TC4鈦合金燃燒形貌和機理分析

王標，田偉

TC4鈦合金燃燒形貌和機理分析

王標，田偉

(中國燃氣渦輪研究院，四川成都610500)

采用液滴法引燃TC4鈦合金試片，利用掃描電鏡及能譜儀觀察燃燒產(chǎn)物，并分析其燃燒機理。結(jié)果表明：鈦合金燃燒需要的外部條件高，采用熔融TA1液滴在富氧條件下劇烈燃燒生成的熱量引發(fā)TC4試片局部燃燒，燃燒劇烈，燃燒時間持續(xù)約10 s，但局部燃燒無法引起基體全面燃燒。TC4鈦合金燃燒截面具有燃燒瘤狀區(qū)、燃燒過渡區(qū)及燃燒影響區(qū)三個典型結(jié)構(gòu)特征；鈦合金劇烈燃燒的主要原因是鈦合金燃燒放出大量的熱，外層瘤狀區(qū)疏松多孔且不穩(wěn)定。

鈦合金；航空發(fā)動機；液滴引燃；鈦火；燃燒機理

1 引言

鈦合金具有高比強度、抗腐蝕和耐熱等優(yōu)點，是航空發(fā)動機減輕結(jié)構(gòu)重量不可或缺的結(jié)構(gòu)材料。隨著航空發(fā)動機推重比的提高，鈦合金在整機中所占的比重和使用溫度也在不斷增加，鈦合金使用部位由低溫風扇部件擴展到溫度較高的壓氣機和噴管部件。目前，600℃高溫鈦合金已有工程應用。

大量使用鈦合金會引發(fā)鈦火，國外多種型號發(fā)動機發(fā)生過這一故障。鈦火主要發(fā)生在高壓壓氣機部件，由于外部吸入物或發(fā)動機內(nèi)部構(gòu)件失效引發(fā)航空發(fā)動機轉(zhuǎn)靜子嚴重碰磨，摩擦熱引發(fā)鈦合金燃燒。因鈦合金導熱系數(shù)低，氧化熱焓大，在發(fā)動機環(huán)境溫度、氣流速度及壓力作用下迅速傳播，燒毀整臺發(fā)動機，危及飛行安全。美、俄等國已系統(tǒng)地開展了鈦合金燃燒及其防治技術(shù)研究，研制了阻燃鈦合金、防鈦火結(jié)構(gòu)設(shè)計和阻燃涂層等防鈦火技術(shù)，并開展了試驗驗證，現(xiàn)已基本解決航空發(fā)動機鈦火問題[1，2]。

國內(nèi)受研究水平和認識等因素制約，對鈦合金燃燒及防治技術(shù)的研究還處于初期探索階段。田偉等[3]對TC11合金燃燒特性進行了初步研究。鑒于TC4鈦合金在航空發(fā)動機中使用量最大，約占鈦合金用量的50%，本文利用熔融液滴法引燃TC4鈦合金，分析了TC4鈦合金燃燒后的形貌特征及鈦合金容易燃燒的機理。

2 試驗方法

試驗材料為TC4鈦合金棒，加工成127 mm×25 mm×2 mm的薄板，燃燒試驗在液滴法試驗臺上進行[3]。采用電流加熱TC4薄板試片到預定溫度(如400℃)并加以保持，利用等離子弧使TA1(工業(yè)純鈦)金屬絲熔化，熔融液滴滴落到TC4合金試片表面，同時向TA1液滴吹送一定流量被加熱的氧氣和壓縮空氣的混合氣，液滴在高濃度氧氣流作用下劇烈燃燒，將TC4合金試片引燃。燃燒試驗后，利用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察燒蝕截面上的微觀組織，利用能譜儀分析燒蝕區(qū)域的化學成分。

3 試驗結(jié)果與討論

3.1TC4鈦合金燃燒過程

圖1示出了通過濾光鏡拍攝記錄的熔融TA1液滴引燃TC4合金試片的主要過程：TA1金屬絲被高溫等離子弧熔化后滴落在已加熱的TC4合金試片表面，如圖1(a)所示；熔融液滴在加熱的氧氣/空氣混合氣體作用下劇烈燃燒，產(chǎn)生大量的熱，引發(fā)TC4試片燃燒，如圖1(b)所示；TC4試片在富氧環(huán)境下燃燒時發(fā)出耀眼、閃亮的白色光芒，并向四周噴射出大量火花，如圖1(c)所示；持續(xù)燃燒時間約10 s，然后轉(zhuǎn)為稍暗的光線，期間噴發(fā)出大量桔黃色火星，直至發(fā)紅熄滅，如圖1(d)所示。

