（材料加工工程专业论文）阻燃tinb合金的等离子表面冶金法制备及性能研究.pdf

f ，q， 。一一，。 一：1。；、，： n a n ji n gu n i v e r s i t yo fa e r o n a u t i c sa n da s t r o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h o o l c o l l e g eo fm a t e r i a ls c i e n c e t e c h n o l o g y r e s e a r c ho n n i o b i z i e r t i e so fp l a s m as u r f a c e l o y i n go nt i t a n i u m m a t e r i a lp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g b y n a m ez h o uj i n a d v i s e db y p r o f e s s o rx u z h o n g s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g j u n e ，2 0 1 0 5 川4删4 52删8i_y 承诺书 本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进 行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) ，畸 ， 亏象乱 作者签名：13 受 日期：鲨! ! ：! ：坐 ， 常规钛合金在一定的气压、温度和工作条件下会发生氧化和燃烧，而且蔓延速度很快，俗 称之为“钛火”。钛合金的可燃性限制了其在某些服役条件下的应用。阻燃钛合金的研究与应用 己经取得一些成就，但无论在阻燃机理研究及生产开发应用上都有待进一步展。阻燃钛合金比 较突出的问题是熔炼困难、加工性能差、整体力学性能降低等。 针对以上问题，本文采用双层辉光等离子渗金属技术在钛合金表面进行渗铌处理，在常规 钛合金表面制备t i n b 阻燃合金层。其优点是阻燃功能由表面阻燃合金层承担，整体力学则靠 基体钛材承担，保持了钛合金比强度高等优点；合金h j 量较小，大大降低了阻燃钛合金的成本。 t c l l 表面渗卜m 后用光学电镜( o m ) 、扫描电镜( s e m ) 、能谱仪( e d s ) 、x 射线衍射( x r d ) 分析 了改性层的显微组织、化学成分及其相组成，并测试了其弹性模量、显微硬度、高温和常温摩 擦磨损性能、抗高温氧化性能及阻燃性能。通过系统研究了各工艺参数对合金层形成的影响， 得出了等离子渗n b 优化工艺参数为：温度：t = 9 0 0 9 5 0 ；时间：t = 3 h ；气压：p = 4 0 p a ： 极间距：d = 2 0 咖；源极电压：v s = 9 0 0 1 0 0 0 v ；阴极电压：v c = 3 0 0 4 5 0 v 。在此条件下形成 的表面改性层有效厚度接近1 鲰m ，n b 元素含量由表及里均匀下降，渗层主要由n b 在b - t i 中 形成的置换固溶体相及心b 2 相组成。t c l l 渗n b 后的表面纳米硬度为6 7 1 g p a ，为基体的1 9 倍；弹性模量为1 6 1 g p a ，相较于基体略有降低。高温氧化试验表明，6 5 0 、7 5 0 和8 5 0 下， 渗卜m 试样抗高温氧化性能得到较大的提高。6 5 0 、7 5 0 下渗n b 试样表面由l 、m 2 0 5 和t i 0 2 组成，t c l l 表面则是t i 0 2 和舢2 0 3 。磨损试验表明t i n b 合金层摩擦系数较基体降低，比磨损 率较基体大幅度下降。烧蚀试验表明基体的烧蚀时间为1 3 6 s ，渗n b 试样的烧蚀时间为2 2 0 s ， 为基体的1 6 2 倍。烧蚀后t c l l 基体表面损坏严重，有裂纹出现，而渗n b 试样则能保持表面 基本完整，说明渗合金层具有良好的阻燃性能。 关键词：等离子表面冶金，等离子渗n b ，阻燃钛合金，高温氧化，摩擦磨损性能 厂。