CN103033536B - 一种钛火液滴法试验装置及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钛火液滴法试验装置及其测试方法，该装置包括燃烧仓、控制***、试样加热电源、气体加热炉、等离子热源***，所述气体加热炉设置于燃烧仓下部，所述试样加热电源与燃烧仓电连接，用于加热试样；所述控制***用于控制燃烧仓、气体加热炉及气体流量；其中，还包括设置于燃烧仓中的试样夹具；设置于燃烧仓中的气体喷管；及设置于燃烧仓顶部的自动送丝机构；根据所述控制***的控制，启动所述试样加热电源加热试样，启动所述气体加热炉加热气体，当所述试样及气体温度达到设定值后，启动所述等离子热源***及自动送丝机构，将TA1丝材熔化，熔融液滴滴落在所述试样表面，以引燃或未引燃所述试样来判定阻燃涂层的阻燃性能。

Description

一种钛火液滴法试验装置及其测试方法

技术领域

本发明涉及阻燃钛合金及阻燃涂层技术，特别是涉及一种针对航空发动机用阻燃钛合金、阻燃涂层阻燃性能测试的试验装置及其测试方法。

背景技术

钛及钛合金由于比强度及比模量高、密度低、抗破坏能力强，作为高强轻质材料在航空、航天、船舶工业、军事工业方面获得了广泛的应用，特别是在航空航天方面，为了提高推重比及有效承载，高性能的轻金属材料钛合金被广泛应用于制作航空部件。然而，钛合金用作航空发动机旋转部件时，容易发生钛着火故障，钛着火的范围可以从轻微的叶尖燃烧、后缘区燃烧，发展到大范围燃烧，有时甚至造成机匣360°烧穿。

为了提高航空发动机推重比及有效承载，现代先进航空发动机普遍采用钛合金制造压气机机匣、转子盘、转子叶片、静子叶片和风扇叶片等关键部件，发动机结构质量的1/3左右为钛合金。

常规钛合金在航空发动机中应用时容易发生钛着火故障，阻燃钛合金及阻燃涂层技术已成为确保航空发动机压气机部件可靠性的关键技术。

研制阻燃钛合金及阻燃涂层是解决钛火故障的主要方法，但是如何检验研制的阻燃钛合金及阻燃涂层的阻燃有效性是摆在科研人员面前的一个难题。目前，美国、俄罗斯等国家分别采用不同原理研制出摩擦起火、激光点火等不同类型的钛火试验装置。摩擦法的试验模式是通过对试样进行低温加热(发动机使用时的工作温度)，利用高转速摩擦引燃钛合金。激光点火法是利用激光引燃钛合金来测试阻燃钛合金本身在高温下的燃烧速度等特性。

以上两种试验方法均不能模拟在发动机钛火故障中因熔融液滴飞溅到压气机机匣内壁而引起的二次燃烧过程，考虑到目前钛火防止技术实验需求比较迫切，因此，研制一台能够模拟发动机钛火二次燃烧过程的钛火液滴法试验装置可有效解决钛火防止技术有效性试验验证难题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种钛火液滴法试验装置及其测试方法，用于实现阻燃钛合金及阻燃涂层阻燃有效性验证。

为实现上述目的，本发明提出一种钛火液滴法试验装置，包括燃烧仓、控制***、试样加热电源、气体加热炉、等离子热源***，所述气体加热炉设置于燃烧仓下部，所述试样加热电源与燃烧仓电连接，用于加热试样；所述控制***用于控制燃烧仓、气体加热炉及气体流量；其中，还包括：

设置于燃烧仓中心位置的试样夹具；

设置于燃烧仓中的气体喷管；

设置于燃烧仓顶部的自动送丝机构；

其中，根据所述控制***的控制，当所述试样夹具上安装试样后，启动所述试样加热电源加热试样，调节气体阀门至设定流量值，启动所述气体加热炉加热气体，当所述试样及气体温度达到设定值后，启动所述等离子热源***，启动所述自动送丝机构，将TA1丝材熔化，熔融液滴滴落在所述试样表面，引燃或未引燃所述试样。

