TC4和TC11钛合金的抗燃烧性能研究

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B A O C C C D E A 1F %&) *+*5*(. /7(? . &-5*+=-8R-*(? +-8) (+M +&, 4S +&-摘要T 利用钛合金阻燃性能测试装置A 结合金相分析A 研究了02和044两种合金的抗燃烧性能A 分析了钛合金11

燃烧产物的显微组织特点U 利用摩擦学理论A 推导了试验顶紧力与材料屈服强度关系A 并利用该关系式A 解释了同一环境条件下A 不同合金燃烧临界顶紧力不同的主要原因U 根据研究结果A 指出了发展抗燃烧钛合金的几个方向U 关键词T 钛合金V 抗燃烧

中图分类号T 02W X Y Z V 04Z X 4J 4J 4

文献标识码T 7

文章编号T4C C 4L 2Z [4B Y C C 2FC E L C C Z Z L C Z

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T *V =h i jk l ‘m ^+*-&+56-88. 9) . 6; 5) *+. &?() +) *-&=(先进航空发动机中钛合金的工作温度n 承受的气流速度和压力越来越高U 由于o 钛火p 事故的发生A 严

重影响了钛合金在航空发动机上的广泛应用U 为了安全起见A 英美等国将已经采用钛合金的航空发动机机匣和静子部件等又重新换成了钢或高温合金部件A 俄罗斯也严格限制了钛合金在航空发动机上的使用温度

q 4r

的0并讨论了影响钛2和044钛合金的燃烧特性A 11

合金阻燃性能的内在因素U

$试验原理

试样由楔形试样和条形试样两部分组成A 成对使用B 图4F U 在一定的顶紧力和高压热空气条件下A 使楔形试样快速旋转A 因剧烈摩擦及氧化作用A 试样局部温度急剧升高A 在一定条件下发展成稳态燃烧U

为分析方便A 本试验高压空气流固定为4C 个大

U

为了满足高推重比新型航空发动机对高温轻质

结构材料的要求A 围绕钛合金燃烧问题A 国际上开展

Y s E r

了一系列研究q 包括钛合金燃烧机制n 阻燃涂层及A

新型阻燃钛合金的研究等等U 在这些研究中A 首要前提是建立钛合金燃烧特性评估方法和相应的测试装置V 而钛合金燃烧的必要条件有两个T 高温点火源和高温n 高压的流动空气U 根据航空发动机的工作条件和o 钛火p 事故产生的原因A 欧美及俄罗斯采用了不同的测试方法U 目前A 已见报道的有熔化液滴法n 电弧法n 激光法和摩擦法U 这些方法都进行了探索试验A 有的方法已建立了试验装置U 实践表明摩擦法更能真实地反映航空发动机转子叶片与机匣或静子部件摩擦造成燃烧的实际情况U

本工作用摩擦法研究了航空发动机上用量较多

图4摩擦试验装置示意图

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G 1

气压! 楔形试样以恒角速度" ###%$&’(旋转) 空气流和试样的温度*楔形试样对带孔固定试样的顶紧力为可控参数)

材料工程%. ##1年"

期

擦生热! 温度达到L 区后又快冷! 所以燃烧产物附近

组织为魏氏体组织)

燃烧试样中有些部位未见明显的富氧K 层! 可能是燃烧在很短的时间内完成3氧在局部区域来M" 5! >

不及扩散! 或者富氧层与燃烧产物共同脱落所致)

+试验结果

+, -燃烧形貌

本试验以带孔固定试样试验后的形貌判断是否发生燃烧及燃烧的程度! 图. 是/1和/22合金燃00

烧与不燃烧的典型试样照片) 试样燃烧后! 形成的孔一般为椭圆形) 在同一温度和顶紧力下! 不同合金试样燃烧后椭圆孔的大小也是判断合金阻燃性能的指标之一

)

图. /01和/0

22钛合金燃烧试验后的试样345/01合金6375/022合金8’9, . :; ? @/014(A/0224B B ? C >

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+, +燃烧特性曲线

图G 是两种合金的燃烧曲线! 纵坐标代表顶紧力! 横坐标为热空气与条形试样的加热温度) 每条曲线代表该合金的燃与不燃的分界线) 在同样的温度下! 尤其是在1##H 以下时! /022合金的燃与不燃的临界顶紧力明显高于/01合金) +, I 燃烧后组织形貌

