鈦的密度比鈦輕約40%，而強(qiáng)度與之相當(dāng)，耐熱性、耐蝕性、 彈性、抗彈性和成形加工性均非常優(yōu)秀。因此，鈦合金在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越多。國(guó)外曾有報(bào)道鈦合金在某款先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用占比已經(jīng)逼近40%。那是不是鈦合金很快可以把比它重一倍的鎳基高溫合金擠出了發(fā)動(dòng)機(jī)，獨(dú)霸發(fā)動(dòng)機(jī)呢？并沒(méi)有！就目前而言，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的前端——風(fēng)扇和低壓壓氣機(jī)，工作溫度較低，一般在350度以下，其葉片、盤件、機(jī)匣采用的是Ti-Al合金。而在發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫段部分高壓壓氣機(jī)，工作溫度一般在500-600度，用的卻仍然是鎳基高溫合金。

 

鎳基高溫合金比鈦合金要重一倍，再加上兩種材料的的熱膨脹系數(shù)存在差異，因此給裝配連接帶來(lái)大量技術(shù)難題，增加了成本。假如使用鈦合金替換，不但重量立即減半，而且也不存在熱膨脹系數(shù)差異問(wèn)題，何樂(lè)而不為呢？問(wèn)題在于，鈦合金的高溫性能并沒(méi)有看起來(lái)那么光鮮。鈦的熔點(diǎn)1668度，但工作溫度高于400度就可以成為高溫鈦合金，而600度竟然被稱為鈦合金的“熱障”溫度，成功闖關(guān)的寥寥無(wú)幾。從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，至今四十余年沒(méi)有工作溫度超過(guò)600度的鈦合金正式服役。

 

鈦合金由于鈦?zhàn)陨順O大的缺陷，突破600度的“熱障”，服役溫度達(dá)到更高，取代鎳基高溫合金，難度還是非常大的，需要研發(fā)更好的新材料和新工藝。那是什么原因限制了高溫鈦合金在更高的溫度下使用？隨著溫度升高而快速下降的表面抗氧化性是一個(gè)重要原因。我們熟知的不銹鋼，靠的是其表面形成一層氧化膜，阻止進(jìn)一步氧化。而鈦同樣會(huì)與氧結(jié)合生成一層與基體結(jié)合緊密的氧化膜。這層氧化膜，就是鈦合金抗氧化性的關(guān)鍵。氧化薄膜在500度以下非常穩(wěn)定，但隨著溫度的升高，氧在鈦中的溶解度提高，促使鈦的二氧化物反應(yīng)生成低價(jià)氧化物，表面氧化層密度提高而比容降低，氧化物由此會(huì)脫落，氧化膜喪失保護(hù)作用。即使這些年偶有報(bào)道某些鈦合金的高溫性能優(yōu)越，具備在更高的溫度服役的可能。但高溫下應(yīng)用鈦合金，還橫亙著一座大山，那就是“鈦火“，即鈦合金發(fā)生著火燃燒事件。

 

鈦火故障危害很大，自航空發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用鈦合金以來(lái)，就不斷發(fā)生鈦火事故，僅僅2-20s就可能完全燒盡鈦合金零部件和發(fā)動(dòng)機(jī)，并且找不到有效滅火措施。鈦在空氣中的熔點(diǎn)是1627度，而高溫鈦合金的工作溫度尚不超過(guò)600度。兩者之間相差很大，一般情況下是不會(huì)發(fā)生燃燒事件。但是高壓壓氣機(jī)葉片故障，導(dǎo)致斷片、碎片造成劇烈摩擦，產(chǎn)生大量熱量，或者壓氣機(jī)失速引起發(fā)動(dòng)機(jī)氣流反向流動(dòng)，從燃燒室后段返回的氣流溫度都一般高過(guò)鈦的燃點(diǎn)，都會(huì)造成鈦火事件。據(jù)美國(guó)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，高壓壓氣機(jī)工作葉片故障引起鈦火的比例為22.5%，由渦輪故障引起鈦火的比例為20%。而前面提到的鈦合金表面氧化膜也是鈦火的內(nèi)因。鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)低，氧化熱焓大，是易燃燒金屬。像鈦、鋁之類的金屬，它們?nèi)刍^(guò)程中氧化過(guò)程是自抑的，氧化膜阻止氧進(jìn)一步與金屬接觸，而且傳導(dǎo)損失熱量高于氧化產(chǎn)熱，避免溫度繼續(xù)上升。而在高溫下，鈦氧化膜脫落喪失密封性，導(dǎo)致氧氣的輸送速度急劇增大，熱量析出速度超過(guò)熱量損失速度，造成溫度升高，最終促進(jìn)燃燒。鈦及鈦合金自身具有在空氣中自維持燃燒的特性，這是發(fā)生鈦火的根源。