其中，还包括安装在燃烧仓外的高速摄像机，用于拍摄钛火液滴法试验过程。

其中，所述等离子热源***包括等离子电源、等离子控制柜、等离子喷枪、离子气源、制冷机组，所述等离子喷枪置于所述燃烧仓上方，所述制冷机组及所述等离子控制柜分别与所述等离子喷枪连接，所述等离子电源与所述等离子控制柜连接。

其中，还包括一可在X-Y方向双轴运行的X-Y行走机构，安装于所述燃烧仓上，所述等离子喷枪安装于所述X-Y行走机构上。

其中，所述自动送丝机构由步进电机与控制器组成。

其中，所述气体包括压缩空气与氧气。

其中，还包括一K型热电偶，焊接于所述气体喷管及所述试样上，用于试样测温及气体出口测温。

而且，为实现上述目的，本发明还提出一种阻燃钛合金或阻燃涂层阻燃性能测试方法，利用上述的钛火液滴法试验装置进行，该方法包括：

步骤一：选定一种钛合金作为阻燃钛合金或阻燃涂层阻燃性能验证对比试样；

步骤二：将所述对比试样安装在所述试样夹具上，打开试样加热电源加热试样，调节试样加热电源电流，加热试样至试验设定温度值；

步骤三：打开压缩空气与氧气，调节压缩空气与氧气压力至设定值，调节压缩空气与氧气流量至试验设定值；

步骤四：打开气体加热炉，将压缩空气及氧气的混合气体加热至试验设定温度值；

步骤五：开启等离子热源***；

步骤六：启动自动送丝机构，将TA1丝送入等离子弧内，等离子弧熔化TA1丝，熔融液滴滴落至所述试样表面，引燃或未引燃所述试样；

步骤七：在试验设定参数下，当所述试样未被熔融液滴引燃时，重复步骤六，连续试验至少五次，如果连续五次试验过程中，所述试样发生燃烧，则终止此轮试验，降低试验参数继续进行下轮试验，当一轮试验过程中，连续五次所述试样均不发生燃烧时，则认定此试验参数为所述对比试样临界燃烧参数，在低于此参数条件下所述对比试样不发生燃烧。

其中，较佳地，还包括步骤八：将所述阻燃钛合金试样或阻燃涂层试样安装在试样夹具上，设定试验参数为所述对比试样临界燃烧参数，重复步骤二至步骤六，当所述阻燃钛合金试样或阻燃涂层试样在所述对比试样临界燃烧参数条件下不发生燃烧，则所述阻燃钛合金或阻燃涂层具有一定阻燃性能。

并且，较佳地，所述步骤七、步骤八中，进一步包括：通过安装在所述燃烧仓的观察窗外的高速摄像机拍摄试验过程中液滴引燃试样过程的步骤。

本发明研制的新一代钛火液滴法试验装置，可用于航空发动机压气机钛合金部件，用以测试不同钛合金的临界燃烧参数、验证不同阻燃钛合金、阻燃涂层的阻燃有效性，是开展航空发动机阻燃钛合金、阻燃涂层研究的关键技术和重要试验方法，有助于更深入的研究阻燃钛合金、阻燃涂层的阻燃机理。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1是钛火液滴法试验平台***组成图；

图2A及图2B是钛火液滴法试验平台夹具示意图；

图3是采用钛火液滴法试验平台测试所得典型钛合金临界燃烧参数；

其中，附图1标记：

1-制冷机组                2-等离子电源

3-等离子控制柜            4-PLC控制器

5-等离子喷枪              6-XY-行走机构

7-自动送丝机构            8-TA1钛丝

9-燃烧仓                  10-气体喷管

11-气体加热炉             12-观察窗

13-试样                   14-控制***

15-试样加热电源           16-压缩空气

17-氧气

其中，附图2标记：

1-绝缘底座                2-底架

3-压片                    4-压头

5-上压杆                  6-压头支架

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步更详细的描述。

图1是钛火液滴法试验平台***组成图，如图1所示，等离子控制柜3上安装有PLC控制器4，等离子喷枪5安装在X-Y行走机构6上，TA1钛丝8安装在自动送丝机构7上，X-Y行走机构6与自动送丝机构7安装在燃烧仓9上。

