航空用钛合金阻燃技术.pdf

1 5 0 有色金属 冶炼部分 2 0 0 8 年增刊 航空用钛合金阻燃技术 谢旭霞1 ，张乐1 ，张鑫1 ，李新虎2 1 ．北京矿堙研究总院，北京，1 0 0 0 4 4 ；2 ．中国一航西安航空发动杌 巢硪 有限公司，西安，7 1 0 0 2 1 ． 攘甏综述了舷空尾钛含佥兹阻燃技拳秘阻燃视理，奔缨 髫连接酲燃技术魏研究翻应蔫状况。 笑键诵钦合金；酲燃；涂瑟；撬瑾 巾暖分类号T G l 7 4 ．4文献标识码A 文章编号l 0 0 7 7 5 4 5C 2 0 0 8 l s o ～0 1 5 0 一0 3 B u r n - R e s i s t a n tT e c h n o l o g i e so fT i t a n i u mA l l o y sf o rA v i a t i o n X I EX u - x i a l ，Z } { A N GL e l ，Z } { A N GX i n 9 1 ，L IX i n - h u 1 ．B e i j i n gG e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t eo fM i n i n g ＆M e t a l l u r g y ．B e i j i n g1 0 0 0 4 4 ．C h m a ； 2 ．A v i eIX i a nA e r o - E n g i n e G r o u p L t d ．．X i a n7 1 0 0 2 1 ．C h i n a A b s t r a c t ；T h eb u r n - r e s i s t a n tt e c h n o l o g i e so ft i t a n i u ma l l o y sf o ra v i a t i o na n db u r n - r e s i s t a n tm e c h a n i s ma r e r e v i e w e d ，t h en a t i o n a la n di n t e r n a t i o n a lr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fb u r n - r e s i s t a n tt e c h n o l o g i e sa r ea l s od i s - c u s s e d ． K e y w o r d s T i t a n i u ma l l o y s ；B u r n - r e s i s t a n t ；C o a t i n g sM e c h a n i s m 一代材料，一代飞祝；飞撬性能酶提高离不开 先进材料的发展。其中，钛含金是极其重要的轻质 结构材料，具有密度小、耐热性及抗腐蚀性好、机械 强度较高等优点，在航空王业领域中应用非常广泛。 靛空发动撬是钛合金的圭瑟应耀领域之一，先进酶 航空燃气涡轮发动机已普谶采用钛合金制造压气杌 机匣、转子盘、转子叶片、静子叶片和风扇叶片等关 键部件，以减轻发动机的熏量，提高推重比。目前， 现代燃气泼轮发动枧结擒质量的1 ／3 左右为锾会 金。然两，钛合金用作旋转部件时，容易发生钛着 火，这种情况主要由旋转叶片与发动机箱体内壁摩 擦导致叶片尖端局部受热而引起[ 1 ] 。因为钛的特点 之一是在惑瀑下能溶鼹盘溅的氧化物，所以，滚态钛 与铝不弱，苯能耀氧纯膜来保护，导致它在空气孛很 容易发生囱燃现象[ 2 ] 。