層。但要從根本上解決鈦火問題,只有研制阻燃鈦合金。俄羅斯、美國、英國、中國均已開展研制出阻燃鈦合金。阻燃鈦合金主要是兩個體系:Ti-V-Cr系和 Ti-Cu 系。這兩個體系的阻燃機理并不相同。Ti-V-Cr 系阻燃機理是V和Cr的燃燒快速形成一層致密的保護膜,阻止氧的擴散,而且其燃燒物以氣相擴散,因此放熱小,再加上導熱比較好,熱量容易散開。而Ti-Cu 系阻燃機理則是合金中銅含量為 17%時,在 955-990 ℃形成共晶體,即出現液相而充當潤滑劑,將干摩擦轉化為濕摩擦,有效減小摩擦功及加熱量;同時由于銅的溶解度隨溫度的提高而發生變化,在冷金屬和燃燒區之間的界面上形成富銅阻隔層,阻止燃燒繼續進行。
 
俄羅斯以Ti-Cu共晶系為基礎,成功研制了 BTT-1和 BTT-3兩種阻燃合金。 美國研制了 Ti-V-Cr系阻燃鈦合金Alloy-C,現已成功應用于F22的 F119-WP-100發動機的尾噴管和加力燃燒室上。 我國的阻燃鈦合金Ti40也采用的是Ti-V-Cr系。但是, Ti-V-Cr系Alloy-C 雖然具有優良的阻燃特性,但是它需要添加較大量昂貴的V和Cr,使其成本較普通鈦合金高十倍以上,經濟效益非常低。因此這個體系的阻燃鈦合金,即使克服了鈦火和高溫熱穩定性,相比于鎳基高溫合金也幾無優勢,除非在不考慮經濟效益,追求極致發動機的情況下。而Ti-Cu系成本相對較低,不過對應力集中敏感,斷裂韌性低,熔煉性差。
 
此外,目前研發的阻燃鈦合金的機械加工很困難,同樣增加了加工成本。防止鈦火的方法還可以是對材料的選擇和發動機的設計。國外部分航空發動機部分高溫組件曾用過鈦合金,被替換成合金鈦或者鎳基高溫合金,或者鈦合金組件不成對出現,避免鈦合金之間摩擦。目前,國外民航適航性標準中嚴格規定了鈦合金零部件的使用條件。
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