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阻燃鈦合金

來源:??????2017-12-14 08:19:47??????點擊:

      航空發動機鈦火是一種典型的鈦合金燃燒致災故障,危害巨大。葉片與機匣之間的高能摩擦是主要的點火源,瞬間溫度高達2700℃。鈦火一旦發生,在高溫、高壓和高速的氣流環境中呈“裂變式”發展,壓氣機零部件持續燃燒時間不超過20s,難以采取有效的滅火措施,造成葉片燒損、機匣燒穿,甚至燒毀整個發動機。除了外界因素,鈦合金顯著區別于其他金屬元素具有高的化學反應生成熱、低的導熱系數等特性,是鈦火發生的內因。


      20世紀60年代以來,高推重比先進發動機對鈦合金用量提高的需求與鈦火傾向性增大的尖銳矛盾凸顯,即隨著發動機推重比提高,鈦合金用量增大,壓氣機鈦合金構件的工作條件更為復雜和苛刻,鈦火傾向性和嚴重性大大增加,致使鈦火故障頻發。國內外軍用和民用發動機發生過170余起鈦火,不僅造成巨大經濟損失,也嚴重影響了人們對高溫鈦合金使用的信心,大有“談鈦色變”之勢,鈦火的預防與控制即鈦火防控成為制約發動機發展的重大難題。

      鈦合金對飛機來說非常寶貴,因此棄而不用可謂下下策,世界各國航空材料學家深諳此理,都在積極進行著對持續燃燒不敏感、本身具有良好阻燃性鈦合金的研制,希望從根本上解決鈦合金易于起火燃燒的問題。
      在F119的研制過程中,新一代超巡發動機特別偏重于高溫高速噴流的特性給發動機研制帶來了巨大的困難。燃燒室、噴管等部位的工作溫度變得越來越高,而整個發動機的重量又必須比以前更輕以提高推重比,這使得F119不能再使用真正意義上的鎳基高溫材料來做很多部件——那太重,也不能使用相對能承受較高溫度的傳統耐熱鈦合金——它們耐熱的性能仍然不夠。

      為此美國專門為F119開發了Alloy C型鈦合金,它是50%鈦、35%釩、15%鉻組成的高溫阻燃金屬材料;釩和鉻都是典型的高熔點難熔金屬。雖然因此導致加工困難,但是Alloy C型鈦合金在激光器點燃試驗中,燃點比傳統鈦合金高出500度的優秀性能,也使F119的一系列高指標得以實用化。

      在Alloy C率先實現阻燃鈦合金的突破以后,俄羅斯和中國都跟進了這方面的研究,并推出了成分與性能指標都非常類似的材料牌號。

      根據文獻資料2014年發表的公開文章,中國TI40阻燃鈦合金將首先應用在發動機匣上,而這個部位的最大溫度通常都明顯低于傳統高溫鈦合金的600度極限。

      迄今為止,比較成功的阻燃鈦合金都是基于中斷氧輸送、降低其絕熱燃燒溫度和減少摩擦發射這三個方面。例如俄羅斯的Ti-Cu-Al系阻燃鈦合金和美國的Ti-V-Cr系阻燃鈦合金等。其中,Ti-Cu-Al系阻燃鈦合金的阻燃機制是將鈦零件之間的干摩擦轉變為有液相潤滑的濕摩擦,從而減少摩擦功及加熱量;Ti-V-Cr系阻燃鈦合金是通過中斷氧輸送和降低絕熱燃燒溫度來達到阻燃目的。

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