燃烧仓9前端盖开有观察窗12，外部可安装高速摄像机拍摄整个试验过程，燃烧仓9内部安装有气体喷管10及试样13，气体喷管10与试样13上采用储能点焊机焊接有K型热电偶，采集气体出口温度与试样温度，并分别与气体加热炉和试样加热电源形成闭环反馈，控制气体出口温度与试样温度。

具体而言，本发明提出一种钛火液滴法试验装置，包括燃烧仓9、控制***14(由北京金轮坤天特种机械有限公司生产)、试样加热电源15、气体加热炉11、等离子热源***，所述气体加热炉11设置于燃烧仓9下部，所述试样加热电源15与燃烧仓9电连接，用于加热试样13；所述控制***14用于控制燃烧仓9、气体加热炉11及气体流量；并且还包括：

设置于燃烧仓9中的试样夹具；

设置于燃烧仓9中的气体喷管；

设置于燃烧仓9顶部的自动送丝机构7；根据所述控制***14的控制，当所述试样夹具上安装试样后，启动所述试样加热电源15加热试样13，调节气体阀门至设定流量值，启动所述气体加热炉11加热气体，当所述试样13及气体温度达到设定值后，启动所述等离子热源***，启动所述自动送丝机构7，将TA1丝材熔化，熔融液滴滴落在所述试样表面，以引燃或未引燃所述试样来判定阻燃涂层的阻燃性能。

其中，本发明的装置较佳还包括安装在燃烧仓9外的高速摄像机，用于拍摄钛火液滴法试验过程。

并且，所述等离子热源***包括等离子电源2、等离子控制柜3、等离子喷枪5、离子气源、制冷机组1，所述等离子喷枪5置于所述燃烧仓9上方，所述制冷机组1及所述等离子控制柜3分别与所述等离子喷枪5连接，所述等离子电源2与所述等离子控制柜3连接。

并且，本发明的装置较佳还包括一可在X-Y方向双轴运行的X-Y行走机构6，安装于所述燃烧仓9上，所述等离子喷枪5安装于所述X-Y行走机构6上。

并且，所述自动送丝机构7由步进电机与控制器组成。

并且，所述气体包括压缩空气16与氧气17。

并且，本发明的装置较佳还包括一K型热电偶，焊接于所述气体喷管10及所述试样13上，用于试样测温及气体出口测温。

另外，本发明提出了一种阻燃钛合金或阻燃涂层阻燃性能测试方法，利用上述的钛火液滴法试验装置进行，包括如下步骤：

步骤一：选定一种钛合金作为阻燃钛合金或阻燃涂层阻燃性能验证对比试样：

步骤二：将所述对比试样安装在所述试样夹具上，打开试样加热电源15加热试样，调节试样加热电源15电流，加热试样至试验设定温度值；

步骤三：打开压缩空气与氧气，调节压缩空气与氧气压力至设定值，调节压缩空气与氧气流量至试验设定值；

步骤四：打开气体加热炉11，将压缩空气及氧气的混合气体加热至试验设定温度值；

步骤五：开启等离子热源***；

步骤六：启动自动送丝机构7，将TA1丝送入等离子弧内，等离子弧熔化TA1丝，熔融液滴滴落至所述试样表面，引燃或未引燃所述试样；

步骤七：在试验设定参数下，当所述试样未被熔融液滴引燃时，重复步骤六，连续试验五次，如果连续五次试验过程中，所述试样发生燃烧，则终止此轮试验，降低试验参数继续进行下轮试验，当一轮试验过程中，连续五次所述试样均不发生燃烧时，则认定此试验参数为所述对比试样临界燃烧参数，在低于此参数条件下所述对比试样不发生燃烧。

其中，较佳还包括步骤八：将所述阻燃钛合金试样或阻燃涂层试样安装在试样夹具上，设定试验参数为所述对比试样临界燃烧参数，重复步骤二至步骤六，当所述阻燃钛合金试样或阻燃涂层试样在所述对比试样临界燃烧参数条件下不发生燃烧，则所述阻燃钛合金或阻燃涂层具有一定阻燃性能。

