發(fā)布日期：2025-8-20 16:43:20
航空發(fā)動機(jī)機(jī)匣包容試驗是為了測試檢驗機(jī)匣對飛脫后轉(zhuǎn)子葉片的容限 [1]｡郭明明等采用預(yù)制裂紋與線性聚能切割器爆破切割相結(jié)合的爆破飛脫方法進(jìn)行了靜態(tài)爆破切割實驗 [2], 證明了聚能切割爆炸分離航空發(fā)動機(jī)葉片方法具有較強(qiáng)的可行性和可靠性｡陳剛對線性聚能射流爆炸分離鈦合金進(jìn)行研究 [3], 探究了在一定開槽深度下成功分離鈦合金板的方案｡線性聚能切割器早已在采石､水下工程及石油等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用 [4,5], 且便于操作､精準(zhǔn)可控，采用線性聚能切割器爆炸分離方法已經(jīng)成為常用的航空發(fā)動機(jī)葉片飛脫方法｡在采用爆炸分離的方法開展機(jī)匣包容試驗時，要求記錄轉(zhuǎn)子葉片在特定轉(zhuǎn)速和特定角度時斷裂飛脫的情況｡在使用高速攝像對葉片飛脫斷裂過程進(jìn)行拍攝時，爆炸分離瞬間產(chǎn)生的明亮鈦火會遮蔽視場，阻礙觀測記錄｡因此，必須盡量減少爆炸切斷轉(zhuǎn)子葉片過程中產(chǎn)生的鈦火｡
綜上所述，目前尚缺乏針對航空發(fā)動機(jī)葉片聚能切割爆炸分離過程中鈦火消減的研究｡為此，本研究在分析聚能切割鈦合金葉片產(chǎn)生鈦火的機(jī)理后，提出使用輕薄阻礙層的方法消弭鈦火，借助 AUTODYN 中歐拉方法模擬計算聚能切割 TC4 鈦合金板過程中阻礙層的阻擋作用，并用 4 種材料開展鈦火消弭實驗研究，結(jié)合實驗結(jié)果驗證該方法的可行性｡以期解決聚能切割鈦合金葉片實驗中鈦火影響高速攝像拍攝的問題，同時為航空發(fā)動機(jī)機(jī)匣包容試驗中爆炸分離鈦合金葉片提供有效的鈦火消弭方法｡
1、鈦火產(chǎn)生機(jī)理分析
在爆炸分離鈦合金實驗中使用的聚能切割索的截面圖尺寸及實物如圖 1 所示，切割索的裝藥為六硝基芪 (HNS), 被殼和藥型罩均由鉛合金一次拉拔成型｡
在爆炸切割鈦合金板材過程中，切割索中六硝基芪被引爆后，產(chǎn)生高溫高壓的爆轟產(chǎn)物擠壓藥型罩形成金屬射流｡金屬射流速度遠(yuǎn)大于爆轟產(chǎn)物膨脹飛散速度，金屬射流率先接觸并侵徹鈦合金板｡爆轟產(chǎn)物的溫度約為 3700℃, 隨后與高溫爆轟產(chǎn)物接觸的鈦合金溫度立即升高 [6]｡當(dāng)鈦合金局部溫度超過其燃點時，爭奪置換空氣中的氧及爆生氣體產(chǎn)物如二氧化碳､一氧化碳､水等氧化物中的氧，發(fā)生氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生明亮的鈦火 [7]｡對鈦合金葉片進(jìn)行聚能切割爆炸分離時產(chǎn)生的明亮鈦火現(xiàn)象如圖 2 所示｡
綜上所述，爆炸分離鈦合金過程中鈦火的產(chǎn)生，主要歸因于高溫爆轟產(chǎn)物對鈦合金表面的劇烈升溫作用｡因此，減少爆轟產(chǎn)物對鈦合金的劇烈升溫作用，使兩者接觸部分的大部分鈦合金溫度不能達(dá)到其燃點，可減少鈦火的產(chǎn)生｡一方面，降低爆轟產(chǎn)物溫度可以達(dá)到上述目的，但是降低爆溫的同時會減小裝藥的猛度｡經(jīng)過實驗測試發(fā)現(xiàn)，直接降低爆溫情況下鈦火消弭效果甚微，而裝藥的猛度會大幅減小｡另一方面，在不降爆溫的情況下，使用阻礙層阻擋爆轟產(chǎn)物，可降低其對鈦合金表面的升溫作用｡阻礙層在極短時間內(nèi)阻擋爆轟氣體，使其膨脹降溫，從而大幅降低與鈦合金接觸后的升溫作用，進(jìn)而大幅度消減鈦火｡