面nb合二二等离了表面冶金法制备及性能研究 c o n v e n t i o n a lt i t a n i u ma u o ym a yb ei g n i t e da n db u m tu n d e rh i g ht e m p e r a t u 他，h i g hp r e s s u r ca n d h i g hv e l o c i t yg a sf l o wc o n d i t i o n ，c a l l e dt i t a n i u mf i 陀1 r i t a n i u mf i r el i m i t sa p p l i c a t i o no ft i t a n i u ma u o y i ns o m e 、0 r k n d i t i o n t h o u 曲s 0 m ea c h i e v e m e n t sh a v eb e e nt a l ( e n ，b o t hb 啪r e s i s t 柚tm e c h a i i i s m s t u d y 姐dp r o d u c td e v e l o p m e n tn e e dt 0b ef u r t h e ri n v e s t i g a t e d n o wt h em a j o 坨p r o b l e m sa r e ： d i 彤c u l tt of u s e ；p o o rp r o c e s sp r o p e r t ya n da l l o y sb o d ym e c h a n i e a lp r o p e r t i e s t os o l v et h e s ep r o b l e m s ，t h i sp a p e rp r o p o s e dt of o 册n bs u 嘲c e - m o d i f i c a t i 伽l a y e r so ns u 由c e o f r 1 1b yu s i l l gd o u b l eg l o wp l a s m as u r f a c ea l l o y i i l gt e c h n i q u e s u r f a c eb 哪一陀s i s t 柚tt i t a l l i u m a j l o yh a v ef 0 u o w i n gc h a m e t c r i s t i e s ：b u m - 陀s i s t 加tf u n c t i o ni sf u l f i u e db ya u o y e dl a y c r ，m e c h a n i c a l p r o p e r t i e sa r ee n d u r e db ys u b s t a r t et i t a n i u ma l l o y ，t h e nt h ec h a n c t c r i s t i co fh i g hn t i os 佃e n g t h e ni s k c p t t h ea l l o yc o n s u m p t i o nc 锄b ed e c 豫a s e db yt h i st e c h n i q u e ，w r h i c hc 蛆r e d u c ep m d u c tc o s t 1 k i i l i c m s t m c t u r e ，唧o s i t i o n 觚dp h a s es t l l l c t u r eo ft h es u r ：f a c cm o d i f i e dl a y e 璐a 陀姐a l y z e db ym e 姐s 0 fo m ，s e m ，e d s 柚dx l m 陀s p e c t i v e l y n u g hs y s t e m a t i c a je x p e r i m e n t s 柚dv e 碰c a t i ，雠 o p t i i i l u mp r o c c s sp a m m e t e r so fp l a s m an i o b i z i n go nt c l la r ej u s t i f i e d 弱f o u o w s ：p r o c e s s i n g t e m p e r a t u 陀：9 0 0 9 5 0 ，d i f m s i n gt i i m ：3 h ，d i s t 姐c eb e m e e ns o u