航空发动机用钛合金燃烧特性研究

【类型】学位论文

【作者】黄明月 

【关键词】 钛合金 氧化 燃烧 阻燃 扩散

【摘要】钛合金以其优异的性能被广泛的应用于航空发动机工业中,但是由于钛合金自身的特性,导致普通的钛合金在航空发动机应用环境下服役时,容易发生“钛火”从而限制了其在先进航空发动机中的应用。为了满足先进航空发动机的使用需求,防止“钛火”,我们必须要对钛合金的燃烧问题进行分析。由于燃烧过程很复杂且难于控制,本文将从钛合金的氧化行为和其燃烧产物分析研究。通过一系列方法研究了钛合金的超高温氧化行为,揭示合金本体材料超高温氧化行为与合金燃烧行为的关系；并对钛合金激光点燃的燃烧产物进行分析,探索合金燃烧行为的机制。 本文的实验过程分两部分进行,一部分为Ti40和Ti17合金的高温氧化行为研究,分析氧化机制,建立相关模型；第二部分为Ti40和TC4合金燃烧产物分析,定义燃烧区,分析不同区域特征,结合合金的氧化行为研究结果,解释两类钛合金在氧化、燃烧方面的异同,揭示不同类型钛合金抗燃烧行为的本质。 实验结果表明,Ti40 合金的氧化机制可以 V 的氧化物 V2O5熔点为分界,在700℃以下氧化时,氧化的主要过程为混和氧化膜中的 V2O5向外择优生长,氧化机制受V元素在V2O5的扩散机制控制。在700℃以上氧化时,V2O5的熔化挥发,导致氧化层疏松多孔,氧化层主要由TiO2和SiO2构成,在氧化层和基体的界面处,存在 V、Cr 元素的富集层,此条件下,合金的氧化受 V 元素在钛合金扩散机制控制。Ti17 合金氧化随着氧化温度的升高没有突变,整个过程是渐变的。氧化温度高于800℃时氧化膜开裂并剥落,氧化行为加剧,在高温氧化的整个过程中没有形成具有阻挡氧元素向内扩散的阻隔层。 钛合金燃烧后,从燃烧表面到合金基体可以划分成几个不同的区域,即燃烧表面、燃烧熔融区、燃烧过渡区、燃烧影响区；两种合金燃烧表面都主要是TiO2,同时有V的氧化物产生,其中在Ti40燃烧表面还检测到了Cr2O3和SiO2。TC4熔融区疏松多孔,过渡区和影响区存在大量裂纹和孔洞；Ti40 合金熔融区致密,且在熔融区与影响区之间有一致密的富V和Cr的过渡层,能有效的阻止氧的传输。两种合金从燃烧表面向基体延伸,氧元素含量逐渐下降,存在钛不同价态的氧化物。由于氧的影响,两种合金燃烧后硬度都有增加,但TC4增加不大,Ti40有很大的增加。Ti40合金特有的氧化属性,可以对Ti40合金阻燃性能进行解释。

【学位名称】硕士

【学位授予单位】西安建筑科技大学

【学位授予年度】2016

【导师姓名】巨建辉，辛社伟

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