并且，所述步骤七、步骤八中，进一步包括：

通过安装在所述燃烧仓9的观察窗外的高速摄像机拍摄试验过程中液滴引燃试样过程的步骤。

上述钛火液滴法试验平台主要技术参数如下：

1)试样加热方式：电阻加热

2)钛丝熔化方式：等离子弧熔化

3)试样加热温度：常温-850℃

4)气体加热温度：常温-550℃

5)压缩空气流量：2.5-25L/min

6)氧气流量：5-45L/min

7)气体压力范围：0-1.0MPa

8)试样尺寸：125×27×2mm

图2A及图2B是钛火液滴法试验平台夹具示意图，如同所示，包括绝缘底座1、底架2、压片3、压头4、上压杆5及压头支架6。

如下通过应用实例描述钛火液滴法试验平台试验过程。

应用实例1：钛合金临界燃烧参数测试

利用储能点焊机将K型热电偶电焊在125×27×2mm钛合金试样背面，将钛合金试样安装在试样夹具上，打开试样加热电源15加热试样，打开气体加热炉11加热气体，当试样与气体出口温度达到实验设定值后，开启等离子设备，启动自动送丝机构7，将TA1丝送入等离子弧内，等离子弧熔化TA1丝，熔融液滴滴落至所述试样表面，当所述试样未被熔融液滴引燃时，重复进行熔融液滴滴落引燃试验，连续试验五次，如果连续五次试验过程中，试样发生燃烧，则终止此轮试验，降低试验参数继续进行下轮试验，当一轮试验中，连续五次试样均不发生燃烧，则认定此试验参数为所述试样临界燃烧参数，在低于此参数条件下所述试样不发生燃烧，图3所示为采用钛火液滴法试验平台测试所得典型钛合金临界燃烧参数。

应用实例2：阻燃钛合金、阻燃涂层阻燃有效性验证

试验过程首先测试与阻燃钛合金相对比试样或阻燃涂层基体试样的临界燃烧参数，试验过程与应用实例1相同。在测试所得的阻燃钛合金对比试样或阻燃涂层基体试样的临界燃烧参数下对阻燃钛合金、阻燃涂层的阻燃有效性进行验证，试验过程与应用实例1基本相同，区别在于试验参数为阻燃钛合金对比试样或阻燃涂层基体试样的临界燃烧参数，在此参数条件下如果阻燃钛合金、阻燃涂层不发生燃烧则证明所研发的阻燃钛合金、阻燃涂层具有一定的阻燃性能。

应用实例3：钛合金烧损率测试

在给定试验条件下，利用储能点焊机将K型热电偶电焊在125×27×2mm钛合金试样背面，将钛合金试样安装在试样夹具上，打开试样加热电源15加热试样，打开气体加热炉11加热气体，当试样与气体出口温度达到实验设定值后，开启等离子设备，启动自动送丝机构7，将TA1丝送入等离子弧内，等离子弧熔化TA1丝，熔融液滴滴落至所述试样表面引燃试样，然后关闭气体开关，记录试样在设定温度下、大气环境中燃烧时间。当试样停止燃烧后，断开试样加热电源15，使试样在大气环境中缓慢冷却，取下试样，去除试样表面燃烧产物，称量试样前后重量差，利用公式(1)计算钛合金烧损率：

本发明的有益技术效果在于：

本发明研制的新一代钛火液滴法试验装置，可用于航空发动机压气机钛合金部件，用以测试不同钛合金的临界燃烧参数、验证不同阻燃钛合金、阻燃涂层的阻燃有效性，是开展航空发动机阻燃钛合金、阻燃涂层研究的关键技术和重要试验方法，有助于更深入的研究阻燃钛合金、阻燃涂层的阻燃机理。

本发明不仅可用于现有阻燃钛合金、阻燃涂层阻燃有效性验证，还可用于新的阻燃钛合金、阻燃涂层体系的研发，为新的阻燃钛合金、阻燃涂层提供检测依据；本发明可广泛应用于从事航空发动机、钛合金、涂层领域研发的大型骨干企业、科研院所、大学试验室等。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种钛火液滴法试验装置，包括燃烧仓、控制***、试样加热电源、气体加热炉、等离子热源***，所述气体加热炉设置于燃烧仓下部，所述试样加热电源与燃烧仓电连接，用于加热试样；所述控制***用于控制燃烧仓、气体加热炉及气体流量；