分析鈦火產(chǎn)生機(jī)理后發(fā)現(xiàn)，在聚能切割鈦合金中采用阻礙層方法可以消弭鈦火｡具體而言，可尋找某種材料，涂覆或貼附在鈦合金表面｡在射流侵徹切割過程中，阻礙層可阻擋､延遲爆轟產(chǎn)物與鈦合金接觸，降低鈦合金升溫，從而消減鈦火｡阻礙層需薄而適之，以免過厚阻礙射流｡聚能切割時，微小射流切刀先擊穿阻礙層，再侵徹鈦合金板，形成的微小切口僅容射流通過｡爆轟產(chǎn)物膨脹至阻礙層時，會破壞阻礙層后才與鈦合金接觸，阻礙層使爆轟產(chǎn)物短時間內(nèi)溫度大幅下降，并且阻礙層在短時間內(nèi)隔絕爆轟產(chǎn)物和空氣的接觸，使鈦合金不能立即與高溫爆轟產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，從而有效減少鈦火產(chǎn)生｡
根據(jù)金屬介質(zhì)的隔爆能力可知，鋁､銅的隔爆性能良好 [8]｡由限氧熱解制備生物炭的原理可知 [9], 錫箔紙具有較好的隔熱性能｡此外，鋁硅酸鹽輕質(zhì)且具有良好的耐熱與阻燃性能 [10]｡由此，本文擬選用鋁箔､紫銅片､錫箔､鋁硅酸鹽涂層作為阻礙層材料，以消弭鈦火｡
2、數(shù)值計算
2.1 計算模型
在爆炸切割過程中，材料出現(xiàn)大變形量，屬于求解大變形問題，更適宜用歐拉算法求解該過程 [11]｡為驗證采用阻礙層方法消弭鈦火的可行性，模擬計算了射流和爆轟產(chǎn)物對阻礙層､鈦合金的作用的物理過程，以此分析阻礙層的作用機(jī)理｡計算模型中 TC4 鈦合金板的尺寸 10mm×10mm, 鈦合金板居中開槽，凹槽的寬度為 4.2 mm, 深度為 7 mm｡為確保模擬的精確性，模型中網(wǎng)格的最小單元尺寸被設(shè)定為 0.02mm, 整個模型的總網(wǎng)格數(shù)達(dá)到了 250000｡阻礙層緊貼鈦合金凹槽內(nèi)側(cè)隔絕聚能切割索與鈦合金板的接觸｡將阻礙層材料選為厚度 0.1mm 的紫銅｡
為探究阻礙層對爆轟產(chǎn)物的阻擋作用，在構(gòu)建的模型中設(shè)置了兩個監(jiān)測點，用于監(jiān)測聚能射流速度及爆轟產(chǎn)物膨脹速度隨時間的動態(tài)變化情況｡TC4 鈦合金板､聚能切割索及阻礙層材料的 2D 模型及其監(jiān)測點如圖 3 所示｡
TC4 鈦合金板材､聚能裝藥外殼和鈦火消弭材料采用 Johnson-Cook 材料模型參數(shù)，炸藥采用 JWL 狀態(tài)方程，TC4 鈦合金､紫銅､HNS 等材料參數(shù)� 1 ~ 表 4 所示 [12,13]｡
表 1 TC4 (Ti6Al4V) 的 Johnson-Cook 材料模型參數(shù)
Table 1 The Johnson-Cook material model parameters for TC4 ( Ti6Al4V)
| 初始屈服應(yīng)力 Initial Yield Stress/ MPa | 硬化常數(shù) Hardening Constant/ MPa | 硬化指數(shù) Hardening Exponent | 應(yīng)變率常數(shù) Strain rate constant | 熱軟化指數(shù) Thermal softening exponent | 失效參數(shù) 1 Stress triaxiality constant 1 | 失效參數(shù) 2 Stress triaxiality constant 2 | 失效參數(shù) 3 Stress triaxiality constant 3 | 溫度相關(guān)常數(shù) Temperature dependency constant | 應(yīng)變率相關(guān)常數(shù) Strain rate dependency constant |
