CN106526065A - 一种Ti‑Al系金属间化合物阻燃性能试验方法 - Google Patents

一种Ti‑Al系金属间化合物阻燃性能试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于高温结构材料领域，涉及一种Ti‑Al系金属间化合物阻燃性能试验方法。以一端带顶角的转子试样和中心带圆孔的静子试样构成的摩擦副作为点火源，将空气(或惰性气体)与氧气的预混气流氧浓度作为控制参数，将预混气流温度和压力等其它参数固定于某一数值，通过计算机软件程序调节供气系统的质量流量控制器，提高或降低预混气流氧浓度，直至获得多个点燃和不燃的试验测试点，将这些试验测试点填入预制表格，当静子试样点燃与不燃对应的预混气流氧浓度之差小于1.5％时，将静子试样不燃对应的预混气流氧浓度定义为临界氧浓度，继续重复10次试验，若静子试样均不燃，则该临界氧浓度定量描述了试样点燃与不燃的边界，即定量表征了被测试Ti‑Al系合金的阻燃性能。

Description

一种Ti-Al系金属间化合物阻燃性能试验方法
技术领域
本发明属于高温结构材料领域，涉及一种金属间化合物合金阻燃性能测试与评价技术，尤其是涉及一种Ti-Al系金属间化合物阻燃性能试验方法。
背景技术
高压压气机和低压涡轮用钛合金叶片是高推重比航空发动机的核心零部件，因受到超高的温度和压力梯度作用，工作条件更为复杂和苛刻，钛火倾向性和严重性大大增加，致使钛火故障频发。国内外军用发动机和民用发动机发生过100余起钛火，不仅造成巨大经济损失，也严重影响了人们对新型高温钛合金的大量选材。当前，随着新一代航空发动机推重比的提高，压气机和涡轮的出口温度越来越高，对耐更高温度的防钛火材料提出迫切需求。传统固溶强化型高温钛合金(包括阻燃钛合金)的最高使用温度已经不能满足设计要求，有序强化型Ti-Al系金属间化合物(简称Ti-Al系合金)成为非常有应用前景的候选关键材料。比如，Ti3Al和Ti2AlNb合金的长期使用温度为650～700℃，TiAl合金则高达760～800℃。
Ti-Al系合金的阻燃性能是材料使用安全性的重要依据，为发动机设计选材的关键性能指标之一，通常采用点火燃烧过程涉及的基本特性来度量，国际上至今尚未形成统一的评价方法或技术标准。美国采用激光点火方法，针对两种涡轮喷气发动机压气机的模拟气流环境因素，将气流温度和压力作为控制参数，测试了Ti3Al合金的点火特性，但未评价出TiAl合金的点火特性。德国MTU发动机公司采用扩展燃烧试验方法，将长度上的燃烧速率作为表征参数，评价了Ti3Al和TiAl合金的燃烧特性，为Ti-Al系合金在高压压气机和低压涡轮的叶片等构件上选材提供了数据支撑。然而该方法仅能半定量表征Ti-Al系合金的阻燃性能。
发明内容
本发明的目的是针对Ti-Al系合金阻燃性能评价方法未建立而提出一种控制参数精确、满足工程需求且易于操作的定量表征Ti-Al系合金阻燃性能的试验方法。
本发明的技术方案是，采用摩擦点火设备，对Ti-Al系金属间化合物阻燃性能进行试验，该试验方法包括以下步骤，
(1)移开摩擦点火设备中的燃烧室的移动保护盖，将对中用圆锥体和中心带圆孔的静子试样分别放入燃烧室内的旋转轴卡槽和支座夹具中，正向操作与气缸连接的气流导向杆，使圆锥体靠近静子试样，调整静子试样位置，将圆锥体嵌入静子试样的中心圆孔，且静子试样的圆孔中心位于旋转轴的轴线上，固定静子试样，反向操作气流导向杆，使圆锥体离开静子试样，卸下圆锥体，再将一端带顶角的转子试样固定于旋转轴卡槽内，盖上燃烧室的移动保护盖，旋转轴伸出燃烧室的一个侧壁，并经过气缸与传动装置连接，支座夹具垂直于旋转轴的轴线并固定在燃烧室底座上，气流导向杆控制的气流通道经油水分离器、压力表与空气瓶相连接；(2)将供气系统中空气和氧气经压力表、质量流量控制器、预混气流通道与燃烧室的气流入口相连接，然后打开氧气和空气瓶、调节压力表，并运行计算机软件程序调节质量流量控制器，通过