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航空發動機鈦合金化為什么止步不前

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 11:01:23
的密度比鈦輕約40%,而強度與之相當,耐熱性、耐蝕性、 彈性、抗彈性和成形加工性均非常優秀。因此,鈦合金在航空發動機的應用越來越多。國外曾有報道鈦合金在某款先進發動機的應用占比已經逼近40%。那是不是鈦合金很快可以把比它重一倍的鎳基高溫合金擠出了發動機,獨霸發動機呢?并沒有!就目前而言,航空發動機的前端——風扇和低壓壓氣機,工作溫度較低,一般在350度以下,其葉片、盤件、機匣采用的是Ti-Al合金。而在發動機的高溫段部分高壓壓氣機,工作溫度一般在500-600度,用的卻仍然是鎳基高溫合金。
 
鎳基高溫合金比鈦合金要重一倍,再加上兩種材料的的熱膨脹系數存在差異,因此給裝配連接帶來大量技術難題,增加了成本。假如使用鈦合金替換,不但重量立即減半,而且也不存在熱膨脹系數差異問題,何樂而不為呢?問題在于,鈦合金的高溫性能并沒有看起來那么光鮮。鈦的熔點1668度,但工作溫度高于400度就可以成為高溫鈦合金,而600度竟然被稱為鈦合金的“熱障”溫度,成功闖關的寥寥無幾。從20世紀70年代開始,至今四十余年沒有工作溫度超過600度的鈦合金正式服役。
 
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,需要研發更好的新材料和新工藝。那是什么原因限制了高溫鈦合金在更高的溫度下使用?隨著溫度升高而快速下降的表面抗氧化性是一個重要原因。我們熟知的不銹鋼,靠的是其表面形成一層氧化膜,阻止進一步氧化。而鈦同樣會與氧結合生成一層與基體結合緊密的氧化膜。這層氧化膜,就是鈦合金抗氧化性的關鍵。氧化薄膜在500度以下非常穩定,但隨著溫度的升高,氧在鈦中的溶解度提高,促使鈦的二氧化物反應生成低價氧化物,表面氧化層密度提高而比容降低,氧化物由此會脫落,氧化膜喪失保護作用。即使這些年偶有報道某些鈦合金的高溫性能優越,具備在更高的溫度服役的可能。但高溫下應用鈦合金,還橫亙著一座大山,那就是“鈦火“,即鈦合金發生著火燃燒事件。
 
鈦火故障危害很大,自航空發動機應用鈦合金以來,就不斷發生鈦火事故,僅僅2-20s就可能完全燒盡鈦合金零部件和發動機,并且找不到有效滅火措施。鈦在空氣中的熔點是1627度,而高溫鈦合金的工作溫度尚不超過600度。兩者之間相差很大,一般情況下是不會發生燃燒事件。但是高壓壓氣機葉片故障,導致斷片、碎片造成劇烈摩擦,產生大量熱量,或者壓氣機失速引起發動機氣流反向流動,從燃燒室后段返回的氣流溫度都一般高過鈦的燃點,都會造成鈦火事件。據美國相關統計,高壓壓氣機工作葉片故障引起鈦火的比例為22.5%,由渦輪故障引起鈦火的比例為20%。而前面提到的鈦合金表面氧化膜也是鈦火的內因。鈦合金導熱系數低,氧化熱焓大,是易燃燒金屬。像鈦、鋁之類的金屬,它們熔化過程中氧化過程是自抑的,氧化膜阻止氧進一步與金屬接觸,而且傳導損失熱量高于氧化產熱,避免溫度繼續上升。而在高溫下,鈦氧化膜脫落喪失密封性,導致氧氣的輸送速度急劇增大,熱量析出速度超過熱量損失速度,造成溫度升高,最終促進燃燒。鈦及鈦合金自身具有在空氣中自維持燃燒的特性,這是發生鈦火的根源。
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