| 862 | 331 | 0.34 | 0.012 | 0.8 | -0.09 | 0.25 | -0.5 | 0.014 | 3.87 |
表 2 紫銅的 Johnson-Cook 材料模型參數(shù)
Table 2 The Johnson-cook material model parameters of the copper
| 密度 Density/ (g・cm⁻³) | 特定熱量 Specific heat/ (J・kg⁻¹・K⁻¹) | 軟化溫度 Thermal softening temperature/ K | 初始屈服應(yīng)力 Initial yield stress/MPa | 硬化常數(shù) Hardening constant/MPa | 硬化指數(shù) Hardening exponent | 應(yīng)變率常數(shù) Strain rate constant | 熱軟化指數(shù) Thermal softening exponent |
| 8.96 | 383 | 1356 | 90 | 292 | 0.31 | 0.025 | 1.09 |
表 3 HNS 的 JWL 狀態(tài)方程參數(shù)
Table 3 Parameters of the JWL equation of state for HNS
| 密度 Density/ (g・cm⁻³) | 爆壓 Detonation pressure/ GPa | 爆速 Detonation velocity/ (m・s⁻¹) | 高壓系數(shù) High pressure coefficient/ GPa | 中壓系數(shù) Medium pressure coefficient/GPa | 衰減系數(shù) 1 Attenuation coefficient 1 | 衰減系數(shù) 2 Attenuation coefficient 2 | 內(nèi)能耦合系數(shù) Internal energy coupling coefficient | 初始比內(nèi)能 Initial specific internal energy/ GPa |
| 1.65 | 21.50 | 7030 | 463.10 | 8.837 | 4.55 | 1.35 | 0.35 | 7.45 |
表 4 鉛銻合金的材料參數(shù)
Table 4 Material parameters of lead-antimony alloy
| 密度 Density/ (g・cm⁻³) | 格魯尼森系數(shù) Gruneisen coefficient | 聲速系數(shù) 1 Sound velocity coefficient 1/ (m・s⁻¹) | 斜率系數(shù) 1 Slope coefficient 1 | 特定熱量 Specific heat/ (J・kg⁻¹・K⁻¹) | 彈性模量 Elastic Modulus/GPa | 初始溫度 Initial temperature/ K |
| 11.35 | 2.77 | 2051 | 1.42 | 121 | 30 | 298 |
2.2 計算結(jié)果與分析
不同時刻聚能切割鈦合金板的求解結(jié)果如圖 4 所示｡