质量流量控制器分别将空气和氧气送入预混气流通道进行气体预混；(3)开启预混气流通道出口的气流阀门，将空气与氧气的预混气流送入燃烧室，预混气流氧浓度为21％～100％，预混气流压力不大于1.5MPa，开启电动机控制电源开关，通过电动机带动转子试样作周向转动，转动速度为5000r/min，正向操作气流导向杆，通过气缸内的气流压力推动转子试样作轴向平动且与静子试样接触形成一对摩擦副，气缸内的气流压力为0.15MPa～0.35MPa，待摩擦过程开始，通过秒表记录持续摩擦时间，持续摩擦6s～15s，然后反向操作气流导向杆使转子试样与静子试样分离，关闭供气系统的气流阀门和电动机控制电源开关；
(4)观察静子试样产物的形貌并结合摩擦点火过程摄像机的实时记录，判断和确定静子试样是否点燃；
如果静子试样不燃，则进行如下步骤：
首先，更换上述步骤(1)中的两个试样，提高预混气流氧浓度，重复上述(3)步骤，如果静子试样还不燃，继续更换上述步骤(1)中的两个试样，提高预混气流氧浓度，重复上述(3)步骤，直至静子试样点燃，每次预混气流氧浓度提高5～30％，然后，再更换上述步骤(1)中的两个试样，降低预混气流氧浓度，重复上述(3)步骤，至静子试样不燃，每次预混气流氧浓度降低0.5～20％；
如果静子试样点燃，则进行如下步骤：
首先，更换上述步骤(1)中的两个试样，降低预混气流氧浓度，重复上述(3)步骤，如果静子试样点燃，继续更换上述步骤(1)中的两个试样，降低预混气流氧浓度，重复上述(3)步骤，直至静子试样不燃，每次预混气流氧浓度降低5～20％，然后，再更换上述步骤(1)中的两个试样，提高预混气流氧浓度，重复上述(3)步骤，至静子试样点燃，每次预混气流氧浓度提高0.5～10％；
(5)以此类推，当静子试样点燃与不燃对应的预混气流氧浓度之差小于1.5％时，将静子试样不燃对应的预混气流氧浓度作为临界值继续试验，更换上述步骤(1)中的两个试样，重复上述(3)步骤，若静子试样点燃，则预混气流氧浓度降低0.5％～1.0％，继续更换上述步骤(1)中的两个试样，重复上述(3)步骤，若静子试样不燃，则将此预混气流氧浓度作为新的临界值继续试验，更换上述步骤(1)中的两个试样，重复上述(3)步骤，直至重复10次试验，静子试样均不燃，将上述步骤(1)至步骤(5)得到的多个试验点填入预制表格，其中静子试样重复10次试验均不燃所对应的预混气流氧浓度作为Ti-Al系金属间化合物点燃与不燃的边界值，该边界值即为评价Ti-Al系金属间化合物阻燃的性能指标。
所述空气与氧气预混气流中的空气由惰性气体替代，惰性气体与氧气的预混气流氧浓度为21％～100％，预混气流压力不大于1.5MPa。
所述预混气流通道置于加热装置中，预混气流通道为蛇形或螺旋形通道，从预混气流通道进入燃烧室气流入口的气流温度为400℃～900℃；所述支座夹具连接热电偶对静子试样进行加热，加热温度为400℃～900℃，燃烧室气流入口的气流温度与静子试样的加热温度相同。
所述转子试样尺寸为(42-43)mm×(27-28)mm×(1.5-2.5)mm、一端的顶角角度为90°～120°，静子试样尺寸为(125-126)mm×(27-28)mm×(1.5-2.5)mm、中心的圆孔直径为3.5mm～4.5mm，转子试样和静子试样为同种合金，表面粗糙度不大于1.6μm。
本发明具有以下优点及突出性效果：
(1)高能摩擦作为点火源更加接近航空发动机钛火发生的主要模式，试验方法采用摩擦升温与氧分压精确控制实现局部模拟发动机钛火更为科学，能够为Ti-Al系合金在先进的高推重比发动机上应用提供技术支撑；(2)采用预混气流氧浓度作为定量表征Ti-Al系合金阻燃的性能指标，并通过计算机程序控制质量流量控制器，大幅提高了试验的精确度，预混气流氧浓度的控制精度可以达到0.5％，易于实现合金的阻燃评级，且有利于揭示阻燃机理；(3)该方法操作方便、安全，试验成本低，不仅适用于摩擦点火方式，更换试验设备后，也适用于激光、液滴、火焰和电火花等其他点火方式，应用前景广阔。
