本發(fā)明屬于高溫結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域，涉及一種金屬間化合物合金阻燃性能測試與評價(jià)技術(shù)，尤其是涉及一種Ti-Al系金屬間化合物阻燃性能試驗(yàn)方法。

背景技術(shù)：

高壓壓氣機(jī)和低壓渦輪用鈦合金葉片是高推重比航空發(fā)動機(jī)的核心零部件，因受到超高的溫度和壓力梯度作用，工作條件更為復(fù)雜和苛刻，鈦火傾向性和嚴(yán)重性大大增加，致使鈦火故障頻發(fā)。國內(nèi)外軍用發(fā)動機(jī)和民用發(fā)動機(jī)發(fā)生過100余起鈦火，不僅造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，也嚴(yán)重影響了人們對新型高溫鈦合金的大量選材。當(dāng)前，隨著新一代航空發(fā)動機(jī)推重比的提高，壓氣機(jī)和渦輪的出口溫度越來越高，對耐更高溫度的防鈦火材料提出迫切需求。傳統(tǒng)固溶強(qiáng)化型高溫鈦合金(包括阻燃鈦合金)的最高使用溫度已經(jīng)不能滿足設(shè)計(jì)要求，有序強(qiáng)化型Ti-Al系金屬間化合物(簡稱Ti-Al系合金)成為非常有應(yīng)用前景的候選關(guān)鍵材料。比如，Ti₃Al和Ti₂AlNb合金的長期使用溫度為650～700℃，TiAl合金則高達(dá)760～800℃。

Ti-Al系合金的阻燃性能是材料使用安全性的重要依據(jù)，為發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)選材的關(guān)鍵性能指標(biāo)之一，通常采用點(diǎn)火燃燒過程涉及的基本特性來度量，國際上至今尚未形成統(tǒng)一的評價(jià)方法或技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。美國采用激光點(diǎn)火方法，針對兩種渦輪噴氣發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)的模擬氣流環(huán)境因素，將氣流溫度和壓力作為控制參數(shù)，測試了Ti₃Al合金的點(diǎn)火特性，但未評價(jià)出TiAl合金的點(diǎn)火特性。德國MTU發(fā)動機(jī)公司采用擴(kuò)展燃燒試驗(yàn)方法，將長度上的燃燒速率作為表征參數(shù)，評價(jià)了Ti₃Al和TiAl合金的燃燒特性，為Ti-Al系合金在高壓壓氣機(jī)和低壓渦輪的葉片等構(gòu)件上選材提供了數(shù)據(jù)支撐。然而該方法僅能半定量表征Ti-Al系合金的阻燃性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對Ti-Al系合金阻燃性能評價(jià)方法未建立而提出一種控制參數(shù)精確、滿足工程需求且易于操作的定量表征Ti-Al系合金阻燃性能的試驗(yàn)方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案是，采用摩擦點(diǎn)火設(shè)備，對Ti-Al系金屬間化合物阻燃性能進(jìn)行試驗(yàn)，該試驗(yàn)方法包括以下步驟，