3.2燃燒后試樣形態(tài)

如圖2所示，TC4試樣局部被燒蝕，燒蝕區(qū)約占試樣面積的12%，燃燒后呈瘤狀且多孔疏松，可較易刮掉、碾成粉末，有少量未完全燃燒的硬質(zhì)顆粒。燃燒瘤狀物往基體方向有一層約5 mm寬的覆蓋白色粉狀物的熱影響區(qū)，之后是5 mm的灰色區(qū)，接著是淺彩色/藍色區(qū)?；疑\彩色區(qū)域是因距離不同，燃燒熱對該區(qū)的影響程度不同的結(jié)果；藍色區(qū)是由于試樣被加熱后在富氧環(huán)境下氧化的結(jié)果。

3.3燃燒后試樣截面形貌

TC4試樣燃燒后截面的掃描電鏡圖見圖3，主要有燃燒瘤狀區(qū)、燃燒過渡區(qū)及燃燒影響區(qū)，其成分能譜分析見表1。

圖1 鈦合金液滴引燃過程Fig.1 The combustion process of TC4 ignited by liquid droplet TA1

圖2 TC4試樣燃燒后形態(tài)Fig.2 The TC4 Morphology after combustion

圖3 燃燒截面的SEM照片F(xiàn)ig.3 The cross-section microstructure of burned TC4

(1)燃燒瘤狀區(qū)：該區(qū)域內(nèi)存在裂紋和大的氣泡狀孔洞，組織疏松多孔，含有大量的氧，其原子比例達57.27%，O與Ti的原子比例為1.66:1，介于TiO(1:1)～TiO2(2:1)之間，即瘤狀區(qū)主要相組成為TiO和TiO2；瘤狀區(qū)疏松多孔，為氧氣向基體內(nèi)部擴散提供了通道，一旦燃燒，O元素可以相對容易地向基體內(nèi)部擴散，引發(fā)更劇烈的燃燒。

表1 燃燒截面三個區(qū)域的能譜分析Table 1 XRD patterns of TC4 three cross-sections

(2)燃燒過渡區(qū)：該區(qū)域主要是由于燃燒熱和O元素的影響，形成單相α相或粗大等軸α相，和基體組織完全不同；與瘤狀區(qū)相比，相對致密，且含有較多O元素。

(3)燃燒影響區(qū)：該區(qū)域呈現(xiàn)典型的粗大α片層組織，向基體內(nèi)部α片層逐漸細化，這種組織反應了燃燒過程中，O元素和燃燒熱共同對基體組織的影響；該區(qū)域在EDS檢測范圍中分析不到O元素，但O元素對組織的影響清晰可見。

3.4燃燒分析

鈦合金燃燒過程與氧化過程相似，為基體金屬或合金元素與氧反應，但燃燒與氧化之間的根本區(qū)別在于化學反應進行的速度。本試驗中TC4鈦合金試片燃燒時發(fā)出耀眼、閃亮的白色光芒，并向四周噴射出大量的火花，大量氧氣與TC4鈦合金發(fā)生劇烈反應。燃燒表面瘤狀區(qū)疏松多孔，為氧擴散提供了條件，是鈦合金劇烈燃燒的主要原因。氧化膜不完整及燃燒產(chǎn)物液化(或汽化)是導致瘤狀區(qū)疏松多孔的兩個因素。

金屬氧化膜是否完整，能否有效阻止氧向內(nèi)部擴散，取決于氧化物體積與氧化所消耗的金屬體積之比γ。當γ=1時，氧化膜完整；γ＜1時，氧化膜不完整，沒有保護性；γ?1時，氧化物會產(chǎn)生很大內(nèi)應力，引起膜層開裂和剝落。因此，氧化膜完整性的理想比值是稍大于1。Al氧化膜γ=1.28，Ti氧化膜γ= 1.95[4]。能譜分析顯示，瘤狀區(qū)域Ti元素重量百分比為59.98%，Al元素和V元素重量百分比為5.14%，其余為O元素和C元素。瘤狀區(qū)主要成分為金屬氧化物，雖然Al氧化膜γ=1.28，氧化鋁膜結(jié)構(gòu)緊密，具有較好的保護性，但氧化鋁量太少，無法有效保護基體。瘤狀區(qū)主要成分是TiO和TiO2。Ti氧化膜γ= 1.95，在高溫下會產(chǎn)生很大的內(nèi)應力，超過膜本身的強度，導致膜層出現(xiàn)裂紋、鼓泡。這種結(jié)構(gòu)的氧化膜為氧氣向基體內(nèi)部擴散提供了通道，無法保護基體。試片在燃燒過程中向四周噴射大量火花，就是由于局部Ti氧化膜內(nèi)應力導致氧化膜突然破裂所致。

