TC4钛合金燃烧形貌和机理分析

王标，田伟

TC4钛合金燃烧形貌和机理分析

王标，田伟

(中国燃气涡轮研究院，四川成都610500)

采用液滴法引燃TC4钛合金试片，利用扫描电镜及能谱仪观察燃烧产物，并分析其燃烧机理。结果表明：钛合金燃烧需要的外部条件高，采用熔融TA1液滴在富氧条件下剧烈燃烧生成的热量引发TC4试片局部燃烧，燃烧剧烈，燃烧时间持续约10 s，但局部燃烧无法引起基体全面燃烧。TC4钛合金燃烧截面具有燃烧瘤状区、燃烧过渡区及燃烧影响区三个典型结构特征；钛合金剧烈燃烧的主要原因是钛合金燃烧放出大量的热，外层瘤状区疏松多孔且不稳定。

钛合金；航空发动机；液滴引燃；钛火；燃烧机理

1 引言

钛合金具有高比强度、抗腐蚀和耐热等优点，是航空发动机减轻结构重量不可或缺的结构材料。随着航空发动机推重比的提高，钛合金在整机中所占的比重和使用温度也在不断增加，钛合金使用部位由低温风扇部件扩展到温度较高的压气机和喷管部件。目前，600℃高温钛合金已有工程应用。

大量使用钛合金会引发钛火，国外多种型号发动机发生过这一故障。钛火主要发生在高压压气机部件，由于外部吸入物或发动机内部构件失效引发航空发动机转静子严重碰磨，摩擦热引发钛合金燃烧。因钛合金导热系数低，氧化热焓大，在发动机环境温度、气流速度及压力作用下迅速传播，烧毁整台发动机，危及飞行安全。美、俄等国已系统地开展了钛合金燃烧及其防治技术研究，研制了阻燃钛合金、防钛火结构设计和阻燃涂层等防钛火技术，并开展了试验验证，现已基本解决航空发动机钛火问题[1，2]。

国内受研究水平和认识等因素制约，对钛合金燃烧及防治技术的研究还处于初期探索阶段。田伟等[3]对TC11合金燃烧特性进行了初步研究。鉴于TC4钛合金在航空发动机中使用量最大，约占钛合金用量的50%，本文利用熔融液滴法引燃TC4钛合金，分析了TC4钛合金燃烧后的形貌特征及钛合金容易燃烧的机理。

2 试验方法

试验材料为TC4钛合金棒，加工成127 mm×25 mm×2 mm的薄板，燃烧试验在液滴法试验台上进行[3]。采用电流加热TC4薄板试片到预定温度(如400℃)并加以保持，利用等离子弧使TA1(工业纯钛)金属丝熔化，熔融液滴滴落到TC4合金试片表面，同时向TA1液滴吹送一定流量被加热的氧气和压缩空气的混合气，液滴在高浓度氧气流作用下剧烈燃烧，将TC4合金试片引燃。燃烧试验后，利用扫描电子显微镜(SEM)观察烧蚀截面上的微观组织，利用能谱仪分析烧蚀区域的化学成分。

3 试验结果与讨论

3.1TC4钛合金燃烧过程

图1示出了通过滤光镜拍摄记录的熔融TA1液滴引燃TC4合金试片的主要过程：TA1金属丝被高温等离子弧熔化后滴落在已加热的TC4合金试片表面，如图1(a)所示；熔融液滴在加热的氧气/空气混合气体作用下剧烈燃烧，产生大量的热，引发TC4试片燃烧，如图1(b)所示；TC4试片在富氧环境下燃烧时发出耀眼、闪亮的白色光芒，并向四周喷射出大量火花，如图1(c)所示；持续燃烧时间约10 s，然后转为稍暗的光线，期间喷发出大量桔黄色火星，直至发红熄灭，如图1(d)所示。

3.2燃烧后试样形态

如图2所示，TC4试样局部被烧蚀，烧蚀区约占试样面积的12%，燃烧后呈瘤状且多孔疏松，可较易刮掉、碾成粉末，有少量未完全燃烧的硬质颗粒。燃烧瘤状物往基体方向有一层约5 mm宽的覆盖白色粉状物的热影响区，之后是5 mm的灰色区，接着是浅彩色/蓝色区。灰色、浅彩色区域是因距离不同，燃烧热对该区的影响程度不同的结果；蓝色区是由于试样被加热后在富氧环境下氧化的结果。

3.3燃烧后试样截面形貌

TC4试样燃烧后截面的扫描电镜图见图3，主要有燃烧瘤状区、燃烧过渡区及燃烧影响区，其成分能谱分析见表1。

图1 钛合金液滴引燃过程Fig.1 The combustion process of TC4 ignited by liquid droplet TA1

图2 TC4试样燃烧后形态Fig.2 The TC4 Morphology after combustion

图3 燃烧截面的SEM照片Fig.3 The cross-section microstructure of burned TC4

(1)燃烧瘤状区：该区域内存在裂纹和大的气泡状孔洞，组织疏松多孔，含有大量的氧，其原子比例达57.27%，O与Ti的原子比例为1.66:1，介于TiO(1:1)～TiO2(2:1)之间，即瘤状区主要相组成为TiO和TiO2；瘤状区疏松多孔，为氧气向基体内部扩散提供了通道，一旦燃烧，O元素可以相对容易地向基体内部扩散，引发更剧烈的燃烧。