钛龠金是否易予着火，与流 过它周围缴气的参数 压力、温度与流速 有密切关 系空气压力与温度较低时，不易发生着火；丽较高 的压力翻潍凌下裂易着火。医我，教着灭一般麓发 作者简介谢旭t 1 9 8 4 一 ，女。湖南人． 垒在高压压气视审。据裰关文献缀道，在高莲蒸气 机中，钛着火约5 ～1 0S 后就能将钛机匣烧穿[ 3 叫] 。 钛火故障在圈外民用和军用航空发动机上都曾 发生过[ 3 ] 。仅1 9 8 7 年一年美海军就损失了9 架 F ／A 一1 8 ，其孛4 絮便是邃秀其动力装置F 4 0 4 发澍 机中钛着火而弓l 起，着火原因是高鹾压气机中的一 缎和三级工作叶片折断，卡在转予和钛合金机赋之 间，机匣由于摩擦潜火被烧穿，又将外函道机匣烧穿 孳| 起飞棍着灾。1 9 7 7 ～王9 8 8 年阕，苏联琵爱发动祝 如} { K 一8 、H K 一8 6 、压一3 0 、A 黻～2 5 发生了3 0 余起钛着火事故，着火主要原因是叶片断片卡在转 予与静子之间、转予止推轴承损坏、转子与静子棚碰 以及轮盘破裂等因素导致钛零件稳互摩擦。可觅， 哭鸯当发凌税的匿常王佟条箨遭劐破坏爵才会孳l 越 摩擦着火。钛着火危害巨大。造成了极其惨重的损 失。因此，彻底根除钛火已成为企世界关注的熏要 问题，各国学者近年来积极开展了钛合金阻燃技术 鳇霹究。 万方数据 有色金属 冶炼部分2 0 0 8 年增刊 1 5 1 14 9 ．合金嚣阻燃技术 当前，开展锬仓金阻燃技术的研究工作褶辫紧 追，已成为解决因钛火故障而限制钛合金的进一步 发展秘应用闼惩的蘩要举措。钛会金阻燃技术锹捺 阻燃懿实褒方式，主要包括结祷设计懿竣遂、阻燃钛 舍鑫的研制、钛含惫表面合金纯种钛合金阻燃涂魇 心个方面。 1 ．1 结构设计的改进 改进结穗设计就是改送荔发生镰灭懿发动撬郝 聋学结梅与嚣辩，酶低钛含金枫箨摩擦的可能毪并避 免钛合金机件问的赢接摩擦[ 5 ] ，盘臻有以下3 种解 决方案。 方案一增热转手时尖帮祝隧态拜麓鳇径惫阊 熬泼降羝转子卧冀专撬壅内拜发璧摩攘魏建率；嬲 火转子叶片和整流叶片之间的轴向间隙，减少融予 喘搬和失速导致转子、整流叶片的碰撞。这样在一 定稷发上避免了钛火，但同时存在压气杌效率降僬 魏瓣蘧。 方案二在钛含金视i 串可麓簿擦的表面上斑液 一层钢制的防护树层。如C F M 5 6 3 发动机的商 压压气机在与工作叶片对应的机避内壁面上增加了 耱久隔套、锈裁摩擦季童套与锯青销荔窿涂墨。 方案三燕不赫燃烧骜耪耨代替钛合金，减步镀 台愈“成对级”。如F ／A 一1 8 军用飞机失事后，对熟 动力装置F 4 0 4 发勘机进行了改进，将高压压气机 懿枫匿壹钛合金葭用M 1 5 2 合金键，於涵枕蓬由钛 会金改隽P M R l 5 复鸯接辩，改瘸搴孝辩磊发凄撬重 量增加了0 ．4 5k g ；苏联H K 一8 6 发动机高篷殛气 机6 级转子叶片鸟静子叶片、篦齿环与静子封严环 全用钛合金，但从1 9 8 1 年起，4 ～6 缎静子叶片 王 佟滠度 3 0 0 ℃ 、蓖壤环与封严环全部改震合金镧。 方案二、三虽然避免了钛含垒材耨麓的直接鬻 擦，有效解决了钛着火问题，但却增加了发动机熬 量，降低了推重比。 1 。2 阻燃钛合金懿研锤 辍燃镀会金燕攒在一定澄岌、愿力霸空气流遽 下能够抗自燃烧的钛合金臼] 。为了防止钛火事故的 发生。各国航空材料学家一直对雄搿具有良好阻燃 性熊的钛合金进行蓉积极的研制。撤据不圊的阻燃 祝瑗，隘燃钦合金可主要努隽T } W e r 系寨T i C u 系两释体系。 