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航空发动机钛合金化的探索及研究

来源:钛棒,钛板,钛管,钛丝,钛设备,钛合金,钛材 发布时间:2016-7-29 15:24:23
航空发动机是飞机的心脏、动力源泉,决定飞机的性能、寿命和可靠性。于发动机而言,一个重要的性能指标是推重比,也就是发动机产生的推力与其质量之比。推重比的大幅提升,就会催生新一代的飞机诞生。早期喷气发动机的推重比只有2-3,现在已能到达10。要提高推重比,给发动机减重是一个重要途径。要让发动机轻量化,就需要将原有的材料以更轻的材料所取代。不过,航空发动机的工作环境比较特殊,尤其高温场景较多,可不是什么轻量化材料承受得了的。发动机的高温段部分高压压气机,工作温度一般在500-600度,目前用的仍然是镍基高温合金。
 
钛合金由于钛自身极大的缺陷,突破600度的“热障”,服役温度达到更高,取代镍基高温合金,难度还是非常大的。且不说在600度以上高温,目前研发的钛合金的总体力学性能对于镍基高温合金并无多大优势。如果解决不了钛火问题,高温钛合金在航发上难有更大作为。阻燃涂层是避免钛火的一种方式。它是采用先进的喷涂工艺在钛合金零部件表面涂覆一层难以燃烧的材料,延缓和阻止燃烧的作用。不过,阻燃涂层存在脱落的危险,而且它也不能提高钛合金的使用温度。
 
对钛合金表面合金化同样也是一条路,通过扩散改变钛合金表面基体的成份,在其表面形成一道阻燃层。但要从根本上解决钛火问题,只有研制阻燃钛合金。俄罗斯、美国、英国、中国均已开展研制出阻燃钛合金。阻燃钛合金主要是两个体系:Ti-V-Cr系和 Ti-Cu 系。这两个体系的阻燃机理并不相同。Ti-V-Cr 系阻燃机理是V和Cr的燃烧快速形成一层致密的保护膜,阻止氧的扩散,而且其燃烧物以气相扩散,因此放热小,再加上导热比较好,热量容易散开。而Ti-Cu 系阻燃机理则是合金中铜含量为 17%时,在 955-990 ℃形成共晶体,即出现液相而充当润滑剂,将干摩擦转化为湿摩擦,有效减小摩擦功及加热量;同时由于铜的溶解度随温度的提高而发生变化,在冷金属和燃烧区之间的界面上形成富铜阻隔层,阻止燃烧继续进行。
 
俄罗斯以Ti-Cu共晶系为基础,成功研制了 BTT-1和 BTT-3两种阻燃合金。 美国研制了 Ti-V-Cr系阻燃钛合金Alloy-C,现已成功应用于F22的 F119-WP-100发动机的尾喷管和加力燃烧室上。 我国的阻燃钛合金Ti40也采用的是Ti-V-Cr系。但是, Ti-V-Cr系Alloy-C 虽然具有优良的阻燃特性,但是它需要添加较大量昂贵的V和Cr,使其成本较普通钛合金高十倍以上,经济效益非常低。因此这个体系的阻燃钛合金,即使克服了钛火和高温热稳定性,相比于镍基高温合金也几无优势,除非在不考虑经济效益,追求极致发动机的情况下。而Ti-Cu系成本相对较低,不过对应力集中敏感,断裂韧性低,熔炼性差。
 
此外,目前研发的阻燃钛合金的机械加工很困难,同样增加了加工成本。防止钛火的方法还可以是对材料的选择和发动机的设计。国外部分航空发动机部分高温组件曾用过钛合金,被替换成合金钛或者镍基高温合金,或者钛合金组件不成对出现,避免钛合金之间摩擦。目前,国外民航适航性标准中严格规定了钛合金零部件的使用条件。
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