其特征在于，还包括：

设置于燃烧仓中的试样夹具；

设置于燃烧仓中的气体喷管；

设置于燃烧仓顶部的自动送丝机构；根据所述控制***的控制，当所述试样夹具上安装试样后，启动所述试样加热电源加热试样，调节气体阀门至设定流量值，启动所述气体加热炉加热气体，当所述试样及气体温度达到设定值后，启动所述等离子热源***，启动所述自动送丝机构，将TA1丝材熔化，熔融液滴滴落在所述试样表面，以引燃或未引燃所述试样来判定阻燃涂层的阻燃性能。

2.根据权利要求1所述的钛火液滴法试验装置，其特征在于，还包括安装在燃烧仓外的高速摄像机，用于拍摄钛火液滴法试验过程。

3.根据权利要求1所述钛火液滴法试验装置，其特征在于，所述等离子热源***包括等离子电源、等离子控制柜、等离子喷枪、离子气源、制冷机组，所述等离子喷枪置于所述燃烧仓上方，所述制冷机组及所述等离子控制柜分别与所述等离子喷枪连接，所述等离子电源与所述等离子控制柜连接。

4.根据权利要求3所述钛火液滴法试验装置，其特征在于，还包括一可在X-Y方向双轴运行的X-Y行走机构，安装于所述燃烧仓上，所述等离子喷枪安装于所述X-Y行走机构上。

5.根据权利要求1或2或3所述钛火液滴法试验装置，其特征在于，所述自动送丝机构由步进电机与控制器组成。

6.根据权利要求1或2或3所述钛火液滴法试验装置，其特征在于，所述气体包括压缩空气与氧气。

7.根据权利要求1或2或3所述钛火液滴法试验装置，其特征在于，还包括一K型热电偶，焊接于所述气体喷管及所述试样上，用于试样测温及气体出口测温。

8.一种阻燃钛合金或阻燃涂层阻燃性能测试方法，利用权利要求1所述的钛火液滴法试验装置进行，其特征在于，包括：

步骤一：选定一种钛合金作为阻燃钛合金或阻燃涂层阻燃性能验证对比试样；

步骤二：将所述对比试样安装在所述试样夹具上，打开试样加热电源加热试样，调节试样加热电源电流，加热试样至试验设定温度值；

步骤三：打开压缩空气与氧气，调节压缩空气与氧气压力至设定值，调节压缩空气与氧气流量至试验设定值；

步骤四：打开气体加热炉，将压缩空气及氧气的混合气体加热至试验设定温度值；

步骤五：开启等离子热源***；

步骤六：启动自动送丝机构，将TA1丝送入等离子弧内，等离子弧熔化TA1丝，熔融液滴滴落至所述试样表面，引燃或未引燃所述试样；

步骤七：在试验设定参数下，当所述试样未被熔融液滴引燃时，重复步骤六，连续试验五次，如果连续五次试验过程中，所述试样发生燃烧，则终止此轮试验，降低试验参数继续进行下轮试验，当一轮试验过程中，连续五次所述试样均不发生燃烧时，则认定此试验参数为所述对比试样临界燃烧参数，在低于此参数条件下所述对比试样不发生燃烧。

9.根据权利要求8所述的阻燃钛合金或阻燃涂层阻燃性能测试方法，其特征在于，还包括步骤八：将所述阻燃钛合金试样或阻燃涂层试样安装在试样夹具上，设定试验参数为所述对比试样临界燃烧参数，重复步骤二至步骤六，当所述阻燃钛合金试样或阻燃涂层试样在所述对比试样临界燃烧参数条件下不发生燃烧，则所述阻燃钛合金或阻燃涂层具有一定阻燃性能。

10.根据权利要求9所述的一种阻燃钛合金或阻燃涂层阻燃性能测试方法，其特征在于，所述步骤七、步骤八中，进一步包括：

通过安装在所述燃烧仓的观察窗外的高速摄像机拍摄试验过程中液滴引燃试样过程的步骤。