T i v C r 系阻燃钛合金具有较好阻燃性能的原 因是 1 V 、C r 等党素能使燃烧前沿快速形成一层 致密黪保护性氧诧膜，有效隔离氧离基体输送，超瑟 辍燃僚鼹嘲； 2 V 、C r 的燃浇产耘激气藕形式逸 出，因此，燃烧过程中放热小，从而抑制燃烧蔓延[ s 3 ； 3 合金熔点较低，在燃烧前就已软化或熔化，同时 大量吸热使局部湿度降低嘲； 垂 会金导热性好，热 量麓够快速散舞，掰滋可避免羼部溢舞曲] 。 另～类重点研究的阻燃钛合金势T i C u 系合 金，其研制的主要思路撼通过减少摩擦发热和金属 加热。T i - C u 系会金在高漆时会出现T i 2 C u 9 9 0 ℃ 低熔点液稽r _ s o ] ，苓纹啜牧了大量酶热，鼹照使于摩 擦转变势有滚狸滤稽豹摩擦，麸嚣降低了摩擦系数， 急剧减少摩擦生热。另外，合金熔点低和导热性好， 也有利于钛合金阻燃．趟姆T i _ V C r 系含众类似。 嚣翦，美匿、俄罗靳、中匿秘英国等都在积援磷 裁各鱼的爨燃铁会金。其孛，骈甓较痰熬瓣T i 一弘 C r 系阻燃钛合金有美圜的A l l o yC T i 一3 5 V 一 1 5 C r 、巾围的T i 4 0 T i 一2 5 V 一1 5 C r 一0 ．2 S i 和英 重的T i ～2 5 V 一1 5 C r 一2 A l 一0 ．2 C ；对警T i C u 系疆燃钛合金，主要包括饿罗瑟瑟B f r l ／鹜T T 一 3 、中国的T i l 4 T i l A l 1 3 C t l 一0 。2 S i 。相圪较 而言，前～种体系的综含性能较好，美围的A l l o yC T i 一3 5 V 一1 5 C r 已成功应用于其第蹬代战机F ／A - - 2 2 戆动杰装萋F 1 1 9 发凌撬孛口卜秘3 。两矮罗凝 懿B T T ～1 ／B 程一3 蠢予力学性能裰熔铸挂簏差 未能工程化。我国对于黻燃钛合金的研制也不甘落 后，经过多年系统研究。低成本阻燃钛食众T i 一4 0 已应用予发囊枕关键部件鹋裁备[ 1 2 】并装栊试车。 1 。3 钛翕金魏表覆食金健 钛含众的表面合金化是指通过扩散改变钛合金 基体表筒朦的成分和组织的材料保护拽术。其中， 利用双层辉光离子渗金属技术对钛合金进行表露会 金诧是提高箕整熬性能豹蕊要工艺。双屡耀光离子 渗金属技沭的主要嚣理怒利震双瑟辉巍放电现象在 离子氮化装置中增加一个由欲渗合金元擀构成的源 极。该源缀和阳极之间设有直流电源并使其间产生 辉光离子放惫。糕角蒋光放电掰形成的懿离子，轰 击源投耪料，获瑟霞含金元素被溅射凄粟，经漉积彝 扩散而使正件表面形成飙有特殊物理化学性能的台 金层[ 1 卜“] 。徐重等利朋澈层辉光等离子表面冶金 技术在钛液嚣渗入C r 、C u 、N b 等舍金嚣豢，形成T i - - C r 、T i C u 、T i N b 袭谣鎏燃舍金层，在保簦蒸 钛枋性能的前提下，替代了价格昂贵豹整俸阻燃合 金，是～絷低成本的技术滤径[ 1 “。 I ．4 钛禽金阻燃涂层的磁测 万方数据 1 5 2 有色金属 冶炼部分 2 0 0 8 年增刊 阻燃涂层是采用先进的工艺在钛合金裘面涂覆 一层特殊的阻燃材料，在一定温度、压力积能量的冲 击下，麓起到隘燃防护终臻；静便镶台金已经起灭燃 烧，涂层也能有效延缓或阻戚燃烧的蔓延。因此，钛 合金阻燃涂层应具有良好的导热性、可磨耗性和低 的摩擦系数，以及良好的抗氧化性和低的燃烧热 值强] 。不震耪类的阻燃涂袋在阻燃规理上各有侧 重，各类钛会金阻燃涂层的阻燃枧瑾可戳靛缡为以 下四个方面 1 隔避免直接摩擦机理。猩钛合金 机件上制备致密的涂层，涂层与基体的结合强度高， 将钛合金枧l 譬隔开，避免 直接摩擦，扶掰阻断燃 烧。 2 馘皆断氧输送税瑾。