1 、引言

鈦合金具有機械強度高、耐熱性好、耐腐蝕性強等特點，從 20世紀(jì) 60年代開始，各種型號的鈦合金逐漸應(yīng)用在航空發(fā)動機上。如 Ti-64主要用于風(fēng)扇及低壓壓氣機，Ti-6246可用于低壓壓氣機后段和高壓壓氣機前段高負(fù)荷零件上，IMI-834 可用于壓氣機最后一級鈦零件，Ti-6242用于低壓壓氣機后段和高壓壓氣機前段的所有零件 [1] 。近年來，隨著軍用航空發(fā)動機對高推重比的不斷追求，鈦合金的使用比例不斷提高。美國推重比 8 一級的 F404 發(fā)動機上鈦合金用量為25%，推重比10一級的F119發(fā)動機上鈦合金用量達39%。但鈦合金在特定環(huán)境下有容易著火燃燒的致命缺點。航空發(fā)動機上因鈦合金著火燃燒事件很多，如 F100、F404 和 RB211 等發(fā)動機都發(fā)生過非常嚴(yán)重的鈦火事故。鈦合金燃燒速度非?？?一般鈦合金機件的燃燒蔓延時間從開始到結(jié)束共計 4～20 s)，采用滅火措施顯然來不及。為此，必須采取鈦火防護措施，避免鈦火發(fā)生。美國、俄羅斯和英國等對鈦火防護技術(shù)進行了大量研究，開展了大量試驗驗證，并建立了相應(yīng)的試驗平臺。

本文從鈦合金在航空發(fā)動機中的應(yīng)用入手，對產(chǎn)生鈦火故障的原因進行分析，并結(jié)合發(fā)動機上典型鈦火故障，總結(jié)了鈦火防護設(shè)計技術(shù)，詳細(xì)闡述了鈦火防護技術(shù)的試驗驗證方法和目的。

2、 鈦火產(chǎn)生原因及后果

航空發(fā)動機上鈦火產(chǎn)生的原因，主要是由于摩擦，如斷片、碎片，散失的螺釘、螺帽和外來物等進入燃?xì)饬鞯乐?，卡在轉(zhuǎn)子與靜子之間，造成鈦制零件的相互摩擦；轉(zhuǎn)子軸承和支撐零件損壞，使轉(zhuǎn)子相對靜子發(fā)生軸向和徑向移動，造成鈦制零件相互摩擦；由于結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，轉(zhuǎn)子與靜子之間間隙過小，造成轉(zhuǎn)子葉片與機匣內(nèi)環(huán)摩擦等。其次是氣動加熱，壓氣機喘振和失速會引起發(fā)動機中氣流反向流動，從燃燒室后段返回的氣流溫度很高，一般在鈦的燃點以上，這會引起壓氣機鈦合金葉片起火。美國曾對發(fā)生的鈦火事件進行過統(tǒng)計，其中由高壓壓氣機工作葉片故障引起鈦火的比例為 22.5%，由渦輪故障引起鈦火的比例為20%[2] 。

當(dāng)發(fā)動機上發(fā)生鈦火時，對于高壓壓氣機轉(zhuǎn)子，中間級的前幾級有可能出現(xiàn)嚴(yán)重的葉尖摩擦現(xiàn)象；后幾級葉型后燃燒產(chǎn)物增加，葉尖和尾緣上可能會有非持續(xù)燃燒或熔化現(xiàn)象，燃燒產(chǎn)物或殘渣堆積在葉型后部；中間級的工作葉片可能會大面積燃燒，其后所有葉型全部燒毀。對于高壓壓氣機靜子，中間級的前幾級因向前偏斜，導(dǎo)致靜子葉片緣板出現(xiàn)摩擦；后幾級靜子葉片后因有燃燒產(chǎn)物堆積，在葉片尾緣處產(chǎn)生非持續(xù)燃燒現(xiàn)象，尾緣兩側(cè)堆積有燃燒產(chǎn)物或殘渣；中間級后所有靜子葉片全部燒毀；正對中間級前機匣 360°過熱，輕微燃燒；中間級機匣過熱，有鈦熔化現(xiàn)象；所有引氣管線全被燒穿，氣流攜帶熔化鈦從后總管流向前總管，導(dǎo)致管路徹底熔化。高壓壓氣機發(fā)生鈦火后，會在燃燒室燃油噴嘴處堆積很多燃燒產(chǎn)物，火焰筒因流動不規(guī)則導(dǎo)致燃燒、開裂和變形。鈦火會使渦輪進口導(dǎo)葉由于大量金屬堆積而變形，某些堆積物下方還有熱變形。

