TC11合金燃燒特性初步研究

田 偉，王 標

(中國燃氣渦輪研究院，四川 成都 610500)

1 引言

鈦合金具有比強度高、熱強性好、耐蝕性強等優(yōu)點，廣泛應用于航空發(fā)動機中。但鈦合金導熱系數(shù)低，氧化熱焓大，在發(fā)動機工況溫度、氣流速度、壓力和摩擦作用下，容易自發(fā)燃燒而產生鈦火。鈦合金一旦燃燒，便迅速蔓延，對其它零部件甚至整臺發(fā)動機產生嚴重燒損。據(jù)統(tǒng)計分析，發(fā)動機中的鈦火主要由高壓壓氣機鈦合金轉、靜子碰磨引起。鈦合金碰磨時產生大量的高溫磨屑，磨屑的比表面積大且缺少氧化膜阻氧，在高溫、高壓氣流中容易燃燒(飛濺的火花)，而燃燒磨屑堆積在鈦合金零件表面又會將其引燃。另外，鈦合金燃燒時的熔融金屬，也會通過氣流傳播粘附到其它零件表面而引發(fā)燃燒。正是由于燃燒液滴的傳播，使得鈦火發(fā)生過程非常迅速，燒損程度特別嚴重。

鑒于鈦火的巨大危害，國外對鈦合金燃燒特性開展了系統(tǒng)、深入的理論分析和試驗研究，為航空發(fā)動機安全、合理選用鈦合金和切實有效采取鈦火防治措施提供了指導。美國利用激光點火試驗平臺，在模擬發(fā)動機工況條件下評價了54種常用鈦合金的燃燒特性[1]。俄羅斯研究了航空發(fā)動機用鈦合金發(fā)生啟燃的臨界溫度與壓力[2]。目前，美、英、俄等國的防鈦火技術已取得重大突破，鈦火事故鮮有發(fā)生，并根據(jù)溫度、壓力對鈦合金啟燃的影響規(guī)律，在民航適航性標準中嚴格規(guī)定了鈦合金零部件的使用條件。俄羅斯民航試航性標準中規(guī)定，高壓壓氣機鈦合金零件工作溫度上限為：轉子葉片500℃、靜子葉片330℃、機匣及封嚴環(huán)330℃、篦齒環(huán)300℃。英國民航適航性標準中規(guī)定，鈦合金靜子葉片的高度不得小于150 mm，另外對環(huán)境壓力、流速等也做了嚴格要求。

我國對鈦合金燃燒特性的研究尚處于起步階段。TC11合金是目前我國航空發(fā)動機中應用數(shù)量最多的鈦合金，其綜合力學性能良好，生產工藝穩(wěn)定，可用于制造500℃以下長期工作的壓氣機盤、葉片等零部件[3，4]?？紤]燃燒液滴對引發(fā)和傳播鈦火的重要作用，本文利用液滴引燃法初步研究TC11合金的燃燒特性。

2 試驗方法

試驗原材料為TC11合金棒材，利用線切割加工成127mm×25mm×2mm的薄板。TC11合金成分見表1[5]。

TC11合金的燃燒特性試驗在液滴法鈦火試驗臺上進行，測試試片在不同預熱溫度和氧氣含量下的引燃及燒蝕情況。試驗原理如圖1所示。

燃燒試驗后，利用X射線衍射(XRD)儀檢測TC11合金燒蝕表面的相成分，利用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察燒蝕截面上的微觀組織，并利用能譜儀分析燒蝕區(qū)域的化學成分。

3 試驗結果與分析

3.1 TC11合金引燃過程

圖1示出了熔融TA1液滴引燃TC11合金試片的主要過程。首先，TA1金屬絲被高溫等離子弧熔化后滴落在已加熱TC11試片表面，此時液滴溫度接近其熔點溫度(1640～1670℃)，如圖2(a)所示。隨后，向TA1液滴吹送一定流量的壓縮空氣和氧氣的混合氣，熔融液滴在氧氣作用下表面發(fā)生氧化反應，當反應生熱量大于散熱量時，氧化反應加速，液滴開始燃燒，并將TC11試片引燃。TC11合金開始燃燒時發(fā)出耀眼白光，并噴射出大量火花，說明此時燃燒溫度很高，反應劇烈，如圖2(b)所示。穩(wěn)定燃燒時光線很強，但少有火花飛濺并不時產生爆燃，如圖2(c)所示。隨著燃燒的進行，試片中心區(qū)域被燒穿，燒蝕孔洞迅速擴大，直至燃燒前沿擴散到壓縮空氣與氧氣的作用區(qū)域外，火焰才逐漸熄滅，如圖2(d)所示。