在燃浇时迅速生成 致密的氧化膜，能够有效隔离氧向基体输送，也就阻 止了燃烧。 3 导快速散热机理。若点燃钛合金 的热量能快速散开，避免局部温度升高，达不到燃烧 赢，鄹可隰虫燃烧。 垂 滑壤少摩擦生热撬理。摩 擦生热和氧化放出的热量大于散失的热量时，试样 局部温度急剧上升，达到鬻火点而发生燃烧。当涂 层中所含金属 如铜、铝、镍等 的熔点低予钛基体熔 点稷基体囊发点燃的燃点时，金藩可在基体熔点湿 度下液化并流动，起到澜滑、降低摩擦系数的作 用[ 1 7 ] ，达到阻燃效应。 国外阻燃涂层的研究工作较早，美国航空航天 管理羼 N A S A 早在2 0 世纪7 0 年代便开艇了阻燃 涂层豹研究计划銎翱，曾先震试验了多种涂黧，所震 的试验方法是在特制的燃烧试验台上，模拟发动机 工作时气流通道的环境条件，在特定的气流温度、压 力和速度条件下，将涂有阻燃涂层的试样进行激光 点燃试验。研究表硬l V D 众l 秘P t ／C u ／N i 涂层不 仅具有良好的力学性能，而盥具备较好的隧燃性能。 目前，钛合企阻燃涂层已成功应用于国外的飞机发 动机上，有效防止了钛火发生。其具体设计是在钛 规基内径对应工俸叶片的环形繁上，设有防钛火的 涂层作为保护装置，其肉还涂有易磨涂层戳减小时 片叶尖与机版间隙；在钛叶片叶尖涂有一种特殊涂 层，以保护叶片不超温、掉块。 由于涂层与基体内部缓织结构豹差异，存在着 物理穗容链的麓题，秀了使隧燃涂屡与鏊俸有足够 的粘结强度，在选择合适的涂层材料的同时也必须 选择合适的制备工艺。钛含盒转子叶片阻燃涂层一 般采用物理气相沉积法 P V D 法，包括离子镀、电子 素物理气楗滋积法、阴极溅象法积磁控溅射法等 、 化学气楣沉积法 C V D 法，包括等离子C V D 法、超 声波C V D 法和激光强化C V D 法 以及常规的电镀 方法。钛合金机暾阻燃涂层一般采用等离子喷涂工 艺张爆炸喷涂等热唆涂工艺制备秘] 。其中，等离子 囔涂具有工磐受热小、不变形、不改变热处理状态、 喷涂的材料广泛、■艺稳定和涂屡质量高等优点，应 用此技术制备阻燃涂层前景非常广阔。总的来说， 阻燃涂层制备工范相对较简单、成本较低，而且涂层 对基俸无毒害性，在不损害镀合金力学性麓的蘸提 下能显著提高钛会金的阻燃性能。 2结束语 钛合金由于典有优良的综合性能蔫广泛应用予 靛空领域，随着钛会金工艺霸性麓的不断提熹，飞机 上钛用量稳定增长，然而，在发动机高温、高压苛刻 的环境中，钛着火问题也日益突出。为了满足航空 发动机高性能、高推重比的特殊要求，同时确保飞机 飞行安全，各蓬积极嚣震了钛合金淤燃技拳薛磅究。 目前，阻燃技术主要包括改进结构设计、钛合金表面 合众化、阻燃钛合众和阻燃涂层的研制。其中已有 不少阻燃技术成功应用于飞机发动机中，取得了鼹 好的阻燃效果。我匿航空钛台金黻燃技拳约研究邋 过近年来系统地研究，已取褥了较大的送展，僵与隧 外还存在较大羞躐。为了满足国内高推重比发动机 对钛合金阻燃技术的紧迫需求，我国科研工作者爱 重视阻燃枧理的深入研究，提高钛会金的阻燃技术， 籁逡窭牲麓努、霹靠牲秘推重毙高懿航空发魂撬。 参考文献 [ 1 3 浆茵斯C ，皮特尔斯M ．钛与钛禽众[ M ] ．陈振华，等 译。黎衷化学誓鼗出舨社，2 0 0 5 ；2 9 7 ～3 0 0 ， [ 2 】纛金友．航空雳钛台金[ M ] 。上海上海科学技术穗叛 牡，1 9 8 5 2 5 9 ． Z 3 ] 陈光．航空发动机结构设分析F M ] ．北京北京航窝航 天大学出版社，2 0 0 6 3 8 1 4 1 8 ． [ 胡陈毙．离基压气执钛着文懿危害联游疰措藏Z J ] ．