附图说明
图1为本发明提供的实现阻燃性能测试的试验原理示意图。其中：1-压力表；2-质量流量控制器；3-预混气流通道；4-气流阀门；5-气流入口；6-计算机；7-氧气和空气瓶；8-空气瓶；9-压力表；10-油水分离器；11-气流导向杆；12-气缸；13-燃烧室；14-顶紧支架；15-静子试样；16-转子试样一端顶角；17-传动装置；18-控制电源开关；19-电动机；20-旋转轴；21-卡槽；22-转子试样；23-支座夹具；24-静子试样中心圆孔。
图2为1#Ti-Al系合金摩擦点火过程记录实物图。其中，a-d.持续摩擦；e.摩擦结束试样15与22分离；c.摩擦结束后3-4s试样15。
图3为1#Ti-Al系合金摩擦点火过程记录实物图。其中，a-c.摩擦5.5s～9.5s试样15点燃；d.试样15持续燃烧5-6s；c.试样15持续燃烧11-13s后熄灭。
图4为1#Ti-Al系合金摩擦点火试验后试样15的形貌。其中，a,b,d,e不燃；c,f点燃。
具体实施方式
采用摩擦点火设备，对Ti-Al系金属间化合物阻燃性能进行试验，该试验方法包括以下步骤：
(1)移开燃烧室13的移动保护盖，将对中用圆锥体以及尺寸为(125-126)mm×(27-28)mm×(1.5-2.5)mm且中心带直径3.5mm～4.5mm圆孔24的静子试样15分别放入旋转轴20卡槽21和支座夹具23中，正向操作与气缸12连接的气流导向杆11，使圆锥体靠近静子试样15，调整静子试样15位置，将圆锥体嵌入静子试样15的中心圆孔24，且圆孔24的中心位于旋转轴21的轴线上，固定静子试样15，反向操作气流导向杆11，使圆锥体离开静子试样15，卸下圆锥体，再将尺寸为(42-43)mm×(27-28)mm×(1.5-2.5)mm且一端带90°～120°顶角16的转子试样22固定于旋转轴20卡槽21内，盖上燃烧室13的移动保护盖，旋转轴20伸出燃烧室13的一个侧壁经气缸12与传动装置17连接，支座夹具23垂直于旋转轴20的轴线并固定在燃烧室13底座上，为防止静子试样15发生弯曲变形，在静子试样15一侧安装顶紧支架14，且位于旋转轴20的轴线上，气流导向杆11控制的气流通道经油水分离器10、压力表9与空气瓶8相连接；
(2)将供气系统中空气和氧气经压力表1、质量流量控制器2、预混气流通道3与燃烧室13的气流入口5相连接，然后打开氧气和空气瓶7、调节压力表1，并运行计算机6的软件程序调节质量流量控制器2，通过质量流量控制器2分别将空气和氧气送入预混气流通道3进行气体预混；
(3)开启预混气流通道3出口的气流阀门4，将空气与氧气预混气流送入燃烧室13，预混气流氧浓度为21％～100％，预混气流压力不大于1.5MPa，开启控制电源开关18，通过电动机19带动转子试样22作周向转动，转动速度为5000r/min，正向操作气流导向杆11，通过气缸12内的气流压力推动转子试样22作轴向平动且与静子试样15接触形成一对摩擦副，气缸12内气流压力为0.15～0.35MPa，待摩擦过程开始(图2(a-d))，通过秒表记录持续摩擦时间，当持续摩擦6s～15s时，然后反向操作气流导向杆11使转子试样22与静子试样15分离(图2(e))，关闭供气系统的气流阀门4和控制电源开关18；
(4)观察静子试样产物的形貌并结合摩擦点火过程摄像机的实时记录，判断和确定静子试样15是否点燃；
如果摩擦结束后静子试样15的炽热状态迅速消失(图2(f))且圆孔24中心呈规则的摩擦表面(图3(a,b,d,e))，显示试样不燃，则更换上述步骤(1)中的试样15和试样22，提高预混气流氧浓度，重复上述(3)步骤，如果静子试样15不燃，继续更换上述步骤(1)中的试样15和试样22，继续提高预混气流氧浓度，重复上述(3)步骤，直至静子试样15点燃，然后，再更换上述步骤(1)中的试样15和试样22，降低预混气流氧浓度，重复上述(3)步骤，至静子试样15不燃；