表1 TC11合金化學成分 %Table 1 The chemical composition of titanium alloy TC11 in wt

圖1 TC11合金液滴引燃試驗示意圖Fig.1 Sketch illustration of test of ignition TC11 by TA1 droplet

燃燒前鈦合金表面存在一層致密的氧化膜，阻礙了氧氣進入，需要較高溫度才能起火燃燒；啟燃階段，鈦合金氧化反應非常劇烈，燃燒溫度很高(約3727℃)，超過了 Ti和TiO2的沸點(分別為 3260±20℃和2500～3000℃)，大量蒸氣從燃燒表面噴射出來，火花飛濺；隨著Ti和TiO2的氣化，燃燒溫度有所降低，穩(wěn)定燃燒時溫度維持在2930℃左右，燃燒劇烈程度較啟燃階段略有降低。這與Clark的試驗結果一致[6]。

3.2 溫度和氧氣含量對啟燃的影響

多次試驗結果表明，TC11試片能否被熔融TA1液滴引燃，受試片溫度、氧氣含量、氣流溫度和液滴溫度等多種因素影響，其中試片溫度和氧氣含量為主因。圖3給出了TC11合金在不同溫度和氧氣含量下22次試驗的引燃情況。

圖2 熔融的TA1液滴引燃TC11合金試片的試驗過程Fig.2 The process of combustion of TC11 Alloy ignited by TA1 droplet

為便于分析，近似認為混合氣體達到試片表面處的壓力為101.325 kPa，并將混合氣體中的氧氣含量換算成氧氣分壓。試驗中，TC11合金試片的溫度控制誤差為±10℃，則TC11合金的啟燃臨界條件曲線如圖4所示。

由圖3和圖4可看出，在一定溫度下，只有當氧氣分壓超過某一臨界值時，TC11合金試片才能被引燃；并且隨著試片溫度的升高，引燃所需氧氣分壓臨界值逐漸降低。試片溫度在300～400℃時，臨界氧氣分壓隨溫度升高而降低的趨勢不大；400～700℃時，臨界氧氣分壓隨溫度升高而降低的趨勢非常明顯。這是因為鈦合金啟燃的臨界條件是生熱量(包括外部加熱和自身氧化生熱)大于散熱量。這一變化規(guī)律與文獻[7]、[8]的一致。TA1液滴和TC11合金氧化反應產生的熱流密度可表示為：

圖3 不同溫度和氧氣含量下TC11合金試片的引燃情況Fig.3 The results of ignition test at different temperature and content of oxygen

圖4 點燃TC11合金試片所需臨界氧氣分壓與溫度的關系Fig.4 The relation of temperature and critical ignition partial pressure in oxygen for TC11 alloy

式中：q為氧化產生的熱流密度，J/(m2·s)；Q為鈦合金氧化熱，J/kg；w為鈦合金氧化速度，kg/(m2·s)；p為氧氣分壓，Pa；p0為標準大氣壓，Pa；k0為指數(shù)前因子，kg/(m2·s)；R為氣體常數(shù)，J/(mol·K)；E 為活化能，J/mol；T 為氧化反應溫度，K。

由公式(1)可看出，氧化反應產生的熱流密度與氧氣分壓的平方根成正比，與反應溫度成指數(shù)關系。即產生相同熱量時，如果提高反應溫度，則可以降低氧氣分壓。若同時提高氧氣分壓和反應溫度，氧化生成的熱量將急劇增大，鈦合金更容易啟燃。同理，航空發(fā)動機中鈦合金工作的環(huán)境溫度和壓力越高，發(fā)生鈦火的風險就越大。風扇和低壓壓氣機中，鈦合金的工作溫度與壓力比高壓壓氣機中的低很多，發(fā)生鈦火的可能性較小。實際情況表明，絕大部分鈦火事故發(fā)生在高壓壓氣機中。