(1)移開摩擦點(diǎn)火設(shè)備中的燃燒室的移動保護(hù)蓋，將對中用圓錐體和中心帶圓孔的靜子試樣分別放入燃燒室內(nèi)的旋轉(zhuǎn)軸卡槽和支座夾具中，正向操作與氣缸連接的氣流導(dǎo)向桿，使圓錐體靠近靜子試樣，調(diào)整靜子試樣位置，將圓錐體嵌入靜子試樣的中心圓孔，且靜子試樣的圓孔中心位于旋轉(zhuǎn)軸的軸線上，固定靜子試樣，反向操作氣流導(dǎo)向桿，使圓錐體離開靜子試樣，卸下圓錐體，再將一端帶頂角的轉(zhuǎn)子試樣固定于旋轉(zhuǎn)軸卡槽內(nèi)，蓋上燃燒室的移動保護(hù)蓋，旋轉(zhuǎn)軸伸出燃燒室的一個(gè)側(cè)壁，并經(jīng)過氣缸與傳動裝置連接，支座夾具垂直于旋轉(zhuǎn)軸的軸線并固定在燃燒室底座上，氣流導(dǎo)向桿控制的氣流通道經(jīng)油水分離器、壓力表與空氣瓶相連接；(2)將供氣系統(tǒng)中空氣和氧氣經(jīng)壓力表、質(zhì)量流量控制器、預(yù)混氣流通道與燃燒室的氣流入口相連接，然后打開氧氣和空氣瓶、調(diào)節(jié)壓力表，并運(yùn)行計(jì)算機(jī)軟件程序調(diào)節(jié)質(zhì)量流量控制器，通過質(zhì)量流量控制器分別將空氣和氧氣送入預(yù)混氣流通道進(jìn)行氣體預(yù)混；(3)開啟預(yù)混氣流通道出口的氣流閥門，將空氣與氧氣的預(yù)混氣流送入燃燒室，預(yù)混氣流氧濃度為21％～100％，預(yù)混氣流壓力不大于1.5MPa，開啟電動機(jī)控制電源開關(guān)，通過電動機(jī)帶動轉(zhuǎn)子試樣作周向轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動速度為5000r/min，正向操作氣流導(dǎo)向桿，通過氣缸內(nèi)的氣流壓力推動轉(zhuǎn)子試樣作軸向平動且與靜子試樣接觸形成一對摩擦副，氣缸內(nèi)的氣流壓力為0.15MPa～0.35MPa，待摩擦過程開始，通過秒表記錄持續(xù)摩擦?xí)r間，持續(xù)摩擦6s～15s，然后反向操作氣流導(dǎo)向桿使轉(zhuǎn)子試樣與靜子試樣分離，關(guān)閉供氣系統(tǒng)的氣流閥門和電動機(jī)控制電源開關(guān)；

(4)觀察靜子試樣產(chǎn)物的形貌并結(jié)合摩擦點(diǎn)火過程攝像機(jī)的實(shí)時(shí)記錄，判斷和確定靜子試樣是否點(diǎn)燃；

如果靜子試樣不燃，則進(jìn)行如下步驟：

首先，更換上述步驟(1)中的兩個(gè)試樣，提高預(yù)混氣流氧濃度，重復(fù)上述(3)步驟，如果靜子試樣還不燃，繼續(xù)更換上述步驟(1)中的兩個(gè)試樣，提高預(yù)混氣流氧濃度，重復(fù)上述(3)步驟，直至靜子試樣點(diǎn)燃，每次預(yù)混氣流氧濃度提高5～30％，然后，再更換上述步驟(1)中的兩個(gè)試樣，降低預(yù)混氣流氧濃度，重復(fù)上述(3)步驟，至靜子試樣不燃，每次預(yù)混氣流氧濃度降低0.5～20％；

如果靜子試樣點(diǎn)燃，則進(jìn)行如下步驟：

首先，更換上述步驟(1)中的兩個(gè)試樣，降低預(yù)混氣流氧濃度，重復(fù)上述(3)步驟，如果靜子試樣點(diǎn)燃，繼續(xù)更換上述步驟(1)中的兩個(gè)試樣，降低預(yù)混氣流氧濃度，重復(fù)上述(3)步驟，直至靜子試樣不燃，每次預(yù)混氣流氧濃度降低5～20％，然后，再更換上述步驟(1)中的兩個(gè)試樣，提高預(yù)混氣流氧濃度，重復(fù)上述(3)步驟，至靜子試樣點(diǎn)燃，每次預(yù)混氣流氧濃度提高0.5～10％；

(5)以此類推，當(dāng)靜子試樣點(diǎn)燃與不燃對應(yīng)的預(yù)混氣流氧濃度之差小于1.5％時(shí)，將靜子試樣不燃對應(yīng)的預(yù)混氣流氧濃度作為臨界值繼續(xù)試驗(yàn)，更換上述步驟(1)中的兩個(gè)試樣，重復(fù)上述(3)步驟，若靜子試樣點(diǎn)燃，則預(yù)混氣流氧濃度降低0.5％～1.0％，繼續(xù)更換上述步驟(1)中的兩個(gè)試樣，重復(fù)上述(3)步驟，若靜子試樣不燃，則將此預(yù)混氣流氧濃度作為新的臨界值繼續(xù)試驗(yàn)，更換上述步驟(1)中的兩個(gè)試樣，重復(fù)上述(3)步驟，直至重復(fù)10次試驗(yàn)，靜子試樣均不燃，將上述步驟(1)至步驟(5)得到的多個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)填入預(yù)制表格，其中靜子試樣重復(fù)10次試驗(yàn)均不燃所對應(yīng)的預(yù)混氣流氧濃度作為Ti-Al系金屬間化合物點(diǎn)燃與不燃的邊界值，該邊界值即為評價(jià)Ti-Al系金屬間化合物阻燃的性能指標(biāo)。

