陈光/文

上世纪60年代，英国在研制全球闻名的、单发的、能垂直起降的“鹞式”战斗机P1127时，它的一个原型机XP972于1962年10月30日在试飞中，由于所用的‘飞马’发动机中的钛合金制的压气机叶片与钛合金制的机匣相磨碰，引发压气机着火，（这种着火现象称为“钛火”），造成发动机失火停车，飞机坠毁，飞行员成功跳伞获救。

几年后，即上世纪60年代后期，美国普惠公司为笫三代战斗机F-15研制推重比为8.0一级的F100发动机时，在调试过程中，一台发动机在地面试车台试车时，发生高压压气机钛合金叶片与钛合金机匣相碰磨，引发压气机着火燃烧（“钛火”），火焰漫延到各处，最终整台发动机毁于大火中（图2）。

图1 、“鹞式”飞机的原型机在试飞中由于发动机发生“钛火”而坠毁

这两次重大故障，是世界上最早出现的由于两个钛合金零件相磨碰引发钛着火的故障，但是当时并沒有得到重视，以致后来在众多的发动机出现多次。 据1979年统计，从1962到1979年的17年中，西方国家的航空发动机中总共出现钛着火事件144次，其中烧穿压气机机匣的有59次。

上世纪50年代后期出现了能用于航空发动机上钛合金，由于这种合金轻，其比重比合金钢低40%（两者比重分别为4.5g/cm3与7.8g/cm3），比镍低50%（镍的比重为8g/cm3），而且耐腐蚀性好，由于航空发动机有一个很重要的指标-轻，所以钛合金很快在航空发动机上得到广泛采用。

图2、F100发动机整台毁于“钛火”

当时在发动机设计中只要温度条件允许，都采用了钛合金，包括风扇与压气机的工作叶片、轮盘、静子叶片、机匣以及封严装置等。

但是在使用中却发现，在发动机工作时由于偶然发生的不正常状态，使两个钛制的零件（例如工作叶片与静子叶片，工作叶片与机匣）相碰磨，在环境压力与温度适合的条件下，会产生火花而引发零件燃烧，这种现象称为“钛火”。

一旦钛零件着火，燃烧过程发展非常迅速，只需几秒钟就会使叶片烧毁，机匣烧穿，其危害程度非常严重。图3示出被钛火烧过的工作叶片残骸。

图3、钛火烧过的压气机工作叶片

钛火不仅发生在钛与钛零件间，也发生过钛叶片与钢机匣间发生严重碰磨后，钛叶片燃烧，其火焰还将机匣烧出一环形缺槽，如图4所示。

在发动机中，风扇部件中的气流压力与温度均较低，不易产生钛火，因此在风扇中还很少出现由于钛火引发的故障。

图4 、钢机匣被钛火烧，出一弧形缺槽

在上世纪7、80年代的一些著名发动机，如美国普惠公司的PW4000，GE公司的CF6、F404，英国罗罗公司的RB211，前苏联的HK－8、HK－86、Д一30与АИ－25都发生过钛火故障。

据苏联统计仅在1977～1988年间，苏联的HK－8、HK－86、Д一30与АИ－25等发动机就曾发生过30余起钛着火事件。又如美国用于F/A-18舰载战斗机GE公司的F404发动机，由于钛合金的高压压气机工作叶片，与钛合金机匣相磨蹭，引起钛着火，火焰不仅烧穿高压压气机机匣，而且还烧穿了外涵机匣，从而引起发动机着火，烧坏飞机，

造成在1987年一年中，美国海军损失了4架F/A-18飞机。同是GE公司的CF-6发动机，自1976年起，钛着火事件不断发生，到1979年年中达到高峰，一年内发生14起钛着火事件，后果严重。

随后，除了在新研制的发动机中，采取了防止钛火的措施外，还对一些已经投入使用多年的发动机修改了设计，例如，F404发动机将钛合金的高压多压气机机匣改成合金钢的机匣，同时将钛合金的外涵机匣改用了重量比较轻的PMR15复合材料，改进后发动机重量增加了0.5公斤。

与F404为姐妹机型的CFM56（两型发动机的核心机均由GE公司的F101核心机发展而成）也作了相应的改进。CFM56的高压压气机机匣原来采用钛合金，为了防止钛合金工作叶片与机匣碰磨引发钛火，在机匣中对应工作叶片的环带中，增加了一套非常复杂的防磨、防钛火的多层隔层。

在F404将钛机匣改为合金钢后，1978年，CFM56也将高压压气机机匣由钛合金改为合金钢，同时将钛合金的外涵机匣也改用了PMR15复合材料，这一改进使发动机零件数减少了140件，但重量加大5.64公斤。

GE公司的CF6系列发动机在初始阶段，高压压气机机匣均采用钛合金，但从1979年起开始改用合金钢。

苏联的许多发动机，也在投入使用若干年后，将钛合金零件材料改为合金钢，例如：HK－8发动机的高压压气机6级工作叶片与静子叶片原来全部采用钛合金，但从1987年起4～6级静子叶片（工作温度超过300℃）改用了合金钢。HK－86发动机在原设计中，高压压气机6级工作叶片与静子叶片、篦齿环与静子封严环全用钛合金，但从1981年起，4～6组静子叶片（工作温度＞300℃）、篦齿环与封严环全部改用合金钢。

AИ－25发动机高压压气机4～6级静子叶片原采用钛合金，在80年代后，已由钛合金改为合金钢。Д30 发动机在高压压气机原设计中，除第10级静子叶片采用合金钢外，其余各级静子叶片均采用钛合金，在80年代，第5～9组静子叶片、第4级后的轮盘间鼓环均已改用合金钢。

来设计的发动机，在高压压气机中，转动件（工作叶片、轮盘与隔圈）只要在温度允许范围内，均采用钛合金，以减轻发动机的重量。静子叶片均采用合金钢甚至镍基合金（PW4000），机匣则基本上都采用合金钢。

钛合金零件在加工制造中也有特殊要求，我国在加工第一批钛合金风扇叶片时，就遇到过前所未见的加工故障。

风扇叶片的最后一道工序是对叶片片身进行抛光。所谓抛光，是叶片在高速旋转的抛光砂轮上相互摩擦，将叶片表面抛磨成既符合设计尺寸的要求，又使表面变得光亮。叶片抛光时，叶片表面与砂轮在相互摩擦中，会产生大量发光的火星，像夜空中的焰火般向地面喷洒，在钢叶片抛光时，这些火星在向下喷洒中，受到空气的冷却，逐渐由红色变为灰色最后变成温度较低的黑色屑末，不会对加工的零件产生任何坏作用。因此在叶片抛光车间，盛装叶片的多格零件箱，一般就放在抛光砂轮下面，即将抛光的叶片与己抛光好的叶片就插在装叶片的空格中，其顶部也不盖上盖子。

当我们加工第一批钛合金风扇叶片时，沿用了老的做法，结果风扇叶片迸到部件装配工段时，却发现许多叶片表面出现多个烧蚀点，令人纳闷。经过仔细分析与检查后，发现了其中的奥秘。

原来钛合金叶片在抛光时，屑末产生的火星，在下坠的过程中，是不断吸收空气中的氧，使火星越变越大了，温度也更高了，当这些高温的火星溅落到插在零件箱中的叶片表面上时，就造成了一些烧蚀点，原因找到后，在装叶片的零件箱上加装了一个盖子，就解决了这一大难题。