3.3 燃燒表面分析

圖5示出了不同試片溫度下燃燒后的TC11合金試片?？梢钥闯?，隨著溫度的升高，試片的燒損面積增大；試片燃燒前沿出現(xiàn)明顯的熔化痕跡，熔化區(qū)域表面生成淺黃色氧化膜，非熔化區(qū)域表面主要是白色氧化膜。

圖6為燃燒表面的XRD衍射譜。從圖中發(fā)現(xiàn)，TC11合金燃燒產物的主要成分是TiO2。由于試樣表面形貌不規(guī)則且面積較小，X射線的衍射強度較低，未發(fā)現(xiàn)其它合金元素的燃燒產物。雖然在高溫下Ti能與N2發(fā)生燃燒反應[9]，但試片表面沒有檢測到Ti3N4。這主要是因為在Ti中，O比N具有更好的親和力、更高的溶解度和更大的擴散系數(shù)。燃燒過程中，TC11合金主要與空氣中的O2發(fā)生反應。

圖5 TC11試片在不同溫度下燃燒后的形貌Fig.5 Morphology of TC11 alloy samples after combustion test at different temperature

圖7示出了TC11合金燃燒區(qū)橫截面的SEM分析。試片燃燒表面是以TiO2為主的氧化層，氧化層到基體內部存在疏松區(qū)、致密區(qū)和影響區(qū)。

分析表明，疏松區(qū)內存在較多的裂紋和氣洞，組織較疏松，O含量較高，O與Ti的原子百分比在1:1(TiO)～2:1(TiO2)之間。由于燃燒高溫的作用，合金中生成了氣體，并在熔化的金屬中形成了氣孔。另外，由于合金中溶入了大量的O，使得其脆性增加，在熱應力作用下產生了裂紋。正是因為燃燒前沿存在疏松多孔區(qū)域，導致燃燒過程中O不斷向合金內部擴散，形成持續(xù)燃燒。

圖6 TC11合金燃燒表面的XRD衍射圖譜Fig.6 XRD pattern of burned surface of titanium alloy TC11

圖7 TC11合金燃燒區(qū)橫截面的SEM分析Fig.7 Cross sectional microstructure of burned titanium alloy of TC11

致密區(qū)厚度較小，約為15～30 μm。該區(qū)域內受燃燒熱和α相穩(wěn)定元素O的共同作用，形成了干凈的等軸α相。其組織形貌與合金原組織不同，并且O含量較多。

影響區(qū)厚度約為200 μm，形成了典型的粗大α片層組織，并向基體內部逐漸細化。這種組織反映了燃燒過程中O和燃燒熱共同對基體組織的影響。

由此可看出，燃燒后的合金組織發(fā)生了顯著變化，將對發(fā)動機零部件的使用安全帶來嚴重影響。

4 結論

(1)熔融TA1液滴在壓縮空氣/氧氣作用下能發(fā)生燃燒，并將TC11合金試片引燃。TC11合金的燃燒非常劇烈，發(fā)出耀眼白光，噴射出大量火花，并產生爆燃。

(2)隨著TC11合金試片溫度的提高，引燃所需的臨界氧氣分壓逐漸降低。

(3)燒損面積隨著試片溫度的提高而增大。燃燒表面形成了氧化層，主要成分為TiO2。從燒損表面到合金內部形成了疏松區(qū)、致密區(qū)和影響區(qū)，各區(qū)域的組織特征和O含量存在明顯差異。

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[4]曾衛(wèi)東，周義剛.冷速對TC11合金β加工顯微組織和力學性能的影響[J].金屬學報，2002，38(12)：1273—1276.

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[9]Lee K O，Cohen J J，Kenneth B.Self-Propagating High-Temperature Synthesis ofTitanium Nitride[R].AIAA 99-0697，1999.