600℃高温钛合金燃烧组织演变及机理*吴明宇1)2)#弭光宝2)#†李培杰1)黄旭2)1)(清华大学机械系,摩擦学重点实验室,北京100084)2)(中国航发北京航空材料研究院,先进钛合金重点实验室,北京100095)(2023年3月15日收到;2023年5月5日收到修改稿)采用摩擦氧浓度法测定600℃高温钛合金的阻燃性能,通过聚焦离子束技术和高分辨电子显微镜对燃烧组织的燃烧区、熔凝区和热影响区内不同价态的氧化产物进行表征与界面结构分析,发现燃烧产物Al2O3,Ti2O3以及TiO2具有不同于氧化过程的形成方式;结合自由能和蒸气压计算,揭示燃烧组织演变的机理及其对合金阻燃性能的影响.结果表明,合金中6%的Al元素含量导致熔凝区/热影响区界面不能形成连续性Al2O3保护层;1800K左右TiO蒸气压的显著增加造成熔凝区形成Ti2O3和Ti构成的疏松结构,为氧的快速内扩散提供路径;此外,燃烧区中形成的TiO2熔体对基体不具有保护作用.因此,600℃高温钛合金不具备良好的阻燃性能.关键词：600℃高温钛合金,燃烧组织,燃烧机理,热力学计算PACS：61.82.Bg,64.75.Lm,82.60.Cx,47.70.PqDOI:10.7498/aps.72.202303961引言600℃高温钛合金是一类Al元素含量约为6%、具有良好热稳定性和高温力学性能的近a型钛合金,可用于航空发动机机匣、叶盘、叶片等关键结构件的制备[1,2].然而钛合金具有高氧化热和低导热性等特性,一旦机匣与叶片等结构间出现剧烈摩擦,在高温、高压和高速的气流条件下,“钛火”会在20s内迅速完成,极大地增加了工程应用的安全隐患[3].为解决这一问题,国内外研究者围绕钛合金的燃烧行为开展了部分研究.研究表明,钛合金的燃烧行为是一种发生在合金熔点附近或超过熔点的剧烈氧化行为.Wolf等[4]在75℃/s的升温速率下测出a型和a+b型钛合金的起燃温度低于合金的熔点,Joel等[5,6]发现纯钛在起燃阶段的火焰温度最高可达3727℃,稳定燃烧阶段的火焰温度约为2930℃,这意味着钛合金的燃烧过程存在显著的温度变化.由于600℃高温钛合金的熔点约为1600℃,而Al2O3,Ti2O3和TiO2等氧化物的熔点分别为2054℃,1851℃和1857℃[7,8],因此钛合金燃烧过程不仅会发生合金基体的熔化,还可能形成氧化物的熔体.与此相比,在600—750℃(略高于合金的工作温度)的氧化条件下,氧化物的形成是发生在钛合金基体中的固相脱溶过程[9−11].氧化物形成机制的差别会对氧化及燃烧过程中保护性氧化层的形成产生影响,进而可能造成合金的抗氧化性能和阻燃性能存在较大差异.截至目前,钛合金在600—750℃氧化机理的研究较为完善,但对于燃烧过...
