航空發動機鈦合金在微尺度下摩擦著火特性數值計算分析*

弭光寶，梁賢燁，李培杰，曹京霞，黃 旭

（1. 中國航發北京航空材料研究院鈦合金研究所，北京 100095；2. 中國航發先進鈦合金重點實驗室，北京 100095；3. 清華大學新材料國際研發中心，北京 100084）

隨著先進航空發動機設計中輕量化程度的日益提升，高溫鈦合金因其優異的比強度、耐腐蝕等性能而被越來越廣泛的應用。然而，在高壓壓氣機苛刻的運行工況下由于振動、喘振等因素導致葉片與機匣之間產生異常摩擦，進而大大增加了鈦火發生的概率。在微觀上，摩擦磨損過程新鮮鈦合金表面不斷產生微米級的凸起/碎片（統稱微凸體）[1]，并暴露在高溫、高壓和高速的環境中閃燃，因此微觀尺度下對臨界著火參數的研究對于深入認識鈦火的本質尤為重要。

早期國內外學者開展的金屬著火理論研究為鈦在微觀尺度下的著火模型計算提供了思路。比如，Khaikin 等[2]提出金屬的氧化反應速率與氧化層厚度的變化有關，并結合熱自燃理論[3]建立了相應的計算公式；Friedman 等[4]通過試驗觀測發現鋁顆粒的著火溫度接近其熔點；Aldushin 等[5]認為隨著顆粒粒徑的減小，著火機制由氧化膜消耗機制變為破碎機制；Merzhanov 等[6]認為金屬顆粒的著火溫度與環境中的能量平衡方程有關；Rozenband 等[7]認為氧化膜與金屬基體的熱膨脹系數的差異導致其氧化膜界面上產生機械應力，該應力破壞了氧化膜并最終導致燃燒的產生；Elsayed 等[8]認為謝苗諾夫數的改變對著火邊界有重要的影響；弭光寶等[9]研究了鈦顆粒氧化膜在應力作用下破裂對著火過程的影響，指出外層氧化膜的破裂不是造成微凸體著火溫度隨粒徑變化的決定因素；……