r c ec a t h o d e 粗dw o r k p i e c c ： 2 0 m m ，、0 r k i n gp r e s s u 他：4 0 p a ，s o u r c ev o i t a g e ：9 0 0 - 1 0 0 0 v ，c a t h o d ev o l t a g e ：3 0 0 - 4 5 0 v r e s u l t s s h 帆，e dt h a ta l l o y e dl a y e re 疵c t i v et h i c l 【l l e s sw a su pt 01 即m ，柚dt h en bc o n t e n t 佗d u c e dg r a d u a l l y 五r o ms u r f a c et o w a r ds u b s i - a t e t h em a i l lp h a o fa o y i n gl a y e 侣c o m p 0 do fb - t i ( n b ) s 0 i i d s 0 l u t i o 璐柚d 枷2p h a m o d v e r ，u n i v e r s a lh a r d n e s so fn ba u o y 通gl a y 盯、张s6 7 1 g p a ，w h i c h w 弱1 9t i i i l e sb i g g e rt h 柚s u b s t r a t e t l h ee l a s t i cm o 血l 吣o fa u o y i n gl a y e rw 弱1 6 1 g p a ，训c hw a s 他d u c e dc o m p a r et 0s u b s t m t c o x i d a t i o n 陀s i s t 蛆i na i f a t6 5 0 ，7 5 0 粗d8 5 0 w e 陀a u i r 叩r 0 v e d r e s m t so fx r d s h o w e dt h a tn b 2 0 5 姐dt i 0 2w e r em em a j o rp h 觞e so fn i o b i z 吨l a y e r ， w h i l et i 0 2a n da 1 2 0 3w e 他t h em a j o rp h a s e so fu n t r e a t e ds u r f a a t6 5 0 柚d7 5 0 p i n 帕n - d i s c t e s ts h o w e dt h a tt i - a u o y e dl a y e re ) 【h i b i t e dl o w c r 觚t i o nc o e f f i c i e n t 柚dl o w e rw e 缸n t ec o m p 眦 埘t l l 蚰骶a t c ds p c c i i i l 如a - b l a t i o nt e s ts h o w e dt h a ta b l a t i o nt i m eo ft i - n ba u o y e dl a y e rw 舔2 2 0 s w h i l et h a t0 fs u b s 仃a t ew 弱1 3 6 s ，w h i c hw 硒1 6 2t i m e sm o r et h 柚鲫b s t m t e t h ec m c k s 柚dn a k e a p p e 锄谢o ns u r f a c co fs u b s 仃a t ea f t e ra b l a t i t c s t ，w h i l et h es u r f a c eo fa j l o y e dl a y e rk e p tc o m p l e t c ， w h i c hm e 蛆tt h en ba l l o y e dl a y e r h a v e 、张ub u m - 他s i s t 柚tp r o p e r t i c s k e y w o r d s ：p l 弱砌s u m 峨a j l o y i n g ；p l 弱m an i o b i z i n g ；h i g ht e m p e r a t u 他o 】【i d i t a t i 仰；衔c t i a n d w e a rp r o p e r t i e s ；b u m - r e s i l a n lt i l a n i u m 南京航窄航天人学硕l ? 