阻燃钛合金结构功能性的若干基础问题研究

Titanium fire in the aero-engine is a typical combustion accident caused by frictional ignition, which is of great harm. To prevent the titanium fire hazard, the new-type structure functional high temperature titanium alloy, the fireproof titanium alloy is developed, which is a key material for the engine with high thrust-weight ratio. Aiming at the problems of the unscientific evaluation and unclear microscopic mechanism for the structure functional property of fireproof titanium alloy, by frictional ignition, thermogravimetric analysis, in-situ observation and metallurgical analysis, the ignition and combustion process and the function of elements in the Ti-V-Cr and Ti-Cu-Al fireproof titanium alloys will be studied, and the ignition and combustion characteristic will be quantitatively described by ignition temperature and propagation rate of combustion. Based on frictional heat theory and thermal ignition theory, the relationship between ignition temperature and pressure under limited conditions will be built. Combined with heterogeneous reaction theory, the combustion model will be built and used to calculate and predict the ignition and combustion characteristic. Further, combined with the chemical kinetics and diffusion rule in the reaction-affected zone, the fireproof mechanism will be physically modeled and analyzed. Based on these studies, the ignition and combustion characteristic in the simulated flow environment in the engine will be tested, and the designing rule for the structure fireproof-function property of titanium alloy will be proposed. This has great scientific significance for the application of fireproof titanium alloy and development of new alloys.

航空发动机钛火是一种典型的摩擦点火燃烧事故，具有极大危害性。阻燃钛合金是为了预防钛火隐患开发的新型结构功能高温钛合金，是高推重比发动机的标志性材料。本项目针对阻燃钛合金结构功能性的评价方法不科学、微观机理不清楚等问题，基于摩擦点火技术结合热重实验、原位观察和金相分析对Ti-V-Cr系和Ti-Cu-Al系阻燃钛合金点火燃烧过程及合金元素作用规律进行研究，并采用点火温度和燃烧速率对其点火燃烧特性进行定量描述。基于摩擦生热原理和着火热理论建立受限条件下点火温度与压力的关系模型，并与非均相反应原理有机结合，建立燃烧理论模型，对其点火燃烧特性进行计算和预测；并将反应控制区的化学动力学与元素扩散规律相结合，对其阻燃机理进行物理建模和分析。在此基础上，工程实验验证阻燃钛合金在模拟发动机环境的点火燃烧特性，并提出钛合金结构阻燃功能性设计准则。这对于推动阻燃钛合金工程应用及新材料体系开发具有重要的科学意义。

钛火是现代航空发动机典型的灾难性故障。阻燃钛合金在高推重比先进航空发动机上的大量应用成为预防钛火的关键核心技术。本项目围绕阻燃钛合金结构功能性的机理、评价及应用等技术难题，开展了阻燃钛合金燃烧试验技术与装置、阻燃性能定量表征、着火理论模型、阻燃机理以及阻燃钛合金成分优化设计、提高钛合金阻燃性能的前沿技术等方面研究工作。取得的重要结果如下：（1）提出快速升温与氧分压精确控制相结合实现局部模拟发动机钛火的思路，建立了摩擦/激光氧浓度法阻燃钛合金燃烧试验技术与装置，并将非等温氧化曲线和着火氧浓度等参数作为评价指标，首次实现了阻燃钛合金的阻燃性能定量表征；（2）测试与评价了阻燃钛合金、高温钛合金及钛铝金属间化合物的阻燃性能，并对钛合金表面防护涂层的有效性进行了初步验证，揭示了钒、铬和铜等合金元素对阻燃性能的影响规律；（3）发展了钛合金燃烧理论建模技术，对阻燃钛合金的摩擦着火机理进行模型计算和分析，预测了发动机气流压力下的着火温度，并通过了试验验证；（4）将磨损表面、燃烧表面至反应影响区的化学动力学与元素扩散规律相结合，建立了钛合金的阻燃机理综合分析方法，阐明了阻燃钛合金的阻燃机理，进而设计与优化了合金成分，提出了提高钛合金阻燃性能的技术思路。本研究对于提高人们对航空发动机钛火机理的认识水平、推动阻燃钛合金工程应用以及新材料体系开发都具有重要的科学意义。同时，本项目也是一个多学科交叉的研究领域，为发展新的学科生长点奠定了良好基础。