嚣鼯 簸空，1 9 9 5 1 { O ～4 2 ， [ 5 ] 霍武军，孙护圜．航空发动机钛火敞障及防护技术[ J ] ． 航空科学技术，2 0 0 2 4 4 6 4 8 ． [ 6 ] 赵永庆，赵香麓，朱康荚，等．阻燃钛合金[ J ] ．稀有盒 溪耪粒与王程，1 9 9 6 ，2 5 5 l S 。 [ 7 】黄翘．铰合金蔽燃税理的研究[ D ] ．谣安西托工照大学 博士学位论文，1 9 9 8 ． [ 8 ] 刘玉芹．阻燃钛合金阻燃机理研究朔性能预测E D ] ．j B 衷北京有色金聪研究总院博士学位论文，1 9 9 9 ． p l 赵永痰，褥纛。鼹踅。T i 4 0 会金懿黻燃经麓爱其疆燃撬 理分析E J ] 。稀有金属材料与工稷，1 9 9 9 ，2 8 2 7 7 8 0 ． 万方数据 有色金属 冶炼部分2 0 0 8 年增刊 1 5 3 [ 1 0 3 赵泰痰，赵蛰螫，寒摩荚。T i - 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- 一9 5 0 ℃ 志问，此时水冷髓管等受热磷液面温度也达别 4 0 0 ℃以上，高温氧化现象十分严蘸。氧化皮程豳体 辑耩装砖爨下不凝裂落、重囊生成、霉囊落，健管壁 遮渐减薄。 单从锅炉受热面磨损角度糟，涂层材料的抗磨 攒效果不仅与颗粒的硬度有关，鼠与材料硬度粕颗 粒硬度之舞戆院值有关，当二者院篷超过一定傻麓， 磨损量便会逐这辫诋，嚣燕，增趣涂层豺辩戆硬凌会 迅速提高耐磨性，如高铬镍基合愈涂层。同时，锅炉 避行中高温环境投受热面腐蚀问题要求涂层同时又 其蠢抗热{ 孛击、抗腐蚀性能，如巍铬会金涂层、金瓣／ 隧瓷复含涂屡。耐磨合金7 5 C r ；Q ／2 5 N i C r 涂屡， N i C r 作为粘结楣舆有很好的抗祷温氧化和耐热腐 蚀的性能，C r ，G 作为硬质相又肴非常高的扰谢温 磨掇的性能，且其鼹滠稳定性好，姆钢基体的热膨胀 系数搂透，是一耪麟决C F B 镊炉磨损勰遂豹理憋涂 层。美蕃惹怒齑速灾雉绩涂裁备D S 一2 0 0 7 5 C r 。c 2 ／2 5 N i C r ，日本也采用怒音速火焰喷涂 C 轴C z ～N i C r 合念粉制备高温耐磨蚀涂层，均取得 了一定戆效果。但该涂层工艺设备昂贵、成本燕，零 後予瑗荔操露瓣特点，錾薅了英在我国魏进一步撵 广应用。国内的研究人员在喷涂材料方面也做了很 多研究和尝试，但使用效果并不很理想。将C r 。C 2 一N i 繇合金粉箭威粉蕊丝糖，采露魄援襞涂工艺， 箕涂屡菔曩与等离子喷涂基本捷弱，穗喷涂成奉帮 大大降低，而且便于现场操作。迄今，黼内电厂锅炉 受热筒的热喷涂工程，9 0 ％以上的喷涂衙积采用电 弧喷涂工艺，随着丝材制餐技术的日懿成熟，将会有 更多甄遗合奉晷匡睹又阕时吴各优良使鲻牲甓静囔 涂材斟鹰用于国蠹鹣C F B 锅炉上，褥在材料魏选择 上则肴必要综合考虑以上磨损因素和缀济性要求。 3结论 翡磨是C F B 锅炉安垒运费孛翡～壤霾要藏题， 表面热峨涂技术是C F B 锅炉防磨的缝济有效手段 之一，含理、经济、有效的喷涂工艺的您择必须从 C F B 锅炉磨援的主要影响嚣素的考虑趱发，对症下 药才簏，诱实舞麦蠹损难惩。 参考文献 [ 1 ] 岑雕法。倪明江，骆仲泱，簿。循环流化廉锅炉理论、设计 与逶符【Ⅺ3 。蘧豪；书溪彀力鑫菠衽，1 9 9 8 。 [ 2 】采予耪，徐滨。毫懿镊妒譬遭蹇温i 孛镳壤攘帮涂瑟赛 护拨术[ J ] ．中国电力，2 0 0 1 ，3 4 1 2 1 6 - 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