学位论文 目录 第一章绪论。l 1 1 钛在航空中的应用1 1 1 1 钛在商业航空领域的应用。2 1 1 2 钛在军川航空领域的应用3 1 1 3 我国航空川钛的情况3 1 2 钛火及其防护技术5 1 2 1 钛火的原因。5 1 2 2 防护技术6 1 3 阻燃钛合金研制现状及发展趋势8 1 3 1 阻燃钛合金研究现状_ 8 1 3 2 阻燃钛合金发展趋势8 1 3 3 阻燃性能评价方法。9 1 3 4 阻燃机理：9 1 4 双层辉光等离子表面合金化阻燃钛合金1 0 1 5 研究内容的提出1 1 1 5 1 研究内容的提出1 1 1 5 2 本文研究内容：1 2 1 5 3 应用前景：1 2 第二章实验过程与研究方法1 3 2 1 双辉等离子渗n b 工艺研究1 3 2 1 1 试验材料及方法1 4 2 1 2t c l l 渗n b 的工艺研究1 6 2 2 渗n b 合金层力学性能测试1 9 2 3t i n b 合金层高温氧化性能研究2 0 2 3 1 高温氧化理论概述2 0 2 3 2 试验方法2 1 2 4t i n b 合金层摩擦磨损性能研究2 1 2 4 1 试验原理2 2 2 4 2 试验设备2 3 合金的等离了表面冶金法制备及性能研究 ：1 3 2 ：； 2 4 2 4 2 试验材料和方法2 4 2 5 试验设备2 5 第三章结果与讨论2 6 3 11 1 1 双辉渗n b 合金层成分、组织及结构2 6 3 1 1 表面形貌分析2 6 3 1 2 截面分析2 7 3 1 3 合金层的相结构分析。2 8 3 2 渗n b 合金层力学性能测试2 8 3 3 高温氧化试验结果及分析2 9 3 3 1 氧化膜表面宏观形貌及s l m 形貌分析2 9 3 3 2 氧化膜表面相分析3 3 3 3 3 不同温度氧化动力学曲线3 4 3 4t i 卜m 合金层摩擦磨损性能研究3 7 3 4 1 室温下干摩擦条件下渗n 怕改性层摩擦磨损性能。3 7 3 4 23 5 0 干摩擦条件下渗n b 改性层摩擦磨损性能3 9 3 5t i n b 合金层阻燃性能研究4 1 3 5 1 熔化起燃时间4 1 3 5 2 烧蚀后表面宏观形貌4 1 3 5 3 烧蚀后表面微观形貌4 2 3 5 4 烧蚀过程有限元分析4 4 3 5 5 阻燃机理初探4 6 第四章结论。4 8 参考文献4 9 致谢5 z l 在学期间研究成果及发表论文5 5 南京航窄航天人学硕i ! 学位论文 图清单 图表清单 图1 1 单机用钛量对比t 。2 图1 2 飞机用钛主要部件和部位2 图1 3 用于商用飞机的高涵道比涡轮风扇发动机的刚钛情况3 图2 1 双层辉光离子渗金属示意图1 3 图2 2 试验州双层辉光离子渗金属炉1 4 图2 3 渗金属内部结构示意图1 5 图2 4 不同温度条件下合金层的金相照片1 7 图2 5 不同气压条件下合金层的金相照片1 8 图2 6 预轰击时间不够下合金层扫描图片。1 9 图2 7d u h w 2 0 1 s 纳米压痕仪及三棱锥压头示意图2 0 图2 8 摩擦试验装置示意图。2 2 图2 9 氧乙炔焰烧蚀原理图2 4 图2 1 0 氧乙炔焰烧蚀示意图2 4 图3 1t c l l 渗n b 改性后的表面形貌及表面能谱。2 6 图3 21 1 1 渗卜m 合金层截面扫描图。2 7 图3 3 合金层元素成分分布曲线。2 7 图3 41 1 1 渗l 、m 后的x 射线衍射图2 8 图3 5 加载力为5 0 m n 加载过程中试样的纳米硬度随深度变化的分布曲线。2 9 图3 65 0 mn 加载力下试样的载荷位移曲线2 9 图3 7t c l l 基体及渗n b 试样经7 5 0 氧化5 0 h 后表面宏观形貌3 0 图3 8t c l l 基体及渗n 胁试样经7 5 0 氧化1 0 0 h 后表面宏观形貌3 0 图3 9t c l l 基体经7 5 0 氧化1 0 0 h 后表面s e m 形貌及能谱。3 1 图3 1 0 渗n b 试样经7 5 0 氧化1 0 0 h 后表面s e m 形貌及能谱3 2 图3 1 1t c l l 基体经8 5 0 氧化1 0 0 h 后表面s e m 形貌3 2 图3 1 2 渗n b 试样经8 5 0 氧化1 0 0 h 后表面s e m 形貌及其能谱3 2 图3 1 3t c l l 基体及渗n b 试样7 5 0 氧化1 0 0 h 后表面的x r d 图谱。