陳光/文

上世紀(jì)60年代，英國(guó)在研制全球聞名的、單發(fā)的、能垂直起降的“鷂式”戰(zhàn)斗機(jī)P1127時(shí)，它的一個(gè)原型機(jī)XP972于1962年10月30日在試飛中，由于所用的‘飛馬’發(fā)動(dòng)機(jī)中的鈦合金制的壓氣機(jī)葉片與鈦合金制的機(jī)匣相磨碰，引發(fā)壓氣機(jī)著火，（這種著火現(xiàn)象稱為“鈦火”），造成發(fā)動(dòng)機(jī)失火停車，飛機(jī)墜毀，飛行員成功跳傘獲救。

幾年后，即上世紀(jì)60年代后期，美國(guó)普惠公司為笫三代戰(zhàn)斗機(jī)F-15研制推重比為8.0一級(jí)的F100發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，在調(diào)試過(guò)程中，一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)在地面試車臺(tái)試車時(shí)，發(fā)生高壓壓氣機(jī)鈦合金葉片與鈦合金機(jī)匣相碰磨，引發(fā)壓氣機(jī)著火燃燒（“鈦火”），火焰漫延到各處，最終整臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)毀于大火中（圖2）。

圖1 、“鷂式”飛機(jī)的原型機(jī)在試飛中由于發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生“鈦火”而墜毀

這兩次重大故障，是世界上最早出現(xiàn)的由于兩個(gè)鈦合金零件相磨碰引發(fā)鈦著火的故障，但是當(dāng)時(shí)并沒(méi)有得到重視，以致后來(lái)在眾多的發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)多次。 據(jù)1979年統(tǒng)計(jì)，從1962到1979年的17年中，西方國(guó)家的航空發(fā)動(dòng)機(jī)中總共出現(xiàn)鈦著火事件144次，其中燒穿壓氣機(jī)機(jī)匣的有59次。

上世紀(jì)50年代后期出現(xiàn)了能用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)上鈦合金，由于這種合金輕，其比重比合金鋼低40%（兩者比重分別為4.5g/cm3與7.8g/cm3），比鎳低50%（鎳的比重為8g/cm3），而且耐腐蝕性好，由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)有一個(gè)很重要的指標(biāo)-輕，所以鈦合金很快在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上得到廣泛采用。

圖2、F100發(fā)動(dòng)機(jī)整臺(tái)毀于“鈦火”

當(dāng)時(shí)在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中只要溫度條件允許，都采用了鈦合金，包括風(fēng)扇與壓氣機(jī)的工作葉片、輪盤(pán)、靜子葉片、機(jī)匣以及封嚴(yán)裝置等。

但是在使用中卻發(fā)現(xiàn)，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)由于偶然發(fā)生的不正常狀態(tài)，使兩個(gè)鈦制的零件（例如工作葉片與靜子葉片，工作葉片與機(jī)匣）相碰磨，在環(huán)境壓力與溫度適合的條件下，會(huì)產(chǎn)生火花而引發(fā)零件燃燒，這種現(xiàn)象稱為“鈦火”。

一旦鈦零件著火，燃燒過(guò)程發(fā)展非常迅速，只需幾秒鐘就會(huì)使葉片燒毀，機(jī)匣燒穿，其危害程度非常嚴(yán)重。圖3示出被鈦火燒過(guò)的工作葉片殘骸。

圖3、鈦火燒過(guò)的壓氣機(jī)工作葉片

鈦火不僅發(fā)生在鈦與鈦零件間，也發(fā)生過(guò)鈦葉片與鋼機(jī)匣間發(fā)生嚴(yán)重碰磨后，鈦葉片燃燒，其火焰還將機(jī)匣燒出一環(huán)形缺槽，如圖4所示。

在發(fā)動(dòng)機(jī)中，風(fēng)扇部件中的氣流壓力與溫度均較低，不易產(chǎn)生鈦火，因此在風(fēng)扇中還很少出現(xiàn)由于鈦火引發(fā)的故障。

圖4 、鋼機(jī)匣被鈦火燒，出一弧形缺槽

在上世紀(jì)7、80年代的一些著名發(fā)動(dòng)機(jī)，如美國(guó)普惠公司的PW4000，GE公司的CF6、F404，英國(guó)羅羅公司的RB211，前蘇聯(lián)的HK－8、HK－86、Д一30與АИ－25都發(fā)生過(guò)鈦火故障。

據(jù)蘇聯(lián)統(tǒng)計(jì)僅在1977～1988年間，蘇聯(lián)的HK－8、HK－86、Д一30與АИ－25等發(fā)動(dòng)機(jī)就曾發(fā)生過(guò)30余起鈦著火事件。又如美國(guó)用于F/A-18艦載戰(zhàn)斗機(jī)GE公司的F404發(fā)動(dòng)機(jī)，由于鈦合金的高壓壓氣機(jī)工作葉片，與鈦合金機(jī)匣相磨蹭，引起鈦著火，火焰不僅燒穿高壓壓氣機(jī)機(jī)匣，而且還燒穿了外涵機(jī)匣，從而引起發(fā)動(dòng)機(jī)著火，燒壞飛機(jī)，

造成在1987年一年中，美國(guó)海軍損失了4架F/A-18飛機(jī)。同是GE公司的CF-6發(fā)動(dòng)機(jī)，自1976年起，鈦著火事件不斷發(fā)生，到1979年年中達(dá)到高峰，一年內(nèi)發(fā)生14起鈦著火事件，后果嚴(yán)重。