将发生燃烧的试样取样进行光学金相分析3图15! 在试样燃烧处最外层为疏松的燃烧产物J 氧化物! 中间夹有大小不等的气孔! 与之相连的是富氧K 层! 该层与基体连接紧密! 但局部也有气孔) 由于摩

图G /01和/022两种钛合金燃烧特性曲线8’9, G 0? &7E >D ’? (=N 4$4=D D ’==E $O ? @

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图1/01及/0

22合金试样燃烧后金相组织345/01合金6375/022合金8’9, 1P’=$? >D $E =D E $? @D N ; 4@D D ’? (345/014B B ? C 6375/0224B B ? C

I 分析讨论

试验过程中! 在顶紧力和旋转作用下! 楔形试样与条形试样摩擦! 条形试样不断露出新鲜表面! 新鲜表面在高温高压气流作用下迅速氧化放出热量! 如此反复) 当顶紧力达到临界值时! 摩擦生热和氧化放出

, 钛合金的抗燃烧性能研究) *+和) *, " %

紧力下! 试样还无燃烧迹象! 只是) >=*A 系合金板磨

成一个圆孔! 而) 系合金! 由于摩擦过程中液>=? >*@

态相的形成! 把试样上预制的小孔弥合了$图%(

#

的热量大于散失的热量! 试样局部温度急剧升高! 达到着火点并发生稳态燃烧! 所以根据试验结果! 图"

曲线代表的是合金能否发生扩展燃烧的临界点#随着加热温度提高! 两种合金发生燃烧的临界顶紧力都呈下降趋势! 且趋于相同#表明在较高温度$%&&’以上(时! 常规钛合金中合金元素对阻燃性能的影响不明显! 这时主要是纯钛的本质特性起作用#) +与*, , 钛合金中铝含量大致相同! 但) +中不含钼! ) **而) , , 钛合金中不含钒#已知少量的钼比钒更能提*

高合金的抗氧化性! 因此就这两种合金而言! 钼对临界顶紧力的提高比钒明显#

) *, , 钛合金比) *

+钛合金阻燃性能优越的另一个原因与合金的力学性能特别是屈服强度有关#由于本试验是用摩擦法测定阻燃性能的#燃烧是由摩擦生热和高压气流作用下金属高速氧化引起#根据摩擦

基本理论-

. /0

12345$, (式中-1为摩擦力63为摩擦系数65是法向载荷! 在本试验中为顶紧力#

527489

$:(式中-7是摩擦物体实际接触面积689为材料的屈服强度#

在忽略犁沟效应的情况下! 摩擦粘着理论认为-1274;

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9

$+(因此89越大! 摩擦力越小! 摩擦生热少! 不易发生燃烧#另外高温摩擦学原理也证明! 一般情况下! 材料硬度越高! 材料表面变形氧化速度越低#) *, , 钛合金的阻燃性能比) *

+钛合金好是合理的#钛合金燃烧时! 生成的氧化物包覆在金属表面! 使金属与氧隔绝#当氧不能扩散通过氧化物层与金属接触时! 燃烧反应也就停止了#从这一角度考虑! 如果合金中加入大量的易氧化合金元素$例如钒(! 使合金表面极易形成致密氧化层! 让金属与空气隔绝! 就可达到阻燃目的#另外! 根据摩擦原理$公式, (! 当摩擦系数减小时! 摩擦力降低#如果金属摩擦形成液态软化相! 该液态相对摩擦副起润滑作用! 降低摩擦系数! 减少摩擦生热! 同时生成液态软化相吸收热量! 也能起到阻燃作用#当然! 阻燃钛合金的另一个重要特征是燃烧时迅速生成致密的氧化膜! 能有效隔离基体金属和已燃烧金属! 使高速氧化放热反应停止#总之! 目前美俄等国研制的) =>? >*@和) =>*A 系阻燃钛合金都不同程度地利用了上述性质#在摩擦试验中! ) =>? >*@和) =>*A 系合金即使在/&&’B, :&&C 的顶