3 3 图3 1 4 t c l l 基体及t i 1 、m 合金层不同温度下的氧化动力学曲线3 4 图3 1 5t c l l 不同温度下的氧化动力学曲线3 5 图3 1 6t i o 二元相图3 5 v 阻燃币n b 合合的等离了表面冶金法制备及性能研究 图3 1 7t i n b 合金层不同温度下的氧化动力学曲线3 6 图3 1 8n b 0 二元相图3 6 图3 1 9 室温下不同试样摩擦系数与滑动时间的关系曲线。3 8 图3 2 0 室温干摩擦条件下磨痕形貌3 9 图3 2 13 5 0 下不同试样摩擦系数与滑动时间的关系曲线3 9 图3 2 23 5 0 干摩擦条件下磨痕形貌4 0 图3 3 3 烧蚀前后t c l l 基体与渗卜m 试样的表面形貌图4 2 幽3 3 4 烧蚀后t c l l 基体表面s e m 图及能谱4 2 黧羹嚣：黧麓篡：= 鬈二二二：篡 图3 3 6 烧蚀后渗n b 试样的外围区域表面s e m 图及能谱4 3 图3 3 7 建模示意图4 4 图3 3 8 划分网格后的模型4 5 图3 3 9t c l l 加热2 0 0 秒后的温度场4 5 图3 4 0 渗试样加热2 0 0 秒的温度场4 6 表清单 表1 1 中国自主研究的飞机结构新型钛合金4 表2 1 试样的烧蚀参数。2 5 表2 2 主要仪器与设备2 5 表3 1 渗层表面元素重量及原子百分比2 6 表3 2 不同试样室温下的磨损量和相对磨损率3 8 表3 3 不同试样高温下的磨损量和相对磨损率4 0 表3 4 试样的耐烧蚀时间。4 1 表3 5 啊及l 、m 物理性能参数4 4 南京航窄航天人学硕i ：学位论文 第一章绪论 钛是地壳中储量较丰富的元素之一，它在地壳中的丰度为0 6 ，仅次于铝、铁、镁占第四 位。但从它的工业价值、资源寿命和发展前景来看，它又仅次于铁、铝，被称为正在崛起的第 三金属。 钛位于元素周期表中l v b 族，原子序数为2 2 ，原子核由2 2 个质子和2 0 3 2 个中子组成， 核外电子结构排列为1 s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 3 d 2 4 s 2 。原子核半径5 1 0 厘米。钛的密度为 4 5 0 6 4 5 1 6 9 c m 3 ( 2 0 ) ，熔点1 6 6 8 4 ，熔化潜热3 7 5 o 千卡克原子，沸点3 2 6 0 士2 0 ， 汽化潜热1 0 2 5 1 1 2 5 千卡克原子，临界温度4 3 5 0 ，临界压力1 1 3 0 大气压。 钛的导热性和导电性能较差，近似或略低于不锈钢，钛具有超导性，纯钛的超导临界温度 为0 3 8 _ 0 4 k 。在2 5 时，钛的热容为0 1 2 6 卡克原予度，热焓1 1 4 9 卡克原子，熵为7 3 3 卡 克原子度，金属钛是顺磁性物质，导磁率为1 0 0 0 0 4 【l l 。 钛具有可塑性，高纯钛的延伸率可达5 0 6 0 ，断面收缩率可达7 0 8 0 。钛中杂质的存在， 对其机械性能影响极大，特别是间隙杂质( 氧、氮、碳) 可大大提高钛的强度，显著降低其塑 性。钛作为结构材料所具有的良好机械性能，就是通过严格控制其中适当的杂质含量和添加合 金元素而达到的。 钛的性质与温度及其存在形态、纯度有着极其密切的关系。致密的金属钛在自然界中是相 当稳定的，但是，粉末钛在空气中可引起自燃。钛中杂质的存在，显著的影响钛的物理、化学 性能、机械性能和耐腐蚀性能。特别是一些间隙杂质，它们可以使钛晶格发生畸变，而影响钛 的各种性能。常温下钛的化学活性很小，只能与氢氟酸等少数几种物质发生反应，但温度增加 时钛的活性迅速增加，特别是在高温下钛可与许多物质发生剧烈反应。钛的冶炼过程一般都在 高温下进行，因此必须在真空中或在惰性气氛保护下操作。 钛及其合金不仅在航空、宇宙航行工业中有着十分重要的应用，而且已经开始在化工、石 油、轻工、冶金、发电等许多工业部门中广泛应用。 1 1 钛在航空中的应用 由于具有比强度高的重要特点，钛是一种重要航空结构金属。钛及钛合金的密度介于铝和 钢之间。经过现代热处理，钛合金的强度极限可达到1 5 0 0 m p a 以上，比强度约为3 3 。对于钢 来说，要达到这样高的比强度，则需要具有2 5 0 0 2 6 0 0 m p a 的强度极限，然而，在制造和结构 中使用这样的钢，工艺上是十分i i i 难的；即使钢的强度还能提高，锈蚀问题也严重地影响其使 用。