航空發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的心臟、動(dòng)力源泉，決定飛機(jī)的性能、壽命和可靠性。于發(fā)動(dòng)機(jī)而言，一個(gè)重要的性能指標(biāo)是推重比，也就是發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的推力與其質(zhì)量之比。推重比的大幅提升，就會(huì)催生新一代的飛機(jī)誕生。早期噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比只有2-3，現(xiàn)在已能到達(dá)10。要提高推重比，給發(fā)動(dòng)機(jī)減重是一個(gè)重要途徑。

    要讓發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化，就需要將原有的材料以更輕的材料所取代。不過(guò)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的工作環(huán)境比較特殊，尤其高溫場(chǎng)景較多，可不是什么輕量化材料承受得了的。

    鈦的密度比鋼輕約40%，而強(qiáng)度與之相當(dāng)，耐熱性、耐蝕性、 彈性、抗彈性和成形加工性均非常優(yōu)秀。因此，鈦合金在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越多。國(guó)外曾有報(bào)道鈦合金在某款先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用占比已經(jīng)逼近40%。

    那是不是鈦合金很快可以把比它重一倍的鎳基高溫合金擠出了發(fā)動(dòng)機(jī)，獨(dú)霸發(fā)動(dòng)機(jī)呢？并沒(méi)有！

    就目前而言，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的前端——風(fēng)扇和低壓壓氣機(jī)，工作溫度較低，一般在350度以下，其葉片、盤(pán)件、機(jī)匣采用的是Ti-Al合金。而在發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫段部分高壓壓氣機(jī)，工作溫度一般在500-600度，用的卻仍然是鎳基高溫合金。

    鎳基高溫合金比鈦合金要重一倍，再加上兩種材料的的熱膨脹系數(shù)存在差異，因此給裝配連接帶來(lái)大量技術(shù)難題，增加了成本。

    假如使用鈦合金替換，不但重量立即減半，而且也不存在熱膨脹系數(shù)差異問(wèn)題，何樂(lè)而不為呢？

    問(wèn)題在于，鈦合金的高溫性能并沒(méi)有看起來(lái)那么光鮮。鈦的熔點(diǎn)1668度，但工作溫度高于400度就可以成為高溫鈦合金，而600度竟然被稱為鈦合金的“熱障”溫度，成功闖關(guān)的寥寥無(wú)幾。從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，至今四十余年沒(méi)有工作溫度超過(guò)600度的鈦合金正式服役。

    那是什么原因限制了高溫鈦合金在更高的溫度下使用？ 隨著溫度升高而快速下降的表面抗氧化性是一個(gè)重要原因。

    我們熟知的不銹鋼，靠的是其表面形成一層氧化膜，阻止進(jìn)一步氧化。而鈦同樣會(huì)與氧結(jié)合生成一層與基體結(jié)合緊密的氧化膜。這層氧化膜，就是鈦合金抗氧化性的關(guān)鍵。

    氧化薄膜在500度以下非常穩(wěn)定，但隨著溫度的升高，氧在鈦中的溶解度提高，促使鈦的二氧化物反應(yīng)生成低價(jià)氧化物，表面氧化層密度提高而比容降低，氧化物由此會(huì)脫落，氧化膜喪失保護(hù)作用。

    即使這些年偶有報(bào)道某些鈦合金的高溫性能優(yōu)越，具備在更高的溫度服役的可能。但高溫下應(yīng)用鈦合金，還橫亙著一座大山，那就是“鈦火”，即鈦合金發(fā)生著火燃燒事件。

    鈦火故障危害很大，自航空發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用鈦合金以來(lái)，就不斷發(fā)生鈦火事故，僅僅2-20s就可能完全燒盡鈦合金零部件和發(fā)動(dòng)機(jī)，并且找不到有效滅火措施。

    鈦在空氣中的熔點(diǎn)是1627度，而高溫鈦合金的工作溫度尚不超過(guò)600度。兩者之間相差很大，一般情況下是不會(huì)發(fā)生燃燒事件。

    但是高壓壓氣機(jī)葉片故障，導(dǎo)致斷片、碎片造成劇烈摩擦，產(chǎn)生大量熱量，或者壓氣機(jī)失速引起發(fā)動(dòng)機(jī)氣流反向流動(dòng)，從燃燒室后段返回的氣流溫度都一般高過(guò)鈦的燃點(diǎn)，都會(huì)造成鈦火事件。據(jù)美國(guó)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，高壓壓氣機(jī)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%。

    而前面提到的鈦合金表面氧化膜也是鈦火的內(nèi)因。鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)低，氧化熱焓大，是易燃燒金屬。像鋼、鋁之類的金屬，它們?nèi)刍^(guò)程中氧化過(guò)程是自抑的，氧化膜阻止氧進(jìn)一步與金屬接觸，而且傳導(dǎo)損失熱量高于氧化產(chǎn)熱，避免溫度繼續(xù)上升。而在高溫下，鈦氧化膜脫落喪失密封性，導(dǎo)致氧氣的輸送速度急劇增大，熱量析出速度超過(guò)熱量損失速度，造成溫度升高，最終促進(jìn)燃燒。鈦及鈦合金自身具有在空氣中自維持燃燒的特性，這是發(fā)生鈦火的根源。