所述空氣與氧氣預(yù)混氣流中的空氣由惰性氣體替代，惰性氣體與氧氣的預(yù)混氣流氧濃度為21％～100％，預(yù)混氣流壓力不大于1.5MPa。

所述預(yù)混氣流通道置于加熱裝置中，預(yù)混氣流通道為蛇形或螺旋形通道，從預(yù)混氣流通道進(jìn)入燃燒室氣流入口的氣流溫度為400℃～900℃；所述支座夾具連接熱電偶對靜子試樣進(jìn)行加熱，加熱溫度為400℃～900℃，燃燒室氣流入口的氣流溫度與靜子試樣的加熱溫度相同。

所述轉(zhuǎn)子試樣尺寸為(42-43)mm×(27-28)mm×(1.5-2.5)mm、一端的頂角角度為90°～120°，靜子試樣尺寸為(125-126)mm×(27-28)mm×(1.5-2.5)mm、中心的圓孔直徑為3.5mm～4.5mm，轉(zhuǎn)子試樣和靜子試樣為同種合金，表面粗糙度不大于1.6μm。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出性效果：

(1)高能摩擦作為點(diǎn)火源更加接近航空發(fā)動機(jī)鈦火發(fā)生的主要模式，試驗(yàn)方法采用摩擦升溫與氧分壓精確控制實(shí)現(xiàn)局部模擬發(fā)動機(jī)鈦火更為科學(xué)，能夠?yàn)門i-Al系合金在先進(jìn)的高推重比發(fā)動機(jī)上應(yīng)用提供技術(shù)支撐；(2)采用預(yù)混氣流氧濃度作為定量表征Ti-Al系合金阻燃的性能指標(biāo)，并通過計(jì)算機(jī)程序控制質(zhì)量流量控制器，大幅提高了試驗(yàn)的精確度，預(yù)混氣流氧濃度的控制精度可以達(dá)到0.5％，易于實(shí)現(xiàn)合金的阻燃評級，且有利于揭示阻燃機(jī)理；(3)該方法操作方便、安全，試驗(yàn)成本低，不僅適用于摩擦點(diǎn)火方式，更換試驗(yàn)設(shè)備后，也適用于激光、液滴、火焰和電火花等其他點(diǎn)火方式，應(yīng)用前景廣闊。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提供的實(shí)現(xiàn)阻燃性能測試的試驗(yàn)原理示意圖。其中：1-壓力表；2-質(zhì)量流量控制器；3-預(yù)混氣流通道；4-氣流閥門；5-氣流入口；6-計(jì)算機(jī)；7-氧氣和空氣瓶；8-空氣瓶；9-壓力表；10-油水分離器；11-氣流導(dǎo)向桿；12-氣缸；13-燃燒室；14-頂緊支架；15-靜子試樣；16-轉(zhuǎn)子試樣一端頂角；17-傳動裝置；18-控制電源開關(guān)；19-電動機(jī)；20-旋轉(zhuǎn)軸；21-卡槽；22-轉(zhuǎn)子試樣；23-支座夾具；24-靜子試樣中心圓孔。

圖2為1#Ti-Al系合金摩擦點(diǎn)火過程記錄實(shí)物圖。其中，a-d.持續(xù)摩擦；e.摩擦結(jié)束試樣15與22分離；c.摩擦結(jié)束后3-4s試樣15。

圖3為1#Ti-Al系合金摩擦點(diǎn)火過程記錄實(shí)物圖。其中，a-c.摩擦5.5s～9.5s試樣15點(diǎn)燃；d.試樣15持續(xù)燃燒5-6s；c.試樣15持續(xù)燃燒11-13s后熄滅。