如果摩擦结束后试样15持续燃烧(图4)且圆孔19变为不规则的大孔(图3(c,f))，表明试样点燃，则更换上述步骤(1)中的试样15和试样22，降低预混气流氧浓度，重复上述(3)步骤，如果静子试样15点燃，继续更换上述步骤(1)中的试样15和试样22，继续降低预混气流氧浓度，重复上述(3)步骤，直至静子试样15不燃，然后，再更换上述步骤(1)中的试样15和试样22，提高预混气流氧浓度，重复上述(3)步骤，至静子试样15点燃；
(5)以此类推，当静子试样15点燃与不燃对应的预混气流氧浓度之差小于1.5％时，将静子试样15不燃对应的预混气流氧浓度作为试验参数，继续更换上述步骤(1)中的试样15和试样22，重复上述(3)步骤，若静子试样15点燃，则预混气流氧浓度降低0.5％～1.0％，继续更换上述步骤(1)中的试样15和试样22，重复上述(3)步骤，若静子试样15不燃，则继续更换上述步骤(1)中的试样15和试样22，重复上述(3)步骤，直至重复10次试验，静子试样15均不燃，将上述得到的多个试验点填入预制表格，其中静子试样15重复10次试验均不燃所对应的预混气流氧浓度定量描述了试样点燃与不燃的边界，即定量表征了被测试合金的阻燃性能。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1
采用北京航空材料研究院的摩擦点火设备进行试验，测试试样的材料为1#Ti-Al系合金。转子试样22的尺寸为43mm×27mm×2mm、一端的顶角角度为120°，静子试样15的尺寸为126mm×27mm×2mm，圆孔24的直径为4mm。试样22的转动速度为5000r/min，气缸内气流压力为0.15MPa～0.25MPa，空气与氧气的预混气流氧浓度c0为30％～100％，试样15和预混气流的温度相同且保持恒定，通过CS型质量流量控制器调控c0。试验结果如下表所示，阻燃性能为95.8％。
注：点燃标记为“+”；未点燃为“－”。
实施例2
采用北京航空材料研究院的摩擦点火设备进行试验，测试试样的材料为3#Ti-Al系合金。转子试样22的尺寸为43mm×27mm×2.1mm、一端的顶角角度为120°，静子试样15的尺寸为126mm×27mm×2.1mm，圆孔24的直径为4mm。试样22的转动速度为5000r/min，气缸内气流压力为0.15MPa～0.25MPa，空气与氧气的预混气流氧浓度c0为30％～100％，试样15和预混气流的温度相同且保持恒定，通过CS型质量流量控制器调控c0。试验结果如下表所示，阻燃性能为38.0％。
实施例3
采用北京航空材料研究院的摩擦点火设备进行试验，测试试样的材料为2#Ti-Al系合金。转子试样22的尺寸为43mm×27mm×2mm、一端的顶角角度为120°，静子试样15的尺寸为126mm×27mm×2mm，圆孔24的直径为4mm。试样22的转动速度为5000r/min，气缸内的气流压力为0.15MPa～0.25MPa，空气与氧气的预混气流氧浓度c0为30％～100％，试样15和预混气流的温度相同且保持恒定，通过CS型质量流量控制器调控c0。试验结果如下表所示，阻燃性能为80.7％。

Claims (4)

1.一种Ti-Al系金属间化合物阻燃性能试验方法，其特征在于：采用摩擦点火设备，对Ti-Al系金属间化合物阻燃性能进行试验，该试验方法包括以下步骤，
(1)移开摩擦点火设备中的燃烧室的移动保护盖，将对中用圆锥体和中心带圆孔的静子试样分别放入燃烧室内的旋转轴卡槽和支座夹具中，正向操作与气缸连接的气流导向杆，使圆锥体靠近静子试样，调整静子试样位置，将圆锥体嵌入静子试样的中心圆孔，且静子试样的圆孔中心位于旋转轴的轴线上，固定静子试样，反向操作气流导向杆，使圆锥体离开静子试样，卸下圆锥体，再将一端带顶角的转子试样固定于旋转轴卡槽内，盖上燃烧室的移动保护盖，旋转轴伸出燃烧室的一个侧壁，并经过气缸与传动装置连接，支座夹具垂直于旋转轴的轴线并固定在燃烧室底座上，气流导向杆控制的气流通道经油