图%) =>*A 系和) =>? >*@

系合金试样典型照片$D () =>*A 系6$? >*@

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R 结论

) *, , 合金的抗燃烧性能优于) *

+合金! 但在较高温度时! 二者差别缩小#钛合金燃烧产物形成的保护层阻止深层金属进一步燃烧#钛合金的阻燃性能与材料屈服强度等力学性能密切相关#可从提高抗氧化性S 增加易形成致密氧化层合金元素和易形成低熔点相合金元素等不同角度出发发展阻燃钛合金#

参考文献

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G 北京-清华大学出版社! , U U &G " c :W " V +G

收稿日期-:&&" >&c >&" 6修订日期-:&&+>&" >, %

作者简介-黄利军$, U c &>(! 男! 硕士! 研究方向为高强钛合金! 联系地址-北京V , 信箱, %分箱$, &&&U %(#

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TC4和TC11钛合金的抗燃烧性能研究

作者：

作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

黄利军， 王宝， 高扬

北京航空材料研究院,北京,100095材料工程

JOURNAL OF MATERIALS ENGINEERING2004，""(5)1次

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5. ANDERSON V G Titanium alloy ignition and combustion 19796. 温诗铸 摩擦学原理 1990

1.会议论文 王宝. 黄旭. 高扬. 曹春晓. 马济民 Ti-V-Cr系抗燃烧钛合金探索研究 1998

抗燃烧钛合金是新一代先进战术战斗机用发动机的重要结构材料，其中美国抗燃烧钛合金ＡＬＬＯＹ Ｃ具有良好综合性能。该文研究了

Ｔｉ－Ｖ－Ｃｒ系的阻燃钛合金，其中主要研究合金的熔炼、锻造、热处理工艺，并测量了合金的常规力学性能（室、高温拉伸和持久性能），认为该合金具有优异的综合性能。

2.期刊论文 王宝. 黄旭. 雷力明. 赵红霞 TF1抗燃烧钛合金热处理工艺研究 -稀有金属2004,28(1)

TF1合金铸锭经3次真空自耗熔炼, 开坯锻造后轧制出Φ18 mm的棒材. 棒材经不同热处理制度处理后, 测定了主要力学性能, 并应用光学显微镜、TEM、 X射线衍射等方法分析了其相结构及相组成. 认为TF1合金是以β相为基体组织的合金, 在等轴β晶粒边界和晶粒内部分布着大量的颗粒, 其体积百分比约占3%～4%, 进一步分析为TiC颗粒相和细小的α相. 经过热处理制度对力学性能, 特别是蠕变性能影响的对比研究, 发现热处理制度对拉伸性能影响不大, 而细小、弥散分布的析出相提高了合金的蠕变性能.

3.会议论文 王宝. 高扬 抗燃烧钛合金Alloy C 1996

由于航空发动机上钛合金的大量使用，使发动机性能越来越优异，同时也引发了“钛火”问题。抗燃烧钛合金的研究引起各国重视，美国研制出Ａｌｌｏｙ Ｃ合金，在Ｆ１１９发动机上大量使用，提高了安全可靠性。该研究介绍该合金常规性能和抗燃烧性能及其关键技术和组织特征等。

4.会议论文 马济民. 曹春晓 航空用钛合金的新进展 1996

评述了航空用高温钛合金、Ｔｉ－Ａｌ金属间化合物、抗燃烧钛合金、钛基复合材料、高强钛合金、记忆合金以及钛合金热工艺近期的进展情况，展示了钛合金在航空领域广阔的应用前景。

5.学位论文 赵永庆 Ti40阻燃钛合金的变形机理和阻燃机理研究 1998

为避免航空发动机中钛合金的燃烧,满足高性能、高推重比航空发动机对材料的需求,必要研制在发动机工作环境条件下,可抗燃烧的钛合金--阻燃钛合金.Ti-40合金是作者 等人研究的一种新型阻燃钛合金,其名义成分为:Ti-25V-15Cr-0.25Si.热加工困难是Ti40合金的特色之一.热加工的实质是高温下金属流动的难易,即塑性变形行为、机制问题;第二特色是该合金具良好的阻抗燃烧性能,但抗燃烧的原因不明.该文针对阻燃钛合金发展的两个关键问题进行了实验研究与理论分析.

1. 张乐. 于月光. 任先京. 马江虹. 谢旭霞 钛合金基体上阻燃涂层的研究进展[期刊论文]-钛工业进展 2008(6)

本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_clgc200405009.aspx

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下载时间：2010年11月28日