    且不說(shuō)在600度以上高溫，目前研發(fā)的鈦合金的總體力學(xué)性能對(duì)于鎳基高溫合金并無(wú)多大優(yōu)勢(shì)。如果解決不了鈦火問(wèn)題，高溫鈦合金在航發(fā)上難有更大作為。

    阻燃涂層是避免鈦火的一種方式。它是采用先進(jìn)的噴涂工藝在鈦合金零部件表面涂覆一層難以燃燒的材料，延緩和阻止燃燒的作用。不過(guò)，阻燃涂層存在脫落的危險(xiǎn)，而且它也不能提高鈦合金的使用溫度。

    對(duì)鈦合金表面合金化同樣也是一條路，通過(guò)擴(kuò)散改變鈦合金表面基體的成份，在其表面形成一道阻燃層。

    但要從根本上解決鈦火問(wèn)題，只有研制阻燃鈦合金。俄羅斯、美國(guó)、英國(guó)、中國(guó)均已開(kāi)展研制出阻燃鈦合金。

    阻燃鈦合金主要是兩個(gè)體系：Ti-V-Cr系和 Ti-Cu 系。這兩個(gè)體系的阻燃機(jī)理并不相同。Ti-V-Cr 系阻燃機(jī)理是V和Cr的燃燒快速形成一層致密的保護(hù)膜，阻止氧的擴(kuò)散，而且其燃燒物以氣相擴(kuò)散，因此放熱小，再加上導(dǎo)熱比較好，熱量容易散開(kāi)。而Ti-Cu 系阻燃機(jī)理則是合金中銅含量為 17%時(shí)，在 955-990 ℃形成共晶體，即出現(xiàn)液相而充當(dāng)潤(rùn)滑劑，將干摩擦轉(zhuǎn)化為濕摩擦，有效減小摩擦功及加熱量；同時(shí)由于銅的溶解度隨溫度的提高而發(fā)生變化，在冷金屬和燃燒區(qū)之間的界面上形成富銅阻隔層，阻止燃燒繼續(xù)進(jìn)行。

    俄羅斯以Ti-Cu共晶系為基礎(chǔ)，成功研制了 BTT-1和 BTT-3兩種阻燃合金。 美國(guó)研制了 Ti-V-Cr系阻燃鈦合金Alloy-C，現(xiàn)已成功應(yīng)用于F22的 F119-WP-100發(fā)動(dòng)機(jī)的尾噴管和加力燃燒室上。 我國(guó)的阻燃鈦合金Ti40也采用的是Ti-V-Cr系。

    但是， Ti-V-Cr系A(chǔ)lloy-C 雖然具有優(yōu)良的阻燃特性，但是它需要添加較大量昂貴的V和Cr，使其成本較普通鈦合金高十倍以上，經(jīng)濟(jì)效益非常低。因此這個(gè)體系的阻燃鈦合金，即使克服了鈦火和高溫?zé)岱€(wěn)定性，相比于鎳基高溫合金也幾無(wú)優(yōu)勢(shì)，除非在不考慮經(jīng)濟(jì)效益，追求極致發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下。

    而Ti-Cu系成本相對(duì)較低，不過(guò)對(duì)應(yīng)力集中敏感，斷裂韌性低，熔煉性差。

    此外，目前研發(fā)的阻燃鈦合金的機(jī)械加工很困難，同樣增加了加工成本。

    防止鈦火的方法還可以是對(duì)材料的選擇和發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)。國(guó)外部分航空發(fā)動(dòng)機(jī)部分高溫組件曾用過(guò)鈦合金，被替換成合金鋼或者鎳基高溫合金，或者鈦合金組件不成對(duì)出現(xiàn)，避免鈦合金之間摩擦。目前，國(guó)外民航適航性標(biāo)準(zhǔn)中嚴(yán)格規(guī)定了鈦合金零部件的使用條件。

    總體而言，鈦合金由于鈦?zhàn)陨順O大的缺陷，突破600度的“熱障”，服役溫度達(dá)到更高，取代鎳基高溫合金，難度還是非常大的，需要研發(fā)更好的新材料和新工藝。

    參考資料：

    黃旭， 李臻熙， 黃浩。 高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)用新型高溫鈦合金研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)材料進(jìn)展， 2011, 30（06）：21-27。

    李旭升， 辛社偉， 毛小南，等。 鈦合金氧化行為研究進(jìn)展[J]. 鈦工業(yè)進(jìn)展， 2014（03）：7-13。

    孫護(hù)國(guó)， 霍武軍。 航空發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金機(jī)件的阻燃技術(shù)[J]. 航空制造技術(shù)， 2003（01）。