由此可見，高壓壓氣機上發(fā)生鈦火，不但會燒毀全部的鈦合金葉片，還會將機匣、整流葉片、葉盤、軸等其它非鈦合金材料零件燒毀，甚至導(dǎo)致燃燒室火焰筒、渦輪葉片等出現(xiàn)不同程度損傷，壓氣機上各種連接管線等也會損壞[2，3] 。

3、 典型鈦火故障

鈦火故障是發(fā)動機上最危險的故障。上世紀(jì)70～80 年代，很多發(fā)動機(軍用或民用發(fā)動機)的高壓壓氣機發(fā)生過鈦火故障。

普惠公司F100發(fā)動機在臺架試車時，發(fā)動機運轉(zhuǎn)到最大狀態(tài)時發(fā)生鈦合金燃燒，壓氣機完全燒毀，且整個發(fā)動機被燒得面目全非。GE公司F404發(fā)動機在 1987年發(fā)生 4起鈦火，造成 4架 F/A-18飛機墜毀。英國羅·羅公司 RB211-524G2-T 發(fā)動機，在累計飛行13 922 h和1 395個循環(huán)后發(fā)生了鈦火，分解后發(fā)現(xiàn)，第1級高壓壓氣機轉(zhuǎn)子葉片出現(xiàn)脫落，所有葉片均有不同程度的損傷，對其它部件也造成了破壞。圖1顯示了這次鈦火故障造成的后果 [4] 。

圖1 RB211-524G2-T發(fā)動機鈦火故障后部分形貌

Fig.1 Working blade of RB211-524G2-T completely fell off after titanium fire

普惠公司 PW4000在適航取證過程中進行包容試驗時，由于斷裂的風(fēng)扇葉片引起高壓壓氣機喘振，造成壓氣機第 1級轉(zhuǎn)子葉片的葉尖，將直接裝在鈦制機匣上的封嚴(yán)環(huán)磨穿，并與鈦機匣摩擦引發(fā)鈦火，且后竄的火焰還將后幾級轉(zhuǎn)子葉片部分燒熔。

1977～1988 年間，蘇聯(lián)的 NK-8、NK-86、D-30和 AI-25 等發(fā)動機發(fā)生過 30 多起鈦火事件。原因是葉片卡在轉(zhuǎn)子與靜子之間、轉(zhuǎn)子止推軸承損壞、轉(zhuǎn)子與靜子相互碰磨等。

典型的鈦火事件還有很多，如：飛馬發(fā)動機在試飛中壓氣機工作葉片與機匣相互碰磨引發(fā)鈦火，飛機墜毀；CF6發(fā)動機一年之內(nèi)曾發(fā)生過 14起鈦火事故。在沒有更好的材料取代鈦合金在航空發(fā)動機上應(yīng)用的情況下，鈦合金在未來很長時間內(nèi)仍然是重要的航空材料。為此，必須研究鈦火防護技術(shù)，保證鈦合金在發(fā)動機和飛機上的安全應(yīng)用。

4 、航空發(fā)動機中的鈦火防護技術(shù)

從設(shè)計思路上講，以下 4 種鈦火防護設(shè)計方法較為有效。

(1) 加裝摩擦條設(shè)計。在轉(zhuǎn)子與機匣之間及封嚴(yán)件上加裝摩擦條，可防止鈦制轉(zhuǎn)子葉片接觸鈦制機匣，同時能避免太多能量堆積在鈦表面，進而限制鈦層溫度。早在上世紀(jì) 60 年代末，美國就在 F101發(fā)動機上采用了該方法。該發(fā)動機設(shè)計之初，就在9級高壓壓氣機部件上考慮了防鈦火措施，除第6級外，所有高壓壓氣機轉(zhuǎn)子流道外沿加裝可拆卸內(nèi)襯環(huán)(作用與摩擦條相同)，防止轉(zhuǎn)子葉片葉尖與機匣內(nèi)壁接觸碰磨，盡可能減小摩擦損傷，以降低鈦火發(fā)生概率。F119 發(fā)動機采用了在機匣上加裝摩擦條的方法。摩擦條要設(shè)計得易磨，且只能摩擦到某種厚度，太深的摩擦可能會穿透、磨掉或熔化掉摩擦條，使鈦材料裸露。摩擦條可采用幾種不同的材料，范圍從在低溫區(qū)填充人造橡膠到高溫區(qū)噴涂金屬涂層、粘結(jié)材料和鋼。

(2) 采用防護涂層，主要是阻燃涂層。阻燃涂層的工作原理是盡量避免鈦合金件之間相互接觸碰磨，阻止熱量向基體傳播。但阻燃涂層的阻燃作用，受其材料成份、工作環(huán)境及阻燃涂層與基體材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)匹配的限制。有些阻燃涂層會隨著工作環(huán)境溫度和壓力的升高，逐漸失去阻燃作用。為此，阻燃涂層材料必須具有良好的導(dǎo)熱性、抗氧化性、粘結(jié)性、與基體的兼容性、工藝性，易磨耗性和低的摩擦系數(shù)。阻燃涂層通常噴涂在機匣內(nèi)壁、鼓筒和轉(zhuǎn)子葉尖等區(qū)域。噴涂方法一般采用物理氣相沉積法、化學(xué)氣相沉積法及常規(guī)電鍍方法等。