水分离器、压力表与空气瓶相连接；(2)将供气系统中空气和氧气经压力表、质量流量控制器、预混气流通道与燃烧室的气流入口相连接，然后打开氧气和空气瓶、调节压力表，并运行计算机软件程序调节质量流量控制器，通过质量流量控制器分别将空气和氧气送入预混气流通道进行气体预混；(3)开启预混气流通道出口的气流阀门，将空气与氧气的预混气流送入燃烧室，预混气流氧浓度为21％～100％，预混气流压力不大于1.5MPa，开启电动机控制电源开关，通过电动机带动转子试样作周向转动，转动速度为5000r/min，正向操作气流导向杆，通过气缸内的气流压力推动转子试样作轴向平动且与静子试样接触形成一对摩擦副，气缸内的气流压力为0.15MPa～0.35MPa，待摩擦过程开始，通过秒表记录持续摩擦时间，持续摩擦6s～15s，然后反向操作气流导向杆使转子试样与静子试样分离，关闭供气系统的气流阀门和电动机控制电源开关；
(4)观察静子试样产物的形貌并结合摩擦点火过程摄像机的实时记录，判断和确定静子试样是否点燃；
如果静子试样不燃，则进行如下步骤：
首先，更换上述步骤(1)中的两个试样，提高预混气流氧浓度，重复上述(3)步骤，如果静子试样还不燃，继续更换上述步骤(1)中的两个试样，提高预混气流氧浓度，重复上述(3)步骤，直至静子试样点燃，每次预混气流氧浓度提高5～30％，然后，再更换上述步骤(1)中的两个试样，降低预混气流氧浓度，重复上述(3)步骤，至静子试样不燃，每次预混气流氧浓度降低0.5～20％；
如果静子试样点燃，则进行如下步骤：
首先，更换上述步骤(1)中的两个试样，降低预混气流氧浓度，重复上述(3)步骤，如果静子试样点燃，继续更换上述步骤(1)中的两个试样，降低预混气流氧浓度，重复上述(3)步骤，直至静子试样不燃，每次预混气流氧浓度降低5～20％，然后，再更换上述步骤(1)中的两个试样，提高预混气流氧浓度，重复上述(3)步骤，至静子试样点燃，每次预混气流氧浓度提高0.5～10％；
(5)以此类推，当静子试样点燃与不燃对应的预混气流氧浓度之差小于1.5％时，将静子试样不燃对应的预混气流氧浓度作为临界值继续试验，更换上述步骤(1)中的两个试样，重复上述(3)步骤，若静子试样点燃，则预混气流氧浓度降低0.5％～1.0％，继续更换上述步骤(1)中的两个试样，重复上述(3)步骤，若静子试样不燃，则将此预混气流氧浓度作为新的临界值继续试验，更换上述步骤(1)中的两个试样，重复上述(3)步骤，直至重复10次试验，静子试样均不燃，将上述步骤(1)至步骤(5)得到的多个试验点填入预制表格，其中静子试样重复10次试验均不燃所对应的预混气流氧浓度作为Ti-Al系金属间化合物点燃与不燃的边界值，该边界值即为评价Ti-Al系金属间化合物阻燃的性能指标。
2.根据权利要求1所述的一种Ti-Al系金属间化合物阻燃性能试验方法，其特征在于，所述空气与氧气预混气流中的空气由惰性气体替代，惰性气体与氧气的预混气流氧浓度为21％～100％，预混气流压力不大于1.5MPa。
3.根据权利要求1所述的一种Ti-Al系金属间化合物阻燃性能试验方法，其特征在于，所述预混气流通道置于加热装置中，预混气流通道为蛇形或螺旋形通道，从预混气流通道进入燃烧室气流入口的气流温度为400℃～900℃；所述支座夹具连接热电偶对静子试样进行加热，加热温度为400℃～900℃，燃烧室气流入口的气流温度与静子试样的加热温度相同。
4.根据权利要求1所述的一种Ti-Al系金属间化合物阻燃性能试验方法，其特征在于，所述转子试样尺寸为(42-43)mm×(27-28)mm×(1.5-2.5)mm、一端的顶角角度为90°～120°，静子试样尺寸为(125-126)mm×(27-28)mm×(1.5-2.5)mm、中心的圆孔直径为3.5mm～4.5mm，转子试样和静子试样为同种合金，表面粗糙度不大于1.6μm。
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