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航空发动机用先进高温钛合金材料技术研究与发展

材料工程 doi:10.11868/j.issn.1001-4381.2016.08.001

新一代高推重比航空发动机压气机和涡轮系统高温环境使用的叶片、盘、机匣、整体叶盘和整体叶环等构件设计通常选用先进高温钛合金材料。本文综述近年来我国600℃高温钛合金、阻燃钛合金、TiAl合金、连续SiC纤维增强钛基复合材料及其应用技术取得的最新研究进展，并提出材料及构件设计、加工和使用亟待突破的关键技术，包括工业铸锭成分高纯化和均匀化控制技术、大规格棒材及特殊锻件制备技术、整体叶盘和整体叶环零件机械加工技术、材料性能评价及应用设计技术等。先进高温钛合金材料的不断应用将有力推动我国航空发动机技术发展。

关键词: 先进航空发动机 , 600℃高温钛合金 , 阻燃钛合金 , TiAl合金 , SiC纤维增强钛基复合材料 , 钛火

航空发动机用TC11钛合金抗点燃性能及机理研究

弭光宝 , 曹春晓 , 黄旭 , 曹京霞 , 王宝

航空材料学报 doi:10.11868/j.issn.1005-5053.2014.4.008

采用摩擦点燃方法研究摩擦接触压力P和预混气流氧浓度c0对TC11钛合金抗点燃性能的影响,建立定量描述TC11钛合金抗点燃性能的P-c0关系,并结合原位观察、SEM和EDS等手段给出TC11钛合金点燃与抗点燃的微观机理.结果表明,TC11钛合金的P-c0关系曲线符合抛物线规律,P从0.05MPa增至0.25MPa时,点燃对应的c0降低约32.5％;TC11钛合金点燃的c0至少比TC4钛合金高20％,即TC11钛合金的抗点燃性能显著高于TC4钛合金;摩擦过程产生强烈的火花,着火首先发生在具有原生金属表面的微凸体上;点燃过程形成燃烧区、熔凝区、热影响区和过渡区四个具有不同特征的区域;富Al和Mo的钛基固溶体相降低热影响区Ti向熔凝区的扩散速率,限制燃烧区Ti与O的优先反应,并与熔凝区O的大量固溶共同阻止O向热影响区的继续扩散,从而提高微凸体的抗点燃性能.

关键词: 航空发动机 , TC11钛合金 , 阻燃性能 , 摩擦点燃 , 机理 , 钛火

钛颗粒着火过程氧化膜破裂行为的理论研究

弭光宝 , 黄旭 , 曹京霞 , 曹春晓

航空材料学报 doi:10.3969/j.issn.1005-5053.2012.6.003

在着火热自燃理论基础上,通过分析钛颗粒表面氧化膜与基体之间的应力状态,结合实验事实,提出氧化膜最外层首先发生破裂但不形成贯穿裂纹的观点,基于该观点建立模型理论研究外层氧化膜的破裂行为对钛颗粒着火过程的影响,并对钛的着火过程进行物理模拟实验研究.结果表明:在673 ～1373K范围,当环境温度较低时,钛颗粒发生恒温氧化,氧化膜破裂导致氧化动力学曲线由抛物线向直线转化,当处于高温时,氧化膜的破裂使着火温度降低45K,不会对钛颗粒的着火过程产生强烈影响;当钛颗粒尺寸增大时,钛颗粒的着火温度未出现明显升高,与铝颗粒着火过程氧化膜的完全破裂机制不同;氧化膜内应力的变化使由外而内的裂纹扩展到一定程度后停止,即外层氧化膜不完全破裂,从而加速氧在内层氧化膜内扩散,增大了钛颗粒发生着火的敏感性;非等温氧化实验间接验证了外层氧化膜非贯穿破裂对钛着火过程影响的理论研究.