圖4為1#Ti-Al系合金摩擦點(diǎn)火試驗(yàn)后試樣15的形貌。其中，a,b,d,e不燃；c,f點(diǎn)燃。

具體實(shí)施方式

采用摩擦點(diǎn)火設(shè)備，對Ti-Al系金屬間化合物阻燃性能進(jìn)行試驗(yàn)，該試驗(yàn)方法包括以下步驟：

(1)移開燃燒室13的移動保護(hù)蓋，將對中用圓錐體以及尺寸為(125-126)mm×(27-28)mm×(1.5-2.5)mm且中心帶直徑3.5mm～4.5mm圓孔24的靜子試樣15分別放入旋轉(zhuǎn)軸20卡槽21和支座夾具23中，正向操作與氣缸12連接的氣流導(dǎo)向桿11，使圓錐體靠近靜子試樣15，調(diào)整靜子試樣15位置，將圓錐體嵌入靜子試樣15的中心圓孔24，且圓孔24的中心位于旋轉(zhuǎn)軸21的軸線上，固定靜子試樣15，反向操作氣流導(dǎo)向桿11，使圓錐體離開靜子試樣15，卸下圓錐體，再將尺寸為(42-43)mm×(27-28)mm×(1.5-2.5)mm且一端帶90°～120°頂角16的轉(zhuǎn)子試樣22固定于旋轉(zhuǎn)軸20卡槽21內(nèi)，蓋上燃燒室13的移動保護(hù)蓋，旋轉(zhuǎn)軸20伸出燃燒室13的一個(gè)側(cè)壁經(jīng)氣缸12與傳動裝置17連接，支座夾具23垂直于旋轉(zhuǎn)軸20的軸線并固定在燃燒室13底座上，為防止靜子試樣15發(fā)生彎曲變形，在靜子試樣15一側(cè)安裝頂緊支架14，且位于旋轉(zhuǎn)軸20的軸線上，氣流導(dǎo)向桿11控制的氣流通道經(jīng)油水分離器10、壓力表9與空氣瓶8相連接；

(2)將供氣系統(tǒng)中空氣和氧氣經(jīng)壓力表1、質(zhì)量流量控制器2、預(yù)混氣流通道3與燃燒室13的氣流入口5相連接，然后打開氧氣和空氣瓶7、調(diào)節(jié)壓力表1，并運(yùn)行計(jì)算機(jī)6的軟件程序調(diào)節(jié)質(zhì)量流量控制器2，通過質(zhì)量流量控制器2分別將空氣和氧氣送入預(yù)混氣流通道3進(jìn)行氣體預(yù)混；

(3)開啟預(yù)混氣流通道3出口的氣流閥門4，將空氣與氧氣預(yù)混氣流送入燃燒室13，預(yù)混氣流氧濃度為21％～100％，預(yù)混氣流壓力不大于1.5MPa，開啟控制電源開關(guān)18，通過電動機(jī)19帶動轉(zhuǎn)子試樣22作周向轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動速度為5000r/min，正向操作氣流導(dǎo)向桿11，通過氣缸12內(nèi)的氣流壓力推動轉(zhuǎn)子試樣22作軸向平動且與靜子試樣15接觸形成一對摩擦副，氣缸12內(nèi)氣流壓力為0.15～0.35MPa，待摩擦過程開始(圖2(a-d))，通過秒表記錄持續(xù)摩擦?xí)r間，當(dāng)持續(xù)摩擦6s～15s時(shí)，然后反向操作氣流導(dǎo)向桿11使轉(zhuǎn)子試樣22與靜子試樣15分離(圖2(e))，關(guān)閉供氣系統(tǒng)的氣流閥門4和控制電源開關(guān)18；

(4)觀察靜子試樣產(chǎn)物的形貌并結(jié)合摩擦點(diǎn)火過程攝像機(jī)的實(shí)時(shí)記錄，判斷和確定靜子試樣15是否點(diǎn)燃；

如果摩擦結(jié)束后靜子試樣15的熾熱狀態(tài)迅速消失(圖2(f))且圓孔24中心呈規(guī)則的摩擦表面(圖3(a,b,d,e))，顯示試樣不燃，則更換上述步驟(1)中的試樣15和試樣22，提高預(yù)混氣流氧濃度，重復(fù)上述(3)步驟，如果靜子試樣15不燃，繼續(xù)更換上述步驟(1)中的試樣15和試樣22，繼續(xù)提高預(yù)混氣流氧濃度，重復(fù)上述(3)步驟，直至靜子試樣15點(diǎn)燃，然后，再更換上述步驟(1)中的試樣15和試樣22，降低預(yù)混氣流氧濃度，重復(fù)上述(3)步驟，至靜子試樣15不燃；