隨后，除了在新研制的發(fā)動(dòng)機(jī)中，采取了防止鈦火的措施外，還對(duì)一些已經(jīng)投入使用多年的發(fā)動(dòng)機(jī)修改了設(shè)計(jì)，例如，F(xiàn)404發(fā)動(dòng)機(jī)將鈦合金的高壓多壓氣機(jī)機(jī)匣改成合金鋼的機(jī)匣，同時(shí)將鈦合金的外涵機(jī)匣改用了重量比較輕的PMR15復(fù)合材料，改進(jìn)后發(fā)動(dòng)機(jī)重量增加了0.5公斤。

與F404為姐妹機(jī)型的CFM56（兩型發(fā)動(dòng)機(jī)的核心機(jī)均由GE公司的F101核心機(jī)發(fā)展而成）也作了相應(yīng)的改進(jìn)。CFM56的高壓壓氣機(jī)機(jī)匣原來(lái)采用鈦合金，為了防止鈦合金工作葉片與機(jī)匣碰磨引發(fā)鈦火，在機(jī)匣中對(duì)應(yīng)工作葉片的環(huán)帶中，增加了一套非常復(fù)雜的防磨、防鈦火的多層隔層。

在F404將鈦機(jī)匣改為合金鋼后，1978年，CFM56也將高壓壓氣機(jī)機(jī)匣由鈦合金改為合金鋼，同時(shí)將鈦合金的外涵機(jī)匣也改用了PMR15復(fù)合材料，這一改進(jìn)使發(fā)動(dòng)機(jī)零件數(shù)減少了140件，但重量加大5.64公斤。

GE公司的CF6系列發(fā)動(dòng)機(jī)在初始階段，高壓壓氣機(jī)機(jī)匣均采用鈦合金，但從1979年起開(kāi)始改用合金鋼。

蘇聯(lián)的許多發(fā)動(dòng)機(jī)，也在投入使用若干年后，將鈦合金零件材料改為合金鋼，例如：HK－8發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓壓氣機(jī)6級(jí)工作葉片與靜子葉片原來(lái)全部采用鈦合金，但從1987年起4～6級(jí)靜子葉片（工作溫度超過(guò)300℃）改用了合金鋼。HK－86發(fā)動(dòng)機(jī)在原設(shè)計(jì)中，高壓壓氣機(jī)6級(jí)工作葉片與靜子葉片、篦齒環(huán)與靜子封嚴(yán)環(huán)全用鈦合金，但從1981年起，4～6組靜子葉片（工作溫度＞300℃）、篦齒環(huán)與封嚴(yán)環(huán)全部改用合金鋼。

AИ－25發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)4～6級(jí)靜子葉片原采用鈦合金，在80年代后，已由鈦合金改為合金鋼。Д30 發(fā)動(dòng)機(jī)在高壓壓氣機(jī)原設(shè)計(jì)中，除第10級(jí)靜子葉片采用合金鋼外，其余各級(jí)靜子葉片均采用鈦合金，在80年代，第5～9組靜子葉片、第4級(jí)后的輪盤(pán)間鼓環(huán)均已改用合金鋼。

來(lái)設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)，在高壓壓氣機(jī)中，轉(zhuǎn)動(dòng)件（工作葉片、輪盤(pán)與隔圈）只要在溫度允許范圍內(nèi)，均采用鈦合金，以減輕發(fā)動(dòng)機(jī)的重量。靜子葉片均采用合金鋼甚至鎳基合金（PW4000），機(jī)匣則基本上都采用合金鋼。

鈦合金零件在加工制造中也有特殊要求，我國(guó)在加工第一批鈦合金風(fēng)扇葉片時(shí)，就遇到過(guò)前所未見(jiàn)的加工故障。

風(fēng)扇葉片的最后一道工序是對(duì)葉片片身進(jìn)行拋光。所謂拋光，是葉片在高速旋轉(zhuǎn)的拋光砂輪上相互摩擦，將葉片表面拋磨成既符合設(shè)計(jì)尺寸的要求，又使表面變得光亮。葉片拋光時(shí)，葉片表面與砂輪在相互摩擦中，會(huì)產(chǎn)生大量發(fā)光的火星，像夜空中的焰火般向地面噴灑，在鋼葉片拋光時(shí)，這些火星在向下噴灑中，受到空氣的冷卻，逐漸由紅色變?yōu)榛疑詈笞兂蓽囟容^低的黑色屑末，不會(huì)對(duì)加工的零件產(chǎn)生任何壞作用。因此在葉片拋光車間，盛裝葉片的多格零件箱，一般就放在拋光砂輪下面，即將拋光的葉片與己拋光好的葉片就插在裝葉片的空格中，其頂部也不蓋上蓋子。

當(dāng)我們加工第一批鈦合金風(fēng)扇葉片時(shí)，沿用了老的做法，結(jié)果風(fēng)扇葉片迸到部件裝配工段時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)許多葉片表面出現(xiàn)多個(gè)燒蝕點(diǎn)，令人納悶。經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析與檢查后，發(fā)現(xiàn)了其中的奧秘。

原來(lái)鈦合金葉片在拋光時(shí)，屑末產(chǎn)生的火星，在下墜的過(guò)程中，是不斷吸收空氣中的氧，使火星越變?cè)酱罅耍瑴囟纫哺吡耍?dāng)這些高溫的火星濺落到插在零件箱中的葉片表面上時(shí)，就造成了一些燒蝕點(diǎn)，原因找到后，在裝葉片的零件箱上加裝了一個(gè)蓋子，就解決了這一大難題。