铝合金密度虽低，但比强度不如钛合金。另外，钛及其合金的耐热性很强，在5 0 0 的大 图1 1 单机用钛量对比t “ ? i 静：+ 在1 5 0 ，不锈钢 动机和表面温度相 ( 见图1 1 ) 【2 捌。 啦，? ，黔”孓：i ： 图1 2 飞机用钛主要部件和部位 图1 2 给出了a 3 5 0 客机的主要用钛部位和部件，主要是：起落架、机翼结构、发动机悬架、 机翼高压油管气管、紧固件、舱门、机舱面板或隔板、座椅导轨、尾锥和辅助动力舱的隔热屏 等。 不仅是机身，目前大飞机用主流的高涵道比涡轮风扇发动机也大量用钛( 见图1 3 ) 。 2 南京航守航天火学硕l ：学位论文 图1 3 用于商用飞机的高涵道比涡轮风扇发动机的用钛情况 1 1 2 钛在军用航空领域的应用 军用飞机有与民用飞机相同的用材趋势，而且用钛比例更高【1 。比如，新型大型客机b 7 8 7 的总用材量中用钛量占1 5 ，而典型三代军用机s u 2 7 的用钛比例为1 8 ，f - 1 5 为2 5 ，四代 军用机f 2 2 则已达到4 1 【酬。 以下为目前国际上几种用钛量最大军用飞机的实际用钛量及生产架数： f ，a 2 2 猛禽战机：骨架用钛量占3 9 ；发动机用钛量占4 0 ；每架匕机用钛6 万磅；共生 产了1 7 9 架飞机。 联合轰炸机f - 3 5 ：每架飞机用钛8 万磅；钛交货始于2 0 0 6 年；将生产2 。6 0 0 架飞机。 欧洲战机- 台风( t ) r p h 0 0 n ) ，每架飞机用钛2 ，0 0 0 磅，共生产了6 0 0 架。 a 4 0 0 型飞机，每架飞机用钛2 0 ，0 0 0 磅，共生产2 2 0 架。 阵风( r a f a l e ) 式飞机：每架飞机用钛8 ，0 0 0 磅，共生产2 7 5 架。 钛作为“太空金属”，还具有高低温性能好的突出优点，因而是制造运载火箭、卫星和月球 车的最佳金属结构材料【7 l ；钛及其合金作为“海洋金属”，还是制造潜艇、海洋石油开采设备和 海水淡化装置的优异材料，得到了广泛的应用【引。 1 1 3 我国航空用钛的情况 中国钛产业在近年来快速增长，其中海绵钛( t i t a n i u ms p o n g e ) 和钛材( t i t a n i u mp r o d u c t s ) 产量都创历史新高【9 1 ，中国钛产量占世界钛产量的比例2 0 0 4 年以来一直名列第4 位。但是，中 国的钛产品结构不是很理想，化工和体育等用板材和管材占近5 0 左右，而航空用大棒材、锻 件等半成品产量只占1 0 左右【1 0 l ，距离世界水平的5 0 差距甚远。所以，加强航空结构用新型 钛合金材料技术及其应用研究，提高航空结构用钛合金的加r ：技术和应用水平，建立具有中国 3 阻燃m n b 合金的等离子表面冶金法制备及件能砌f 究 特色的航空结构用钛合金材料体系，是提高钛合金在航空- t 业用量的重要推动力和保障。 中国4 0 余年来一直致力于航空结构用新型钛合金方面的研究，已基本形成了航空结构用钛 合金材料体系，满足了航空结构应用的需要。目前，我国研究的钛合金共有7 2 个牌号，其中， 投入工业化应用的钛和钛合金牌号有6 0 多个，像a 或近a 型钛合金( t a l t a 2 8 ) 共2 8 个，b 或近b 型钛合金( t b 2 川飞9 ) 共8 个，a - b 型钛合金( 1 l 以2 4 ) 共2 4 个等i l l j 。 为了满足飞机结构用钛合金的发展需要，近年来，我国自主研发了几种新型的结构钛合金 材料，如表1 1 所示。低强高韧性的丝材钛合金( n b t i ) 和管材合金( t a l 8 ) ，中强高韧高损 伤容限型钛合金( t c 4 一d t ) ，高强高韧高损伤容限型钛合金( t c 2 1 ) ，1 3 0 0 m p a 2 0 0 0 m p a 系 黧燃怠熹罴嚣篡曩蓄黧万艴盼吼躺脯撒 合金材料体系，奠定了新一代飞机结构用钛合金的应用框架结构。 表1 1 中国自主研究的飞机结构新型钛合金 尽管我国钛工业在近几年里取得了长足的发展，基本上满足了国内各项建设的需要，但客 观地说，我国钛工业还不能够立即完全满足大飞机对钛材的各种需求。因此，我国大飞机项目 的上马，对我国钛工业来说既是机遇，更是挑战。 