关键词: 钛火 , 外层氧化膜 , 破裂机理 , 钛颗粒 , 着火模型 , 非等温氧化

近液相线铸造Al-Si合金浆料非枝晶组织的形成与演变

弭光宝 , 李培杰 , 王晶 , 何良菊

中国有色金属学报

通过对比实验的方法,利用多次抛光原位观察和金相分析对近液相线铸造Al-Si合金浆料非枝晶组织的形成及演变规律进行研究,进而从熔体结构角度探讨非枝晶组织形成和稳定存在的机制.结果表明:对于Al-7.97Si工业用铝合金,在390～400℃的热环境中,常规近液相线铸造半固态浆料的转移及流变成形时间约为15 s;而在液相线以上不高温度区间对熔体施加旋转磁场作用,可延长浆料转移及流变成形的时间,其主要原因是旋转磁场对过热熔体产生的扰动作用一直影响到凝固过程的形核与长大,一方面使熔体中原子集团的尺寸、形状及分布发生改变,为提高形核率创造了条件,另一方面使固-液界面前沿的溶质浓度梯度减小,抑制成分过冷,同时增大了晶核稳态球形长大的临界半径.

关键词: Al-Si合金 , 过热熔体 , 旋转磁场处理 , 非枝晶组织 , 演变 , 稳定性 , 熔体结构

镁合金熔体结构信息的价电子理论研究

弭光宝 , 李培杰 , 何良菊 , Πопедь Π С

稀有金属材料与工程

运用固体与分子经验电子理论(EET)对Mg-Al合金熔体进行价电子结构分析,在此基础上构建了基本结构模型,获得熔体的基本结构信息.通过分析升温和降温过程中镁合金熔体黏度-温度关系曲线V(t)的不可逆现象,间接地对熔体结构信息的不可逆变化作出判断.结果表明:原子间各键共价电子对数na的差异是造成熔体结构信息变化的根本原因,直接导致合金熔体存在微观不均匀性;当温度升高至730℃附近时,结构相对稳定的原子集团内部的Al-MgⅢ(c)键开始发生断裂,熔体结构达到新平衡的相对均匀状态;遗传自固态组织中微观不平衡结构的消失和原子集团内部Al-MgⅢ键的破坏及原子发生的不可逆重排是曲线V(t)发生不可逆变化的本质原因.这对于深入认识镁合金熔体结构信息及探索凝固微观机制具有重要理论意义.

关键词: 镁合金 , 黏度 , 熔体结构信息 , EET , 价电子结构

Ti-V-Cr系阻燃钛合金应用研究进展

曹京霞 , 黄旭 , 弭光宝 , 沙爱学 , 王宝

航空材料学报 doi:10.11868/j.issn.1005-5053.2014.4.009

阻燃钛合金是为了应对航空发动机钛火隐患而研制高温结构材料.经过近十年的发展,研发出500℃(Ti40)和550℃(TF550)两个耐温级别的Ti-V-Cr系阻燃钛合金,并且在Ti-V-Cr系阻燃钛合金工业铸锭熔炼、挤压开坯、棒材锻造及环锻件轧制等工艺技术方面取得了较大进展.通过拓展摩擦点火实验技术,建立了以P-co曲线定量表征钛合金抗点燃性能的测试方法,测试结果表明,Ti40与TF550阻燃钛合金具有接近的抗点燃性能.综合考虑原材料成本、综合性能和制造工艺等多方面的因素,Ti40和TF550阻燃钛合金各具优势.

