本發(fā)明屬于高溫結構材料領域，涉及一種金屬間化合物合金阻燃性能測試與評價技術，尤其是涉及一種Ti-Al系金屬間化合物阻燃性能試驗方法。

背景技術：

高壓壓氣機和低壓渦輪用鈦合金葉片是高推重比航空發(fā)動機的核心零部件，因受到超高的溫度和壓力梯度作用，工作條件更為復雜和苛刻，鈦火傾向性和嚴重性大大增加，致使鈦火故障頻發(fā)。國內外軍用發(fā)動機和民用發(fā)動機發(fā)生過100余起鈦火，不僅造成巨大經濟損失，也嚴重影響了人們對新型高溫鈦合金的大量選材。當前，隨著新一代航空發(fā)動機推重比的提高，壓氣機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)固溶強化型高溫鈦合金(包括阻燃鈦合金)的最高使用溫度已經不能滿足設計要求，有序強化型Ti-Al系金屬間化合物(簡稱Ti-Al系合金)成為非常有應用前景的候選關鍵材料。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，為發(fā)動機設計選材的關鍵性能指標之一，通常采用點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)一的評價方法或技術標準。美國采用激光點火方法，針對兩種渦輪噴氣發(fā)動機壓氣機的模擬氣流環(huán)境因素，將氣流溫度和壓力作為控制參數，測試了Ti₃Al合金的點火特性，但未評價出TiAl合金的點火特性。德國MTU發(fā)動機公司采用擴展燃燒試驗方法，將長度上的燃燒速率作為表征參數，評價了Ti₃Al和TiAl合金的燃燒特性，為Ti-Al系合金在高壓壓氣機和低壓渦輪的葉片等構件上選材提供了數據支撐。然而該方法僅能半定量表征Ti-Al系合金的阻燃性能。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的是針對Ti-Al系合金阻燃性能評價方法未建立而提出一種控制參數精確、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方法。

本發(fā)明的技術方案是，采用摩擦點火設備，對Ti-Al系金屬間化合物阻燃性能進行試驗，該試驗方法包括以下步驟，

(1)移開摩擦點火設備中的燃燒室的移動保護蓋，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的旋轉軸卡槽和支座夾具中，正向操作與氣缸連接的氣流導向桿，使圓錐體靠近靜子試樣，調整靜子試樣位置，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軸的軸線上，固定靜子試樣，反向操作氣流導向桿，使圓錐體離開靜子試樣，卸下圓錐體，再將一端帶頂角的轉子試樣固定于旋轉軸卡槽內，蓋上燃燒室的移動保護蓋，旋轉軸伸出燃燒室的一個側壁，并經過氣缸與傳動裝置連接，支座夾具垂直于旋轉軸的軸線并固定在燃燒室底座上，氣流導向桿控制的氣流通道經油水分離器、壓力表與空氣瓶相連接；(2)將供氣系統(tǒng)中空氣和氧氣經壓力表、質量流量控制器、預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、調節(jié)壓力表，并運行計算機軟件程序調節(jié)質量流量控制器，通過質量流量控制器分別將空氣和氧氣送入預混氣流通道進行氣體預混；(3)開啟預混氣流通道出口的氣流閥門，將空氣與氧氣的預混氣流送入燃燒室，預混氣流氧濃度為21％～100％，預混氣流壓力不大于1.5MPa，開啟電動機控制電源開關，通過電動機帶動轉子試樣作周向轉動，轉動速度為5000r/min，正向操作氣流導向桿，通過氣缸內的氣流壓力推動轉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)摩擦時間，持續(xù)摩擦6s～15s，然后反向操作氣流導向桿使轉子試樣與靜子試樣分離，關閉供氣系統(tǒng)的氣流閥門和電動機控制電源開關；

(4)觀察靜子試樣產物的形貌并結合摩擦點火過程攝像機的實時記錄，判斷和確定靜子試樣是否點燃；

如果靜子試樣不燃，則進行如下步驟：

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

如果靜子試樣點燃，則進行如下步驟：

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

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

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

所述預混氣流通道置于加熱裝置中，預混氣流通道為蛇形或螺旋形通道，從預混氣流通道進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)點及突出性效果：

(1)高能摩擦作為點火源更加接近航空發(fā)動機鈦火發(fā)生的主要模式，試驗方法采用摩擦升溫與氧分壓精確控制實現局部模擬發(fā)動機鈦火更為科學，能夠為Ti-Al系合金在先進的高推重比發(fā)動機上應用提供技術支撐；(2)采用預混氣流氧濃度作為定量表征Ti-Al系合金阻燃的性能指標，并通過計算機程序控制質量流量控制器，大幅提高了試驗的精確度，預混氣流氧濃度的控制精度可以達到0.5％，易于實現合金的阻燃評級，且有利于揭示阻燃機理；(3)該方法操作方便、安全，試驗成本低，不僅適用于摩擦點火方式，更換試驗設備后，也適用于激光、液滴、火焰和電火花等其他點火方式，應用前景廣闊。

附圖說明

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

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

圖3為1#Ti-Al系合金摩擦點火過程記錄實物圖。其中，a-c.摩擦5.5s～9.5s試樣15點燃；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系合金摩擦點火試驗后試樣15的形貌。其中，a,b,d,e不燃；c,f點燃。