由圖 4 和圖 5 可知，切割索起爆后，射流在t=0.8μm開始侵徹紫銅阻礙層，此時射流到達(dá)監(jiān)測點 1, 射流頭部速度約為 2780m/s｡爆轟產(chǎn)物在t=1μm時膨脹接觸到凹槽兩側(cè)紫銅阻礙層，爆轟產(chǎn)物膨脹飛散到監(jiān)測點 2, 其速度約為 744m/s, 射流速度遠(yuǎn)大于爆轟產(chǎn)物的質(zhì)點運動速度｡在t=3μm時，細(xì)小射流切刀侵入鈦合金中，且破壞紫銅阻礙層形成的切口較小｡爆轟產(chǎn)物隨后膨脹到達(dá)鈦合金板底部監(jiān)測點 1, 此時爆轟產(chǎn)物速度約為 300m/s｡爆轟產(chǎn)物在膨脹中被紫銅層阻擋，破壞紫銅層后接觸鈦合金，在t=3μm時才有少量爆轟產(chǎn)物直接與鈦合金表面接觸｡這一過程充分展現(xiàn)了紫銅阻礙層在延遲爆轟產(chǎn)物與鈦合金接觸､在短時間內(nèi)隔絕爆轟產(chǎn)物和空氣的接觸，使鈦合金不能立即與高溫爆轟產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，降低高溫爆轟產(chǎn)物對鈦合金升溫作用及阻擋減少氧化反應(yīng)發(fā)生方面所發(fā)揮的關(guān)鍵作用｡
當(dāng)射流侵徹基本結(jié)束時，仍有部分紫銅貼附鈦合金板凹槽表面｡說明紫銅層在爆炸切割過程中，有效阻礙了爆轟產(chǎn)物與鈦合金的接觸，可以降低對鈦合金表面的熱升溫作用，從而減少了鈦火的產(chǎn)生｡計算結(jié)果也可以驗證采用阻礙層方法在聚能切割中消弭鈦火的可行性｡
3、實驗
3.1 材料與儀器設(shè)備
實驗材料與儀器：TC4 鈦合金板 (100mm×60mm×23mm)､聚能切割索､電子雷管､0.1mm 厚鋁箔､0.1mm 厚紫銅片､0.1mm 厚錫箔紙､鋁硅酸鹽（Na2[(AlO2).2SiO2]）､高速攝像機(jī)等｡
3.2 實驗過程
在綜合考慮阻礙層材料的各項要求后，明確所選材料應(yīng)具備不易燃或具有較好阻燃性的特點，并且其厚度需要盡可能小｡基于這些標(biāo)準(zhǔn)，最終選擇了 4 種材料進(jìn)行鈦火消弭實驗，分別為鋁箔､紫銅片､錫箔紙､鋁硅酸鹽涂層｡特別地，對于鋁硅酸鹽材料，先將其用水調(diào)制成膠糊狀，然后均勻地涂覆在待處理的鈦合金表面上｡待涂層中的水分完全蒸發(fā)并干燥后，再進(jìn)行后續(xù)的鈦火消弭實驗｡這種處理方法旨在充分發(fā)揮鋁硅酸鹽的阻燃特性，以達(dá)到有效消弭鈦火的目的｡
依次使用上述 4 種材料貼附或涂覆于 TC4 鈦合金板的凹槽內(nèi)側(cè)，將聚能切割索緊貼凹槽底部放置并預(yù)留 5cm 長超出凹槽，用阻礙層材料將聚能切割索與鈦合金板隔開，裝配后的鈦合金板如圖 6 所示｡4 種實驗材料排序編號為 #1~#4, 空白對照實驗編號為 #0, 共 5 組實驗如表 5 所示｡如此，便能夠系統(tǒng)地評估不同阻礙層材料在鈦火消弭效果上的差異，進(jìn)而為選擇最優(yōu)的阻礙層材料提供科學(xué)依據(jù)｡
表 5 不同材料編號與厚度參數(shù) Table 5 Number and thickness parameters of different materials
| 編號 Number | 材料 Material | 厚度 Thickness/mm |
| #0 | 空白對照 | - |
| #1 | 鋁箔 (Aluminium foil) | 0.1 |
| #2 | 紫銅 (Red copper) | 0.1 |
| #3 | 錫箔 (Tinfoil paper) | 0.1 |
| #4 | 鋁硅酸鹽 (Aluminum silicate) | 0.1 |
