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航空發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金化的探索及研究

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的心臟、動(dòng)力源泉,決定飛機(jī)的性能、壽命和可靠性。于發(fā)動(dòng)機(jī)而言,一個(gè)重要的性能指標(biāo)是推重比,也就是發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的推力與其質(zhì)量之比。推重比的大幅提升,就會(huì)催生新一代的飛機(jī)誕生。早期噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比只有2-3,現(xiàn)在已能到達(dá)10。要提高推重比,給發(fā)動(dòng)機(jī)減重是一個(gè)重要途徑。要讓發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化,就需要將原有的材料以更輕的材料所取代。不過(guò),航空發(fā)動(dòng)機(jī)的工作環(huán)境比較特殊,尤其高溫場(chǎng)景較多,可不是什么輕量化材料承受得了的。發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫段部分高壓壓氣機(jī),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?zhàn)陨順O大的缺陷,突破600度的“熱障”,服役溫度達(dá)到更高,取代鎳基高溫合金,難度還是非常大的。且不說(shuō)在600度以上高溫,目前研發(fā)的鈦合金的總體力學(xué)性能對(duì)于鎳基高溫合金并無(wú)多大優(yōu)勢(shì)。如果解決不了鈦火問(wèn)題,高溫鈦合金在航發(fā)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(jìn)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(guò),阻燃涂層存在脫落的危險(xiǎn),而且它也不能提高鈦合金的使用溫度。

對(duì)鈦合金表面合金化同樣也是一條路,通過(guò)擴(kuò)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(wèn)題,只有研制阻燃鈦合金。俄羅斯、美國(guó)、英國(guó)、中國(guó)均已開(kāi)展研制出阻燃鈦合金。阻燃鈦合金主要是兩個(gè)體系:Ti-V-Cr系和 Ti-Cu 系。這兩個(gè)體系的阻燃機(jī)理并不相同。Ti-V-Cr 系阻燃機(jī)理是V和Cr的燃燒快速形成一層致密的保護(hù)膜,阻止氧的擴(kuò)散,而且其燃燒物以氣相擴(kuò)散,因此放熱小,再加上導(dǎo)熱比較好,熱量容易散開(kāi)。而Ti-Cu 系阻燃機(jī)理則是合金中銅含量為 17%時(shí),在 955-990 ℃形成共晶體,即出現(xiàn)液相而充當(dāng)潤(rùn)滑劑,將干摩擦轉(zhuǎn)化為濕摩擦,有效減小摩擦功及加熱量;同時(shí)由于銅的溶解度隨溫度的提高而發(fā)生變化,在冷金屬和燃燒區(qū)之間的界面上形成富銅阻隔層,阻止燃燒繼續(xù)進(jìn)行。

俄羅斯以Ti-Cu共晶系為基礎(chǔ),成功研制了 BTT-1和 BTT-3兩種阻燃合金。 美國(guó)研制了 Ti-V-Cr系阻燃鈦合金Alloy-C,現(xiàn)已成功應(yīng)用于F22的 F119-WP-100發(fā)動(dòng)機(jī)的尾噴管和加力燃燒室上。 我國(guó)的阻燃鈦合金Ti40也采用的是Ti-V-Cr系。但是, Ti-V-Cr系A(chǔ)lloy-C 雖然具有優(yōu)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(jīng)濟(jì)效益非常低。因此這個(gè)體系的阻燃鈦合金,即使克服了鈦火和高溫?zé)岱€(wěn)定性,相比于鎳基高溫合金也幾無(wú)優(yōu)勢(shì),除非在不考慮經(jīng)濟(jì)效益,追求極致發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下。而Ti-Cu系成本相對(duì)較低,不過(guò)對(duì)應(yīng)力集中敏感,斷裂韌性低,熔煉性差。

此外,目前研發(fā)的阻燃鈦合金的機(jī)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(duì)材料的選擇和發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)。國(guó)外部分航空發(fā)動(dòng)機(jī)部分高溫組件曾用過(guò)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(duì)出現(xiàn),避免鈦合金之間摩擦。目前,國(guó)外民航適航性標(biāo)準(zhǔn)中嚴(yán)格規(guī)定了鈦合金零部件的使用條件。

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