燃油噴嘴可以將航空燃料輸送至燃燒室,并且進行噴霧,燃油霧化效果直接影響燃料在燃燒室的燃燒性能。在航空發動機工作過程中,噴嘴處于一個高溫、富油的環境,航空燃料的自身特性和噴嘴材料某些金屬元素的催化作用使航空燃料在噴嘴內壁和噴嘴口端部產生積碳結焦[1-4]。結焦積碳積累到一定程度就會使航空發動機的性能顯著下降、燃油消耗增大、縮短發動機的使用壽命,甚至產生安全事故[5]。隨著航空飛行器飛行速度不斷加快,發動機的熱負荷越來越大,航空發動機噴嘴結焦逐漸成為廣泛關注的問題之一。 

目前國內外抑制結焦的方法主要有：向燃料中添加抑制劑、改進噴嘴結構、采用新型材料和材料表面處理等[6-9]。航空發動機噴嘴的結構復雜,其中大部分零部件采用GH605高溫合金,該合金是由質量分數為20%的Cr元素和質量分數為15%的W元素固溶強化處理形成的鈷基高溫合金,在815 ℃以下具有中等持久強度和蠕變強度,在1 090 ℃下具有良好的抗氧化性能,還具有優良的成形性能和焊接性能等。高溫條件下,合金表面易發生氧化,其表面狀態發生改變[10]。因此,有必要對噴嘴合金在高溫下的氧化行為進行分析,并考察氧化后表面狀態對后續結焦行為的影響。筆者在不同溫度下對GH605高溫合金進行氧化試驗,以RP-3航空煤油為原料研究了合金表面狀態變化對結焦行為的影響,研究結果可為航空發動機的安全穩定運行提供理論支撐。 

1.   試驗材料與試驗方法

1.1   試驗材料

氧化試驗和結焦試驗所用的材料為航空發動機噴嘴常用材料GH605高溫合金,其化學成分如表1所示,試驗材料的化學成分滿足GB/T 14992—2005 《高溫合金和金屬間化合物高溫材料的分類和牌號》的要求。采用線切割方式將合金棒材切成尺寸（長度×寬度×高度）為30 mm×20 mm×1 mm的試樣,并依次用400,800,1 200目（1目=25.4 mm）的砂紙打磨,然后利用拋光機進行拋光處理,最后放入乙醇溶液中備用。 

試驗所用RP-3航空煤油的外觀清澈透明,無懸浮物,其物理性質和主要組分如表2所示。 

1.2   試驗方法

氧化試驗在馬弗爐中進行,馬弗爐恒溫區尺寸（長度×寬度）為30 cm×20 cm。氧化溫度分別設定為600,700,800,900,1 000 ℃,保溫時間為5 h。升溫和保溫過程由馬弗爐自動電控系統控制,升溫速率設置為5 ℃/min,保溫結束后所有試樣均隨爐冷卻。在900 ℃恒溫下對試樣分別進行不同時間的氧化處理,氧化時間分別為2,4,6,8,10,12 h,對GH605合金進行氧化動力學研究。 

航空煤油結焦試驗裝置如圖1所示。采用的計量泵為平流泵,泵的壓力為0~8 MPa,流量為0~80 mL/min,流量的控制精度為±1%。預熱過程和加熱過程采用管式爐加熱。首先將試樣放在自制的管式結焦反應器中,封閉反應器,并將試樣放入管式爐石英管中央,按照圖1所示連接管路元件。冷凝器選擇板式換熱器,采用水冷方式,通過控制后端背壓閥調節結焦反應器內的壓力。背壓閥壓力調節量程為0~10 MPa。背壓閥屬于精密儀器,為防止結焦反應器中產生的焦炭顆粒進入背壓閥,在背壓閥前面增設一個過濾器。煤油經背壓閥泄壓后進入廢料收集罐。 

圖  1  航空煤油結焦試驗裝置示意

2.   試驗結果與討論

2.1   GH605合金氧化動力學行為

GH605高溫合金試樣在空氣氣氛中氧化,試樣氧化的單位表面積增重曲線如圖2所示。由圖2(a)可知：在不同溫度下氧化5 h后,試樣表面均有增重,且隨著氧化溫度的升高,試樣的單位表面積增重明顯增大,說明溫度對氧化速率有較大的影響。由合金的氧化機制可知,合金表面一旦形成初始氧化層,后續氧化過程需要金屬離子穿過氧化層向外或者氧離子穿過氧化膜向內才能持續進行。在較高溫度下,金屬離子和氧離子的活性較高,擴散反應速率加快。 

圖  2  GH605合金試樣在空氣氣氛中氧化的單位表面積增重曲線

由圖2(b)可知：在整個氧化過程中,GH605合金的單位表面積增重呈拋物線趨勢,符合Wagner拋物線氧化理論；經過12 h氧化后,試樣的單位表面積增重逐漸趨于穩定,約為0.65 mg/cm2。氧化開始時,試樣表面金屬粒子和氧氣直接接觸,大量金屬粒子發生氧化反應,因此反應較快；當氧化層增大到一定厚度時,由于氧化膜的阻礙作用,金屬粒子向外擴散難度加大,氧氣向內擴散難度也加大,氧化速率逐漸變慢。 