如果摩擦結(jié)束后試樣15持續(xù)燃燒(圖4)且圓孔19變?yōu)椴灰?guī)則的大孔(圖3(c,f))，表明試樣點(diǎn)燃，則更換上述步驟(1)中的試樣15和試樣22，降低預(yù)混氣流氧濃度，重復(fù)上述(3)步驟，如果靜子試樣15點(diǎn)燃，繼續(xù)更換上述步驟(1)中的試樣15和試樣22，繼續(xù)降低預(yù)混氣流氧濃度，重復(fù)上述(3)步驟，直至靜子試樣15不燃，然后，再更換上述步驟(1)中的試樣15和試樣22，提高預(yù)混氣流氧濃度，重復(fù)上述(3)步驟，至靜子試樣15點(diǎn)燃；

(5)以此類推，當(dāng)靜子試樣15點(diǎn)燃與不燃對應(yīng)的預(yù)混氣流氧濃度之差小于1.5％時(shí)，將靜子試樣15不燃對應(yīng)的預(yù)混氣流氧濃度作為試驗(yàn)參數(shù)，繼續(xù)更換上述步驟(1)中的試樣15和試樣22，重復(fù)上述(3)步驟，若靜子試樣15點(diǎn)燃，則預(yù)混氣流氧濃度降低0.5％～1.0％，繼續(xù)更換上述步驟(1)中的試樣15和試樣22，重復(fù)上述(3)步驟，若靜子試樣15不燃，則繼續(xù)更換上述步驟(1)中的試樣15和試樣22，重復(fù)上述(3)步驟，直至重復(fù)10次試驗(yàn)，靜子試樣15均不燃，將上述得到的多個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)填入預(yù)制表格，其中靜子試樣15重復(fù)10次試驗(yàn)均不燃所對應(yīng)的預(yù)混氣流氧濃度定量描述了試樣點(diǎn)燃與不燃的邊界，即定量表征了被測試合金的阻燃性能。

下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但本發(fā)明并不限于以下實(shí)施例。

實(shí)施例1

采用北京航空材料研究院的摩擦點(diǎn)火設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)，測試試樣的材料為1^#Ti-Al系合金。轉(zhuǎn)子試樣22的尺寸為43mm×27mm×2mm、一端的頂角角度為120°，靜子試樣15的尺寸為126mm×27mm×2mm，圓孔24的直徑為4mm。試樣22的轉(zhuǎn)動速度為5000r/min，氣缸內(nèi)氣流壓力為0.15MPa～0.25MPa，空氣與氧氣的預(yù)混氣流氧濃度c₀為30％～100％，試樣15和預(yù)混氣流的溫度相同且保持恒定，通過CS型質(zhì)量流量控制器調(diào)控c₀。試驗(yàn)結(jié)果如下表所示，阻燃性能為95.8％。

注：點(diǎn)燃標(biāo)記為“+”；未點(diǎn)燃為“－”。

實(shí)施例2

采用北京航空材料研究院的摩擦點(diǎn)火設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)，測試試樣的材料為3^#Ti-Al系合金。轉(zhuǎn)子試樣22的尺寸為43mm×27mm×2.1mm、一端的頂角角度為120°，靜子試樣15的尺寸為126mm×27mm×2.1mm，圓孔24的直徑為4mm。試樣22的轉(zhuǎn)動速度為5000r/min，氣缸內(nèi)氣流壓力為0.15MPa～0.25MPa，空氣與氧氣的預(yù)混氣流氧濃度c₀為30％～100％，試樣15和預(yù)混氣流的溫度相同且保持恒定，通過CS型質(zhì)量流量控制器調(diào)控c₀。試驗(yàn)結(jié)果如下表所示，阻燃性能為38.0％。

實(shí)施例3

采用北京航空材料研究院的摩擦點(diǎn)火設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)，測試試樣的材料為2^#Ti-Al系合金。轉(zhuǎn)子試樣22的尺寸為43mm×27mm×2mm、一端的頂角角度為120°，靜子試樣15的尺寸為126mm×27mm×2mm，圓孔24的直徑為4mm。試樣22的轉(zhuǎn)動速度為5000r/min，氣缸內(nèi)的氣流壓力為0.15MPa～0.25MPa，空氣與氧氣的預(yù)混氣流氧濃度c₀為30％～100％，試樣15和預(yù)混氣流的溫度相同且保持恒定，通過CS型質(zhì)量流量控制器調(diào)控c₀。試驗(yàn)結(jié)果如下表所示，阻燃性能為80.7％。