4 1 2 钛火及其防护技术 在正常情况下，航空发动机上钛合金的使用情况良好，但钛及普通钛合金存在致命的持续 燃烧敏感问题，这会导致钛火故障【1 2 1 。所谓“钛火”是指由于某种原因( 如剧烈冲击、摩擦) 导致 钛或钛合金机件起火燃烧，造成损伤或烧毁的事件。钛火的范围可从轻微的叶尖燃烧、后缘区 燃烧，发展到大范围燃烧，有时甚至造成机匣3 6 0 烧穿【1 3 1 。钛火故障在国外民用和军用航空 发动机上都曾发生过【1 刚。比如，图1 5 4 飞机的m k 8 2 发动机，高压压气机转子损坏造成机 匣的钛合金静子起火；a 3 0 0 等大型客机的c f 6 发动机，1 9 7 7 年钛合金机件的着火率高达0 0 7 次l c h ；f a 1 8 的f 4 0 4 发动机钛合金压气机火火，1 9 8 7 年美国空军冈此发生了四起f a 1 8 龄 毁事故。压气机转子的钛火，不但会烧毁全部的钛合金叶片，还会将机匣、整流器叶片、叶盘、 轴及其它非钛合金材料的叶片烧损；甚至导致燃烧室火焰筒、涡轮导向叶片及转子叶片不同程 度烧伤，出现变形或裂纹；固定连接及压气机机匣外部的滑油、燃油、空气等导管和电缆因过 热也会损伤。若静子部件的材料也为钛合金，则极易被引燃，将导致危害更大的事故：火焰将 烧穿压气机机匣和外涵道机匣，并烧穿机匣外的各种管线，引燃油液，引起整台发动机和飞机 失火，a - 1 8 的f 4 0 4 发动机的钛火就属于此类事故。航空发动机的钛火，燃烧速度相当快。 研究表明，一般钛合金机件的燃烧蔓延时，从开始剑结束总共4 2 0 s 【1 2 】。在如此短的时间内采 取灭火措施是不可能的，因此，必须研究钛火的防护技术，避免钛火的发生。 1 2 1 钛火的原因 要深入研究阻燃钛合金的阻燃机理，首先需要了解常规钛合金为什么容易燃烧，发生“钛火” 的根源。 钢、铝等金属及其合金不存在火灾危险，原因是在熔化前及熔化后的整个温度范围内，其 氧化都是一个自抑制过程，在这种情况下形成的氧化膜会阻断氧向金属表面输送，且氧化以等 温形式进行，向金属内部传导造成的热量损失显著低于低速氧化反应析出的热量，所以不会燃 烧f 1 7 1 。而钛自身具有的特点使其成为有火灾危险的金属。b o r i s o v a 【1 8 1 认为高价氧化物t i 0 2 的密 度显著小于低价氧化物t i 3 0 5 、t i 2 0 3 的密度，所以氧化过程的交换反应中，由于氧化膜单位体 积小而使其破裂失去密封性能，氧气的输送速度急剧增大，热量析出速度超过热量损失速度， 温度开始升高，氧化转变为燃烧。 s c h u t z 认为，钛燃烧的条件是金属氧化反应的放热足以使金属表面温度达到或超过合金的 燃点。当合金局部过热时，正常的氧化钛保护薄膜会溶解到熔化的金属表面中，从而使金属本 身失去保护，发生持续氧化。 也有文献认为，钛合金容易燃烧，主要冈为表面摩擦生热后，氧化产物疏松且较易形成微 裂纹，氧继续向基体内扩散，使燃烧得以继续。 5 合合的等离了表面冶金法制各及性能研究 因素是：钛具有很高的氧化生成热和燃烧热、低的导热系数 ，钛在熔化之前可点燃，因而不具有将熔化潜热作为储藏热 是温度、压力和气流速度掣1 9 1 。 。 的熔点为1 6 2 7 。钛起火需要一定的温度和压力条件，航空 远低于钛的燃点，即使高压压气机的钛合金叶片所承受的温 常t 作条件下是不可能导致钛火，因此钛燃烧是一种典型的 发生了机械失效或气动故障，使钛结构达到了点燃温度四j 。 原因。如果压气机吸入外物或内部机件掉块，会冲击高速旋 裟黧需雹鬈篙麓言二薹：篡燃； 转子径向、轴向位移、串动，机匣的凹陷变形等都会使转子 热量，由于钛合金是热的不良导体，热量不能被有效传导或 散失，致使叶片或机匣内环局部温度过高，当超过钛的燃点时，在一定的压力和氧气浓度下， 钛就开始起火燃烧。 导致钛火的另一原因是气动加热。压气机喘振和失速会引起发动机中气流反向流动，从燃 烧室后段返回的气流温度很高，一般在钛的燃点温度以上，这会引起压气机钛合金叶片大量起 火。压气机转子的钛火，不但会烧毁全部的钛合金叶片，还会将机匣、整流器叶片、叶盘、轴 及其它非钛合金材料的叶片烧损其至导致燃烧室火焰筒、涡轮导向叶片及转子叶片不同程度烧 伤，出现变形或裂纹固定连接及压气机机匣外部的滑油、燃油、空气等导管和电缆因过热也会 损伤。若静子部件的材料也为钛合金，则极易被引燃，将导致危害更大的事故火焰将烧穿压气 机机匣和外涵道机匣，并烧穿机匣外的各种管线，引燃油液，引起整台发动机和飞机失火【2 1 1 。 