田 伟，王 标

(中国燃气涡轮研究院，四川 成都 610500)

1 引言

钛合金具有比强度高、热强性好、耐蚀性强等优点，广泛应用于航空发动机中。但钛合金导热系数低，氧化热焓大，在发动机工况温度、气流速度、压力和摩擦作用下，容易自发燃烧而产生钛火。钛合金一旦燃烧，便迅速蔓延，对其它零部件甚至整台发动机产生严重烧损。据统计分析，发动机中的钛火主要由高压压气机钛合金转、静子碰磨引起。钛合金碰磨时产生大量的高温磨屑，磨屑的比表面积大且缺少氧化膜阻氧，在高温、高压气流中容易燃烧(飞溅的火花)，而燃烧磨屑堆积在钛合金零件表面又会将其引燃。另外，钛合金燃烧时的熔融金属，也会通过气流传播粘附到其它零件表面而引发燃烧。正是由于燃烧液滴的传播，使得钛火发生过程非常迅速，烧损程度特别严重。

鉴于钛火的巨大危害，国外对钛合金燃烧特性开展了系统、深入的理论分析和试验研究，为航空发动机安全、合理选用钛合金和切实有效采取钛火防治措施提供了指导。美国利用激光点火试验平台，在模拟发动机工况条件下评价了54种常用钛合金的燃烧特性[1]。俄罗斯研究了航空发动机用钛合金发生启燃的临界温度与压力[2]。目前，美、英、俄等国的防钛火技术已取得重大突破，钛火事故鲜有发生，并根据温度、压力对钛合金启燃的影响规律，在民航适航性标准中严格规定了钛合金零部件的使用条件。俄罗斯民航试航性标准中规定，高压压气机钛合金零件工作温度上限为：转子叶片500℃、静子叶片330℃、机匣及封严环330℃、篦齿环300℃。英国民航适航性标准中规定，钛合金静子叶片的高度不得小于150 mm，另外对环境压力、流速等也做了严格要求。

我国对钛合金燃烧特性的研究尚处于起步阶段。TC11合金是目前我国航空发动机中应用数量最多的钛合金，其综合力学性能良好，生产工艺稳定，可用于制造500℃以下长期工作的压气机盘、叶片等零部件[3，4]。考虑燃烧液滴对引发和传播钛火的重要作用，本文利用液滴引燃法初步研究TC11合金的燃烧特性。

2 试验方法

试验原材料为TC11合金棒材，利用线切割加工成127mm×25mm×2mm的薄板。TC11合金成分见表1[5]。

TC11合金的燃烧特性试验在液滴法钛火试验台上进行，测试试片在不同预热温度和氧气含量下的引燃及烧蚀情况。试验原理如图1所示。

燃烧试验后，利用X射线衍射(XRD)仪检测TC11合金烧蚀表面的相成分，利用扫描电子显微镜(SEM)观察烧蚀截面上的微观组织，并利用能谱仪分析烧蚀区域的化学成分。

3 试验结果与分析

3.1 TC11合金引燃过程

图1示出了熔融TA1液滴引燃TC11合金试片的主要过程。首先，TA1金属丝被高温等离子弧熔化后滴落在已加热TC11试片表面，此时液滴温度接近其熔点温度(1640～1670℃)，如图2(a)所示。随后，向TA1液滴吹送一定流量的压缩空气和氧气的混合气，熔融液滴在氧气作用下表面发生氧化反应，当反应生热量大于散热量时，氧化反应加速，液滴开始燃烧，并将TC11试片引燃。TC11合金开始燃烧时发出耀眼白光，并喷射出大量火花，说明此时燃烧温度很高，反应剧烈，如图2(b)所示。稳定燃烧时光线很强，但少有火花飞溅并不时产生爆燃，如图2(c)所示。随着燃烧的进行，试片中心区域被烧穿，烧蚀孔洞迅速扩大，直至燃烧前沿扩散到压缩空气与氧气的作用区域外，火焰才逐渐熄灭，如图2(d)所示。

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

图1 TC11合金液滴引燃试验示意图Fig.1 Sketch illustration of test of ignition TC11 by TA1 droplet

燃烧前钛合金表面存在一层致密的氧化膜，阻碍了氧气进入，需要较高温度才能起火燃烧；启燃阶段，钛合金氧化反应非常剧烈，燃烧温度很高(约3727℃)，超过了 Ti和TiO2的沸点(分别为 3260±20℃和2500～3000℃)，大量蒸气从燃烧表面喷射出来，火花飞溅；随着Ti和TiO2的气化，燃烧温度有所降低，稳定燃烧时温度维持在2930℃左右，燃烧剧烈程度较启燃阶段略有降低。这与Clark的试验结果一致[6]。

3.2 温度和氧气含量对启燃的影响

多次试验结果表明，TC11试片能否被熔融TA1液滴引燃，受试片温度、氧气含量、气流温度和液滴温度等多种因素影响，其中试片温度和氧气含量为主因。图3给出了TC11合金在不同温度和氧气含量下22次试验的引燃情况。

图2 熔融的TA1液滴引燃TC11合金试片的试验过程Fig.2 The process of combustion of TC11 Alloy ignited by TA1 droplet

为便于分析，近似认为混合气体达到试片表面处的压力为101.325 kPa，并将混合气体中的氧气含量换算成氧气分压。试验中，TC11合金试片的温度控制误差为±10℃，则TC11合金的启燃临界条件曲线如图4所示。