金屬及其氧化物在一定溫度下，呈固態(tài)且相對穩(wěn)定，當升高到某一溫度時，會熔化為液態(tài)或蒸發(fā)為氣態(tài)。表2列出了TC4鈦合金中合金元素的金屬及其氧化物的熔點。鈦合金燃燒屬放熱反應，其啟燃階段峰值溫度高達3 727℃，穩(wěn)定燃燒階段溫度為2 937℃[5]。本試驗以液滴法點燃鈦合金，在啟燃及持續(xù)燃燒階段的溫度不低于2 937℃，在試片燃燒區(qū)域內(nèi)，TC4鈦合金中Ti、Al、V、Al2O3、TiO2、V2O5氧化物都將變?yōu)橐簯B(tài)或氣態(tài)，固態(tài)與液態(tài)(或氣態(tài))在體積上的差異導致氧化膜出現(xiàn)裂紋，使得氧化膜疏松多孔。

表2 TC4鈦合金中合金元素的金屬及其氧化物的熔點[4]Table 2 The melting points of alloying element and oxide in TC4

4 結(jié)論

(1)鈦合金燃燒需要的外部條件高，采用熔融TA1液滴在富氧條件下劇烈燃燒生成的熱量引發(fā)TC4試片局部燃燒，燃燒劇烈，燃燒時間持續(xù)約10 s，局部燃燒無法引起基體全面燃燒。

(2)TC4試樣燃燒截面具有燃燒瘤狀區(qū)、燃燒過渡區(qū)和燃燒影響區(qū)三個典型區(qū)域。通過對燃燒后試樣截面分析，可作為判斷燃燒的依據(jù)之一。

(3)鈦合金燃燒屬放熱反應，其中Ti氧化物的體積/氧化所消耗的金屬體積的比值較大，容易產(chǎn)生內(nèi)應力，加之鈦合金燃燒產(chǎn)物在燃燒過程中不穩(wěn)定，共同導致氧化膜出現(xiàn)裂紋、鼓泡，為氧氣向內(nèi)部擴散提供了通道，這是鈦合金燃燒劇烈的原因。

[1]Charles W E.Review of Titanium Application in Gas Tur?bine Engines[R].ASME GT2003-38862，2003.

[2]Bolobov V I.Mechanism of Self-Ignition of Titanium Al?loys in Oxygen[J].Combustion,Explosion,and ShockWaves，2002，38(6)：639—645.

[3]田偉，王標.TC11合金燃燒特性初步研究[J].燃氣渦輪試驗與研究，2012，25(3)：40—43.

[4]陳鴻海.金屬腐蝕學[M].北京：北京理工大學，1995： 31—37.

[5]Clark A F.The Combustion of Bulk Titaniumin in Oxygen [C]//.Fifteenth Symposium(International)on Combustion. 1975.

Combustion Morphology and Mechanism Analysis of Titanium Alloy TC4

WANG Biao，TIAN Wei
(China Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China)

With high specific strength and good erosion resistance,titanium alloy is an indispensable mate?rial for aero-engine.Titanium alloy TC4 was ignited by the liquid droplet TA1,and then the combustion mechanism was investigated through analyzing the combustion products with a scanning electron microsco?py and an energy dispersive spectroscopy.The results indicated that the heat produced by TA1 combustion at the rich oxygen condition ignited the titanium alloy TC4.The TC4 combustion was severe and lasted 10 seconds,but the local combustion could not cause the whole body combustion.The combustion cross-sec?tion had got three typical structural characteristics.The unstable porous top layer with a granular hillock structure was the main reason for the TC4 combustion.

titanium alloy；aircraft engine；ignited by droplet；titanium fire；combustion mechanism

V231.2；V252

A

1672-2620(2013)03-0050-03

2012-11-16；

2013-03-26

王標(1980-)，男，四川遂寧人，工程師，碩士，主要從事航空發(fā)動機材料、工藝應用研究。