表1 燃烧截面三个区域的能谱分析Table 1 XRD patterns of TC4 three cross-sections

(2)燃烧过渡区：该区域主要是由于燃烧热和O元素的影响，形成单相α相或粗大等轴α相，和基体组织完全不同；与瘤状区相比，相对致密，且含有较多O元素。

(3)燃烧影响区：该区域呈现典型的粗大α片层组织，向基体内部α片层逐渐细化，这种组织反应了燃烧过程中，O元素和燃烧热共同对基体组织的影响；该区域在EDS检测范围中分析不到O元素，但O元素对组织的影响清晰可见。

3.4燃烧分析

钛合金燃烧过程与氧化过程相似，为基体金属或合金元素与氧反应，但燃烧与氧化之间的根本区别在于化学反应进行的速度。本试验中TC4钛合金试片燃烧时发出耀眼、闪亮的白色光芒，并向四周喷射出大量的火花，大量氧气与TC4钛合金发生剧烈反应。燃烧表面瘤状区疏松多孔，为氧扩散提供了条件，是钛合金剧烈燃烧的主要原因。氧化膜不完整及燃烧产物液化(或汽化)是导致瘤状区疏松多孔的两个因素。

金属氧化膜是否完整，能否有效阻止氧向内部扩散，取决于氧化物体积与氧化所消耗的金属体积之比γ。当γ=1时，氧化膜完整；γ＜1时，氧化膜不完整，没有保护性；γ≫1时，氧化物会产生很大内应力，引起膜层开裂和剥落。因此，氧化膜完整性的理想比值是稍大于1。Al氧化膜γ=1.28，Ti氧化膜γ= 1.95[4]。能谱分析显示，瘤状区域Ti元素重量百分比为59.98%，Al元素和V元素重量百分比为5.14%，其余为O元素和C元素。瘤状区主要成分为金属氧化物，虽然Al氧化膜γ=1.28，氧化铝膜结构紧密，具有较好的保护性，但氧化铝量太少，无法有效保护基体。瘤状区主要成分是TiO和TiO2。Ti氧化膜γ= 1.95，在高温下会产生很大的内应力，超过膜本身的强度，导致膜层出现裂纹、鼓泡。这种结构的氧化膜为氧气向基体内部扩散提供了通道，无法保护基体。试片在燃烧过程中向四周喷射大量火花，就是由于局部Ti氧化膜内应力导致氧化膜突然破裂所致。

金属及其氧化物在一定温度下，呈固态且相对稳定，当升高到某一温度时，会熔化为液态或蒸发为气态。表2列出了TC4钛合金中合金元素的金属及其氧化物的熔点。钛合金燃烧属放热反应，其启燃阶段峰值温度高达3 727℃，稳定燃烧阶段温度为2 937℃[5]。本试验以液滴法点燃钛合金，在启燃及持续燃烧阶段的温度不低于2 937℃，在试片燃烧区域内，TC4钛合金中Ti、Al、V、Al2O3、TiO2、V2O5氧化物都将变为液态或气态，固态与液态(或气态)在体积上的差异导致氧化膜出现裂纹，使得氧化膜疏松多孔。

表2 TC4钛合金中合金元素的金属及其氧化物的熔点[4]Table 2 The melting points of alloying element and oxide in TC4

4 结论

(1)钛合金燃烧需要的外部条件高，采用熔融TA1液滴在富氧条件下剧烈燃烧生成的热量引发TC4试片局部燃烧，燃烧剧烈，燃烧时间持续约10 s，局部燃烧无法引起基体全面燃烧。

(2)TC4试样燃烧截面具有燃烧瘤状区、燃烧过渡区和燃烧影响区三个典型区域。通过对燃烧后试样截面分析，可作为判断燃烧的依据之一。

(3)钛合金燃烧属放热反应，其中Ti氧化物的体积/氧化所消耗的金属体积的比值较大，容易产生内应力，加之钛合金燃烧产物在燃烧过程中不稳定，共同导致氧化膜出现裂纹、鼓泡，为氧气向内部扩散提供了通道，这是钛合金燃烧剧烈的原因。

[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 ShockWaves，2002，38(6)：639—645.

[3]田伟，王标.TC11合金燃烧特性初步研究[J].燃气涡轮试验与研究，2012，25(3)：40—43.

[4]陈鸿海.金属腐蚀学[M].北京：北京理工大学，1995： 31—37.

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

Combustion Morphology and Mechanism Analysis of Titanium Alloy TC4

WANG Biao，TIAN Wei
(China Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China)

With high specific strength and good erosion resistance,titanium alloy is an indispensable mate⁃rial for aero-engine.Titanium alloy TC4 was ignited by the liquid droplet TA1,and then the combustion mechanism was investigated through analyzing the combustion products with a scanning electron microsco⁃py and an energy dispersive spectroscopy.The results indicated that the heat produced by TA1 combustion at the rich oxygen condition ignited the titanium alloy TC4.The TC4 combustion was severe and lasted 10 seconds,but the local combustion could not cause the whole body combustion.The combustion cross-sec⁃tion had got three typical structural characteristics.The unstable porous top layer with a granular hillock structure was the main reason for the TC4 combustion.

titanium alloy；aircraft engine；ignited by droplet；titanium fire；combustion mechanism

V231.2；V252

A

1672-2620(2013)03-0050-03

2012-11-16；

2013-03-26

王标(1980-)，男，四川遂宁人，工程师，硕士，主要从事航空发动机材料、工艺应用研究。