1 2 2 防护技术 钛火故障的危害很大，然而目前还没有更好的材料完全取代钛合金在航空发动机上的应用， 在今后相当长的时间内，钛合金仍是不可或缺的航空材料。为了保证钛合金的使用安全性，各 国的航空动力和航空材料专家一直致力于钛火防护技术的研究，并取得了一定的研究成果2 2 1 。 ( 1 ) 改进结构设计 钛火故障发生后，各发动机制造公司都及时采取了防护措施，改进了发生钛火故障的发动 机部件结构与材料，目的是降低钛合金机件摩擦的可能性并避免钛合金机件间的直接摩擦。 方案之一是加大转子叶尖与静子间的径向间隙，降低转子叶片与机匣内环发生摩擦的几率； 加大转子叶片与整流叶片之间的轴向间隙，减少由于喘振和失速导致的转子、整流叶片的碰撞。 但这样又会降低压气机效率和造成喘振裕度下降。 方案之二是用不易燃烧的合金钢代替钛合金作为压气机机匣的材料。h k - 8 2 、c f 6 和f 4 0 4 6 南京航窄航天人学硕i j 学位论义 三种型号的发动机后来都改用了合金钢的高压压气机机匣，这样虽然避免了钛合金材料间的直 接摩擦，但却使发动机的重量有不同程度的增加。如f 4 0 4 发动机改用m 1 5 2 钢机匣后重量增加 了3 0 4 5 蚝。 。 方案之三是在钛合金机件可能磨擦的表面加装一层钢材料的防护衬层。如c f m 5 6 发动机 就在与前三级钛合金转子叶片相对应的钛合金高压压气机机匣内环上，嵌装了用于密封和防止 钛合金间摩擦的钢衬套和防火隔圈，隔圈上喷涂有可磨耗的密封涂层。 ( 2 ) 阻燃涂层 阻燃涂层就是采用先进的喷涂工艺在钛合金零部件的表面尤其是易发生摩擦表面，涂覆一 层难于燃烧的材料，以便在一定的温度和能鼙冲击_ 卜，阻i 卜摩擦热的积累，起到阻燃防护的作 用，并且在已起火燃烧的情况下，能有效延续或阻止燃烧的进展【2 3 1 。 美国、俄罗斯等些国家，早就进行了气流压力、温度对钛合金燃烧行为的影响以及钛合 金燃烧敏感性等专项研究，并在此基础上进行了不同材料成分的钛合金阻燃涂层阻燃性能验证 和筛选工作。n a s a 曾先后试验了1 3 种涂层，其所用的试验方法，就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，在不同的气流温度、压力与速度条件下，将未加涂层 防护的裸露t c 4 钛合金与有阻燃涂层的钛合金试样进行燃烧对比试验。试验结果表明，在发动 机正常工作状态条件下，有8 种材料的涂层有很好的阻燃性能，但随着气流温度和压力的升高， 涂层的阻燃性逐渐削弱甚至失去阻燃能力。 同其他的防护涂层一样，在长时间温度较高的情况下，阻燃涂层与基体间存在不同程度的 互扩散问题，不但降低了阻燃防护效果，也改变了基体材料的固有属性，如会降低基体材料的 疲劳寿命。 钛合金阻燃涂层目前主要用于钛合金材料制成的压气机转子叶片和机匣内环。由于转子叶 片在高速旋转的同时，还承受含有沙尘和工业污染物颗粒的高速气流的冲击，所以应用于转子 叶片的阻燃涂层要具有较高的硬度、良好的抗腐蚀性和抗热蠕变疲劳性能，且涂层表面应有很 高的光洁度，以减少对气流的叶片附面层阻力。用于机匣内环的涂层，应同时具有封严涂层的 功能，以提高压气机效率。 另外，由于涂层材料与基体材料的内部组织结构的差异，涂层与基体还存在物理相容性的 问题，影响着涂层的耐久性。为了使阻燃涂层与基体有足够的粘结强度，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。钛合金转子叶片阻燃涂层一般采用物理气相沉积法f p v d 法，包括离子镀、电子束物理气相沉积法、阴极溅射法和磁控溅射法等) 、化学气相沉积法( 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 匣的阻燃涂层一般采用等离子喷涂和爆炸喷涂等热喷涂工艺制备。 ( 3 ) 阻燃钛合金 7 合会的等离了表面冶金法制备及性能研究 上都是可行的，但它并没有显著提高钛合金的使用温度，且 存在易剥落等问题【2 0 1 。 为此，各国航空材料学家在研究试验阻燃涂层的同时，也在积极进行着对持续燃烧不敏感、 本身具有良好阻燃性能的钛合金( 阻燃钛合金) 的研制，希望从根本上解决钛合金易于起火燃烧 的问题【冽。 1 3 阻燃钛合金研制现状及发展趋势 1 3 1 阻燃钛合金研究现状 美国和俄罗斯从2 0 世纪7 0 年代就积极开展了钛燃烧