由图3和图4可看出，在一定温度下，只有当氧气分压超过某一临界值时，TC11合金试片才能被引燃；并且随着试片温度的升高，引燃所需氧气分压临界值逐渐降低。试片温度在300～400℃时，临界氧气分压随温度升高而降低的趋势不大；400～700℃时，临界氧气分压随温度升高而降低的趋势非常明显。这是因为钛合金启燃的临界条件是生热量(包括外部加热和自身氧化生热)大于散热量。这一变化规律与文献[7]、[8]的一致。TA1液滴和TC11合金氧化反应产生的热流密度可表示为：

图3 不同温度和氧气含量下TC11合金试片的引燃情况Fig.3 The results of ignition test at different temperature and content of oxygen

图4 点燃TC11合金试片所需临界氧气分压与温度的关系Fig.4 The relation of temperature and critical ignition partial pressure in oxygen for TC11 alloy

式中：q为氧化产生的热流密度，J/(m2·s)；Q为钛合金氧化热，J/kg；w为钛合金氧化速度，kg/(m2·s)；p为氧气分压，Pa；p0为标准大气压，Pa；k0为指数前因子，kg/(m2·s)；R为气体常数，J/(mol·K)；E 为活化能，J/mol；T 为氧化反应温度，K。

由公式(1)可看出，氧化反应产生的热流密度与氧气分压的平方根成正比，与反应温度成指数关系。即产生相同热量时，如果提高反应温度，则可以降低氧气分压。若同时提高氧气分压和反应温度，氧化生成的热量将急剧增大，钛合金更容易启燃。同理，航空发动机中钛合金工作的环境温度和压力越高，发生钛火的风险就越大。风扇和低压压气机中，钛合金的工作温度与压力比高压压气机中的低很多，发生钛火的可能性较小。实际情况表明，绝大部分钛火事故发生在高压压气机中。

3.3 燃烧表面分析

图5示出了不同试片温度下燃烧后的TC11合金试片。可以看出，随着温度的升高，试片的烧损面积增大；试片燃烧前沿出现明显的熔化痕迹，熔化区域表面生成浅黄色氧化膜，非熔化区域表面主要是白色氧化膜。

图6为燃烧表面的XRD衍射谱。从图中发现，TC11合金燃烧产物的主要成分是TiO2。由于试样表面形貌不规则且面积较小，X射线的衍射强度较低，未发现其它合金元素的燃烧产物。虽然在高温下Ti能与N2发生燃烧反应[9]，但试片表面没有检测到Ti3N4。这主要是因为在Ti中，O比N具有更好的亲和力、更高的溶解度和更大的扩散系数。燃烧过程中，TC11合金主要与空气中的O2发生反应。

图5 TC11试片在不同温度下燃烧后的形貌Fig.5 Morphology of TC11 alloy samples after combustion test at different temperature

图7示出了TC11合金燃烧区横截面的SEM分析。试片燃烧表面是以TiO2为主的氧化层，氧化层到基体内部存在疏松区、致密区和影响区。

分析表明，疏松区内存在较多的裂纹和气洞，组织较疏松，O含量较高，O与Ti的原子百分比在1:1(TiO)～2:1(TiO2)之间。由于燃烧高温的作用，合金中生成了气体，并在熔化的金属中形成了气孔。另外，由于合金中溶入了大量的O，使得其脆性增加，在热应力作用下产生了裂纹。正是因为燃烧前沿存在疏松多孔区域，导致燃烧过程中O不断向合金内部扩散，形成持续燃烧。

图6 TC11合金燃烧表面的XRD衍射图谱Fig.6 XRD pattern of burned surface of titanium alloy TC11

图7 TC11合金燃烧区横截面的SEM分析Fig.7 Cross sectional microstructure of burned titanium alloy of TC11

致密区厚度较小，约为15～30 μm。该区域内受燃烧热和α相稳定元素O的共同作用，形成了干净的等轴α相。其组织形貌与合金原组织不同，并且O含量较多。

影响区厚度约为200 μm，形成了典型的粗大α片层组织，并向基体内部逐渐细化。这种组织反映了燃烧过程中O和燃烧热共同对基体组织的影响。

由此可看出，燃烧后的合金组织发生了显著变化，将对发动机零部件的使用安全带来严重影响。

4 结论

(1)熔融TA1液滴在压缩空气/氧气作用下能发生燃烧，并将TC11合金试片引燃。TC11合金的燃烧非常剧烈，发出耀眼白光，喷射出大量火花，并产生爆燃。

(2)随着TC11合金试片温度的提高，引燃所需的临界氧气分压逐渐降低。

(3)烧损面积随着试片温度的提高而增大。燃烧表面形成了氧化层，主要成分为TiO2。从烧损表面到合金内部形成了疏松区、致密区和影响区，各区域的组织特征和O含量存在明显差异。

[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 Shock Waves，2002，38(6)：639—645.

[3]Huang H F，Liu S L.Crack Growth Behavior in Titanium Alloy TC11 at Room and High Temperature[J].Acta Metal⁃lurgica Sinica(English Letters)，1999，12(1)：77—81.

[4]曾卫东，周义刚.冷速对TC11合金β加工显微组织和力学性能的影响[J].金属学报，2002，38(12)：1273—1276.

[5]颜鸣皋，刘伯操.中国航空材料手册：第4卷钛合金铜合金[M].2版.北京：中国标准出版社，2002：147.

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

[7]Bolobov V I.Possible Mechanism of Autoignition of Titani⁃um Alloys in Oxygen[J].Combustion,Explosion,and Shock Waves，2003，39(6)：677—680.

[8]Littmen F E.A Study of Metal Ignitions[J].Journal of Less Common Metals，1961，(3)：367—378.

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