2.2   GH605合金微觀分析

在不同溫度下氧化5 h后,GH605合金試樣表面的SEM形貌和能譜分析結果如圖3所示。由圖3可知：試樣表面均主要含有O、Co、Cr、W、Ni、Mn等元素,其中Au元素是由SEM分析時表面噴金引入的；當氧化溫度為600 ℃時,試樣表面氧化膜光滑平整,試樣表面以Co、Cr、W和Ni等基體元素為主,各元素的含量與基體元素差異較小,說明試樣表面氧化膜較薄；氧化溫度升高到700 ℃時,試樣表面開始出現鱗片狀氧化物,氧化物逐漸堆積并具有一定的厚度,Co、W、Ni等基體元素的含量略有減小,O、Mn、Cr等元素的含量增大；當氧化溫度為800 ℃時,試樣表面鱗片狀氧化物較少,氧化物長大聚集,呈較大的塊狀形貌,該溫度下形成的氧化物更厚,Cr元素的質量分數為27.92%,而基體元素Co的質量分數下降為33.98%；當氧化溫度為900 ℃時,試樣表面被一層均勻致密的氧化層覆蓋,試樣表面Co元素質量分數降低為5.64%,Cr元素的質量分數為61.17%,Mn元素的質量分數增大到9.92%,而W元素和Ni元素的質量分數分別減小至0.70%和0.66%。 

圖  3  不同溫度下氧化5 h后GH605合金試樣表面的SEM形貌和能譜分析結果

在不同溫度下氧化5 h后,GH605合金試樣表面的X射線衍射（XRD）分析結果如圖4所示。由圖4可知：不同溫度下得到氧化試樣表面的物相組成不同,表面除了基體相外,氧化產物主要為CoO、Cr2O3、尖晶石結構的（Co,Ni,Mn）Cr2O4等；當氧化溫度為600 ℃時,合金試樣表面氧化物較少,主要以基體相為主；氧化溫度升高到700 ℃和800 ℃時,合金試樣表面氧化物開始增多,主要含有Cr2O3及少量的CoO和CoCr2O4,溫度為700~800 ℃時,Co元素和Cr元素會與空氣中的氧反應,生成CoO和Cr2O3,這兩種氧化物逐漸積累,在最外層形成混合氧化層,高溫下CoO會和Cr2O3反應生成CoCr2O4尖晶石,而且隨著氧化溫度的升高,兩種氧化物對應的衍射峰值越來越高,說明生成CoCr2O4尖晶石的反應增強；當氧化溫度為900 ℃時,基體合金中其他相對含量較少的元素也會向外穿過CoO和Cr2O3混合氧化層,與空氣接觸,并被氧化為各自對應的氧化物,如MnO等,這些氧化物會和Cr2O3反應生成MnCr2O4尖晶石等。 

圖  4  不同溫度下氧化5 h后GH605合金試樣表面的XRD分析結果

2.3   合金氧化膜的結焦行為

對不同溫度下形成的氧化膜進行結焦行為研究,以RP-3航空煤油作為原料,在700 ℃、2 MPa條件下進行結焦試驗,試驗高溫反應時間分別為1 h和5 h。圖5是氧化后的GH605合金試樣結焦單位表面積增重結果。由圖5可知：經過600~900 ℃空氣氧化后,在相同的結焦時間條件下,氧化試樣表面和空白試樣的單位表面積增重相差較小,說明空氣中氧化形成的氧化層對結焦積碳沒有明顯影響；當氧化溫度較高時,尤其在900 ℃下形成的氧化層試樣單位表面積增重略有下降,主要原因是在較高溫度下氧化層較厚,并出現了一定量的穩定尖晶石氧化物。可以明確的是,雖然GH605合金表面生成了氧化膜,但航空煤油的結焦量并沒有得到明顯改善。 

圖  5  氧化后的GH605合金試樣結焦單位表面積增重結果

圖6是900 ℃氧化后GH605合金試樣表面焦炭的SEM形貌。由圖6可知：結焦1 h后,焦炭主要由絲狀和夾雜的顆粒狀焦炭組成,這是典型的催化結焦；結焦5 h后,試樣表面形成了一層較厚的無定型顆粒狀焦炭,此時結焦以非催化生焦為主。 

圖  6  900 ℃氧化后GH605合金試樣表面焦炭SEM形貌

在高溫空氣條件下,GH605合金形成的氧化層表面主要含有Co、Cr元素的氧化物,雖然Ni元素的含量明顯降低,被氧化膜所屏蔽,但是在高溫下形成的氧化膜中仍含有較多的Co元素。在高溫條件下,Co元素對航油烴類具有較強的脫氫催化生焦作用[11],表現為材料表面形成嚴重的絲狀催化結焦。隨著結焦時間的延長,具有催化作用的元素被覆蓋,試樣表面形成較厚的無定型顆粒狀焦炭,結焦以非催化生焦為主。 

3.   結論

（1） GH605高溫合金在空氣中的氧化動力學滿足拋物線規律,隨著氧化時間的延長,合金的氧化增重速率逐漸降低,具有較好的抗高溫氧化性能。 

（2） GH605高溫合金表面氧化層主要由Cr2O3和(Mn, Co, Ni)Cr2O4尖晶石組成,隨著氧化溫度的升高,尖晶石氧化物逐漸增多,表面Ni、W元素明顯減少,但仍含有一定量的Co元素。 

（3） GH605高溫合金氧化后煤油初生焦以典型的催化絲狀焦為主,高溫氧化表面的Co元素起到催化生焦的作用,合金表面氧化膜對航油的結焦行為沒有明顯抑制作用。

文章來源——材料與測試網