关键词: 阻燃钛合金 , 铸锭 , 挤压 , 环锻件 , 力学性能 , 抗点燃性能 , 发动机钛火

Ti-V-Cr系阻燃钛合金的抗点燃性能及其理论分析

弭光宝 , 黄旭 , 曹京霞 , 曹春晓

金属学报 doi:10.3724/SP.J.1037.2013.00501

建立定量描述阻燃钛合金抗点燃性能的摩擦接触压力P与预混气流氧浓度c0关系,对比研究Ti-V-Cr系阻燃钛合金及常规钛合金的抗点燃性能,并基于摩擦生热原理和着火热爆燃理论对阻燃钛合金的抗点燃机理进行模型计算分析.结果表明,当c0≥70％时,Ti40钛合金在室温下即会点燃.Ti40钛合金的抗点燃性能比Alloy C+钛合金低2.5％,比TC4钛合金高40％.阻燃钛合金的着火源为摩擦过程产生的微凸体,氧的化学吸附是氧与微凸体相互作用的控制步骤,阻燃钛合金的摩擦点燃临界温度Y*随等效压力Peq的增大而减小.对于Ti40钛合金,当Peq在0.1～0.5 MPa变化时,T*的变化范围为1073～1323K;摩擦表面由TiO2,V2O5和Cr2O3等氧化物融合物构成,厚度为2～5 μm.摩擦过程中该层融合物改善了接触表面的润滑条件,使摩擦区的温度大幅度降低,从而提高了阻燃钛合金的抗点燃性能.

关键词: 航空发动机 , 阻燃钛合金 , 阻燃性能 , 抗点燃性能 , 氧化物融合物 , 钛火

Ti-V-Cr系阻燃钛合金的非等温氧化行为及阻燃性能预测

弭光宝 , 曹春晓 , 黄旭 , 曹京霞 , 王宝 , 隋楠

材料工程 doi:10.11868/j.issn.1001-4381.2016.01.001

采用TGA/DSC实验方法,结合XRD,SEM和EDS分析,系统研究Ti-V,Ti-V-Cr合金的非等温氧化行为及氧化产物的微观结构,并探讨V和Cr元素对Ti-V Cr阻燃钛合金抗非等温氧化性的影响机制.结果表明:从室温至1723K温度区间内,随着V元素含量的增加,Ti-V合金的抗非等温氧化性显著降低,氧化膜厚度从168μm增加至370μm,Ti-35V合金氧化膜厚度约为Ti-25V的1.45倍;Ti-V-Cr合金的抗非等温氧化性逐渐提高且差异较小,氧化膜厚度从110μm减小至85μm,Ti-35V-15Cr合金的氧化膜厚度比Ti-25V-15Cr降低约15.5％.Ti-V-Cr阻燃钛合金的抗非等温氧化性显著高于Ti-V合金,主要因为非等温氧化过程形成的液态相V2O5极大地释放了氧化膜的内应力,提高了氧化膜与合金基体的结合性,并与Cr2O3,TiO2共同阻止了O向合金基体的大量扩散.非等温氧化增重曲线及氧化膜厚度作为特征参数定量描述了Ti-V-Cr阻燃钛合金的抗非等温氧化性,与摩擦着火实验结果相一致,从而预测了合金的阻燃性能.

关键词: 阻燃钛合金 , 非等温氧化 , 热重分析 , 阻燃性能 , 钛火

航空发动机钛火试验技术研究新进展

弭光宝 , 黄旭 , 曹京霞 , 曹春晓

航空材料学报 doi:10.11868/j.issn.1005-5053.2016.3.004

钛火是现代航空发动机典型的灾难性故障.针对高推重比发动机对钛火试验技术的迫切需求,系统开展了摩擦氧浓度法钛合金燃烧技术及理论研究,建立了阻燃性能评价方法和摩擦着火模型,阐明了阻燃钛合金的阻燃机理.在总结近期研究进展基础上,从钛火的演化规律、机理和防控三个层次,提出钛火试验技术及应用研究的思路和方向,即接近发动机气流环境的阻燃性能综合评价、发动机气流环境的阻燃性能预测模型和阻燃技术的试验验证.未来实现发动机钛火防控体系的科学构建,助推压气机“全钛化”和发动机推重比不断提高.

关键词: 高温钛合金 , 摩擦氧浓度法 , 阻燃性能 , 燃烧机理 , 钛火防控技术 , 阻燃涂层