具體實施方式

采用摩擦點火設備，對Ti-Al系金屬間化合物阻燃性能進行試驗，該試驗方法包括以下步驟：

(1)移開燃燒室13的移動保護蓋，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連接的氣流導向桿11，使圓錐體靠近靜子試樣15，調整靜子試樣15位置，將圓錐體嵌入靜子試樣15的中心圓孔24，且圓孔24的中心位于旋轉軸21的軸線上，固定靜子試樣15，反向操作氣流導向桿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的轉子試樣22固定于旋轉軸20卡槽21內，蓋上燃燒室13的移動保護蓋，旋轉軸20伸出燃燒室13的一個側壁經氣缸12與傳動裝置17連接，支座夾具23垂直于旋轉軸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15一側安裝頂緊支架14，且位于旋轉軸20的軸線上，氣流導向桿11控制的氣流通道經油水分離器10、壓力表9與空氣瓶8相連接；

(2)將供氣系統(tǒng)中空氣和氧氣經壓力表1、質量流量控制器2、預混氣流通道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、調節(jié)壓力表1，并運行計算機6的軟件程序調節(jié)質量流量控制器2，通過質量流量控制器2分別將空氣和氧氣送入預混氣流通道3進行氣體預混；

(3)開啟預混氣流通道3出口的氣流閥門4，將空氣與氧氣預混氣流送入燃燒室13，預混氣流氧濃度為21％～100％，預混氣流壓力不大于1.5MPa，開啟控制電源開關18，通過電動機19帶動轉子試樣22作周向轉動，轉動速度為5000r/min，正向操作氣流導向桿11，通過氣缸12內的氣流壓力推動轉子試樣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)摩擦時間，當持續(xù)摩擦6s～15s時，然后反向操作氣流導向桿11使轉子試樣22與靜子試樣15分離(圖2(e))，關閉供氣系統(tǒng)的氣流閥門4和控制電源開關18；

(4)觀察靜子試樣產物的形貌并結合摩擦點火過程攝像機的實時記錄，判斷和確定靜子試樣15是否點燃；

如果摩擦結束后靜子試樣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，提高預混氣流氧濃度，重復上述(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)提高預混氣流氧濃度，重復上述(3)步驟，直至靜子試樣15點燃，然后，再更換上述步驟(1)中的試樣15和試樣22，降低預混氣流氧濃度，重復上述(3)步驟，至靜子試樣15不燃；

如果摩擦結束后試樣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))，表明試樣點燃，則更換上述步驟(1)中的試樣15和試樣22，降低預混氣流氧濃度，重復上述(3)步驟，如果靜子試樣15點燃，繼續(xù)更換上述步驟(1)中的試樣15和試樣22，繼續(xù)降低預混氣流氧濃度，重復上述(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，提高預混氣流氧濃度，重復上述(3)步驟，至靜子試樣15點燃；

(5)以此類推，當靜子試樣15點燃與不燃對應的預混氣流氧濃度之差小于1.5％時，將靜子試樣15不燃對應的預混氣流氧濃度作為試驗參數，繼續(xù)更換上述步驟(1)中的試樣15和試樣22，重復上述(3)步驟，若靜子試樣15點燃，則預混氣流氧濃度降低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，重復上述(3)步驟，直至重復10次試驗，靜子試樣15均不燃，將上述得到的多個試驗點填入預制表格，其中靜子試樣15重復10次試驗均不燃所對應的預混氣流氧濃度定量描述了試樣點燃與不燃的邊界，即定量表征了被測試合金的阻燃性能。

下面結合具體實施例對本發(fā)明作進一步說明，但本發(fā)明并不限于以下實施例。

實施例1

采用北京航空材料研究院的摩擦點火設備進行試驗，測試試樣的材料為1^#Ti-Al系合金。轉子試樣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的轉動速度為5000r/min，氣缸內氣流壓力為0.15MPa～0.25MPa，空氣與氧氣的預混氣流氧濃度c₀為30％～100％，試樣15和預混氣流的溫度相同且保持恒定，通過CS型質量流量控制器調控c₀。試驗結果如下表所示，阻燃性能為95.8％。

注：點燃標記為“+”；未點燃為“－”。

實施例2

采用北京航空材料研究院的摩擦點火設備進行試驗，測試試樣的材料為3^#Ti-Al系合金。轉子試樣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的轉動速度為5000r/min，氣缸內氣流壓力為0.15MPa～0.25MPa，空氣與氧氣的預混氣流氧濃度c₀為30％～100％，試樣15和預混氣流的溫度相同且保持恒定，通過CS型質量流量控制器調控c₀。試驗結果如下表所示，阻燃性能為38.0％。

實施例3

采用北京航空材料研究院的摩擦點火設備進行試驗，測試試樣的材料為2^#Ti-Al系合金。轉子試樣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的轉動速度為5000r/min，氣缸內的氣流壓力為0.15MPa～0.25MPa，空氣與氧氣的預混氣流氧濃度c₀為30％～100％，試樣15和預混氣流的溫度相同且保持恒定，通過CS型質量流量控制器調控c₀。試驗結果如下表所示，阻燃性能為80.7％。