這種鈦火防護技術(shù)在 F119、AL-31F、EJ200(圖2)等多種發(fā)動機上都得到了很好應(yīng)用。

圖2 EJ200上涂有氮化硼涂層的鈦制葉片

Fig.2 Boron nitrides coated on titanium blades of EJ200

除了阻燃涂層外，有時還在這些抗摩擦元件上噴涂易磨削涂層。如 CFM56發(fā)動機，在高壓壓氣機機匣內(nèi)環(huán)上加裝了防止摩擦的鋼制襯套和防火隔圈，隔圈上噴涂有易磨削涂層。

(3) 間隙設(shè)計技術(shù)。設(shè)計間隙時，從兩方面考慮減少摩擦的可能性。一是在某些允許的情況下，適當(dāng)加大轉(zhuǎn)子葉尖與靜子間的徑向間隙，降低轉(zhuǎn)子葉片與機匣內(nèi)環(huán)發(fā)生摩擦的概率；二是適量加大轉(zhuǎn)子葉片與整流葉片間的軸向間隙，減少因喘振和失速導(dǎo)致的轉(zhuǎn)子、整流葉片碰撞。但這種方法會降低壓氣機效率和喘振裕度，需合理設(shè)計。

(4) 采用機匣處理措施，特別是在機匣上開斜槽以防止熱膨脹和失速。

以上鈦火防護設(shè)計方法，在航空發(fā)動機設(shè)計之初就應(yīng)充分考慮，這樣才能降低鈦合金著火概率，減少燃燒傳播，消除機匣燒穿隱患，從設(shè)計理念上把鈦火防護技術(shù)融入到設(shè)計過程中。此外，更換材料也是 一 種 有 效 的 鈦 火 防 護 方 法，如 F404-GE-400、CFM56-3和 NK-86等發(fā)動機都采用過，但會增加重量 [5～7] 。

5、 鈦火防護技術(shù)的試驗驗證

鈦火防護技術(shù)試驗驗證是防鈦火設(shè)計最重要的環(huán)節(jié)。如 EJ200 發(fā)動機設(shè)計時，采用了防鈦火涂層。為確認(rèn)這種防鈦火方法的有效性，通過在該發(fā)動機上進行鈦火包容試驗予以了驗證。

鈦火防護技術(shù)的試驗驗證，可在能模擬發(fā)動機工況的鈦火試驗平臺或直接在發(fā)動機上進行。試驗驗證大綱中還要考慮選擇合理的鈦合金點火方法和熄滅方法，及鈦火后果處理和評估方法等。通常，選擇小型風(fēng)洞作為鈦火防護技術(shù)試驗驗證平臺，因為在小型風(fēng)洞中可模擬氣流在壓氣機中的環(huán)境壓力、溫度和速度，并可深入了解旋轉(zhuǎn)部件的性能。鈦火防護技術(shù)試驗驗證最重要的一點，是試驗條件(試驗所需溫度、壓力及空氣流量)的組織。美國空軍研究實驗室的鈦火試驗設(shè)備，采用活塞式壓氣機供氣，在空氣供給時，壓力可通過開關(guān)活門的反饋控制器維持在額定值，流量可通過位于控制室中的遠程控制器調(diào)節(jié)，所需溫度則通過高溫爐加熱得到。試驗驗證時還需要確定鈦合金的點火方法。鈦合金的點火方法，有激光點火、摩擦點火、金屬液滴點火、電火花點火、等離子點火和機械沖撞點火等。美國在阻燃鈦合金試驗驗證時通常采用激光點火法，俄羅斯則采用摩擦點火法。穩(wěn)態(tài)試驗中通常采用機械沖撞點火法。下面以烏克蘭 AI-25發(fā)動機為例，具體闡述如何開展鈦火防護技術(shù)的試驗驗證。

AI-25發(fā)動機是在上世紀(jì)60年代研制的渦扇發(fā)動機，其零部件材料中，鈦合金所占比例約為 70%，占發(fā)動機總重的 30%，以該發(fā)動機為平臺進行防鈦火方法試驗驗證非常具有代表性。該發(fā)動機設(shè)計時，主要通過合理設(shè)計徑向間隙的方法來防止鈦火，所以在鈦火再現(xiàn)試驗時，主要針對間隙進行控制。

如該發(fā)動機工程圖上的間隙值為 3.6 +1.23-1.53 mm，試驗時將其 8級高壓壓氣機最后幾級的間隙選為最小，約為 0.8 +0.2 mm，以此來驗證間隙設(shè)計對防鈦火的有效性。驗證試驗采用摩擦點火的方式。為組織轉(zhuǎn)子與靜子摩擦，專門設(shè)計一種裝置，并將其安裝在高壓壓氣機的滾珠軸承上。轉(zhuǎn)靜子摩擦裝置可通過應(yīng)變傳感器對運行中的發(fā)動機的轉(zhuǎn)子位移進行測量，并能同時保證轉(zhuǎn)子行程不超過3 mm [8] 。

為防止外涵機匣被燒穿，機匣上涂抹維克辛特有機硅密封劑У-4-21成份的涂層，涂層厚度約為 2mm。為確定高壓壓氣機部件鈦火產(chǎn)生的時刻，及對發(fā)動機靜子零件熱狀態(tài)進行連續(xù)監(jiān)控，在燃燒室外涵機匣上布置熱電偶，對高壓壓氣機后空氣溫度、燃燒室3號加強筋平面上溫度和渦輪后空氣溫度進行測量。

鈦火再現(xiàn)試驗時，發(fā)動機先在慢車狀態(tài)工作一段時間，然后加速到 92.8%壓氣機轉(zhuǎn)子最大轉(zhuǎn)速，啟動高壓壓氣機轉(zhuǎn)子軸向位移裝置。當(dāng)發(fā)動機工作響聲改變后，尾噴管噴出火焰，發(fā)動機發(fā)出爆聲。這時開始采集高壓壓氣機中元件著火的相關(guān)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)顯示，高壓壓氣機后溫度階躍性升高到1 300℃，燃燒室中溫度急劇升高到1 075℃，高壓壓氣機后空氣壓

力急劇降低，高壓壓氣機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下降，振動水平增大。鈦火產(chǎn)生瞬間，尾噴管中有火舌噴出。

試驗結(jié)束后，分解發(fā)動機，結(jié)果證實轉(zhuǎn)靜摩擦裝置有效，鈦合金制造的高壓壓氣機零件發(fā)生燃燒，是由于高壓壓氣機第 8級轉(zhuǎn)子盤后端面與第 8級導(dǎo)向器內(nèi)圈接觸碰摩所致。鈦火導(dǎo)致的后果有：①高壓壓氣機第8級導(dǎo)向器、內(nèi)環(huán)和內(nèi)擴壓器全部燒毀；②高壓壓氣機第8級轉(zhuǎn)子與第8級導(dǎo)向器內(nèi)環(huán)碰摩處，盤端面燒壞和工作葉片榫頭燒焦；③火焰筒頭部和

火焰穩(wěn)定器頭部局部燒毀；④火焰筒頭部之間的燃燒室外機匣局部燒毀；⑤輪轂碰摩處后篦齒上端邊緣篦齒燒毀；⑥高壓渦輪工作葉片所有帶冠緣板全部斷裂，葉身變形；⑦渦輪機匣下端燒壞并熔化；⑧噴涂維克辛特有機硅密封劑У-4-21的機匣下端，大約5%面積上涂層厚度一半處發(fā)生熱結(jié)構(gòu)熱變形，剩余一半涂層和其它位置密封膠情況良好。

通過在 AI-25 發(fā)動機上進行鈦火再現(xiàn)試驗，進一步驗證了合理設(shè)計高壓壓氣機上的徑向間隙和軸向間隙是防鈦火的有效措施。另外，還驗證了鈦合金葉片邊緣加厚、降低變應(yīng)力值，提高徑向止推軸承潤滑系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的可靠性，不成對采用鈦合金(如采用鋼和鎳基合金作壓氣機機匣、導(dǎo)向器葉片材料)等，也可有效防止鈦火發(fā)生。

6、 結(jié)束語

防鈦火設(shè)計最好在航空發(fā)動機設(shè)計之初就充分考慮，這樣可避免以后換材料、修改設(shè)計等帶來的增重和效率下降等不利因素。鈦火防護設(shè)計方法的試驗驗證非常復(fù)雜，但它是能夠確認(rèn)防鈦火方法有效性的最直接手段。AI-25發(fā)動機上進行的鈦火試驗充分表明，可在真實發(fā)動機上再現(xiàn)鈦火過程，核實鈦火原因和驗證鈦火防護方法。EJ200發(fā)動機上的包容試驗也表明，鈦火防護設(shè)計是阻止鈦火燒穿機匣的最有效措施。這些實例充分說明了鈦火防護技術(shù)試驗驗證的重要性，只有通過試驗驗證的防鈦火措施才是最有效的防鈦火措施，用在發(fā)動機上才安全可靠。

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