使用膠帶固定聚能切割索，并將電子雷管與超出凹槽的切割索綁緊｡隨后，將已經(jīng)裝配好切割索的待實驗鈦合金板放置于密閉實驗室內(nèi)的平臺上，借助夾具將其穩(wěn)穩(wěn)地夾緊固定，并安裝調(diào)試高速攝像，確保其能夠精準(zhǔn)捕捉實驗過程中的關(guān)鍵細(xì)節(jié)｡最后，按照 #0~#4 的順序依次實驗并保存實驗數(shù)據(jù)｡
4、結(jié)果與討論
4.1 鈦火測定結(jié)果
將上述 5 組實驗中拍攝的爆炸切割鈦合金過程中鈦火圖片進(jìn)行對比，依次選取每組亮度最大的鈦火圖片如圖 7 所示｡
4.2 鈦火亮度定量
圖像的亮度值是指畫面的明亮程度，單位是坎德拉每平方米d.m-²或稱 mits｡對于數(shù)字圖像，亮度通常與像素的灰度值相關(guān)｡在灰度圖像中，亮度即灰度值，范圍通常是 0 到 255, 其中 0 表示黑色，255 表示白色｡計算亮度時，可以直接讀取或修改這些灰度值 [14]｡
為對聚能切割鈦合金中產(chǎn)生的鈦火亮度進(jìn)行定量化分析，采用高速攝像拍攝此過程中鈦火圖片｡然后再對所得圖像進(jìn)行處理，得到不同圖片亮度平均值｡一般應(yīng)用于圖像亮度處理方法有使用專業(yè)圖像處理軟件､編程軟件 MATLAB,python 等｡如在 MATLAB 中先用 imread 函數(shù)讀取圖片文件，將彩色圖片轉(zhuǎn)換為灰度圖片，再使用 mean 函數(shù)計算矩陣計算圖片的像素亮度值的平均值，從而得到圖片的平均亮度值 [14]｡
本次鈦火消弭實驗中，高速攝影的條件 (位置､設(shè)置等) 及鈦合金板固定位置均一致，圖片尺寸大小和背景也相同｡因此，5 張圖片中鈦火的平均亮度可反映不同防護(hù)材料的消弭效果｡經(jīng) MATLAB 處理得到的各圖像亮度平均值見表 6, 并繪制了鈦火消弭結(jié)果灰度值三維圖 (圖 8)｡
表 6 MATLAB 處理鈦火消弭實驗圖像的亮度平均值 Table 6 The mean brightness images of treated titanium fire elimination experiments by MATLAB
| 編號 Number | 材料 Material | 平均亮度 Average brightness/ (cd・m⁻²) | 消弭率 Elimination rate/% |
| #0 | 空白對照 | 48.54 | - |
| #1 | 鋁箔 (aluminium foil) | 34.23 | 29.50 |
| #2 | 紫銅 (red copper) | 46.16 | 4.30 |
| #3 | 錫箔 (tinfoil paper) | 36.85 | 24.00 |
| #4 | 鋁硅酸鹽 (aluminum silicate) | 14.11 | 70.90 |
從表 6 和圖 8 分析結(jié)果來看，所選用的 4 種實驗材料均展現(xiàn)出了不同程度的鈦火消弭效果｡其中，0.1mm 厚鋁硅酸鹽涂層的鈦火消弭效果最佳，其鈦火消弭率高達(dá) 70.9%, 這說明了鋁硅酸鹽在鈦火消弭過程中具有良好的阻燃性能｡然后是 0.1mm 厚鋁箔和錫箔紙，其鈦火消弭率分別為 29.5% 和 24%, 這表明鋁箔和錫箔在鈦火消弭過程中也具有一定的阻燃特性，能夠在一定程度上有效抑制鈦火的產(chǎn)生｡然而，0.1mm 厚的紫銅片在鈦火消弭效果上相對較弱，其鈦火消弭率僅為 4.3%, 這反映出紫銅在鈦火消弭過程中阻燃性能相對較差｡綜上所述，不同材料在鈦火消弭效果上的差異明顯，這些實驗結(jié)果為后續(xù)選擇更適合的阻礙層材料提供了重要的參考依據(jù)｡
通過數(shù)值模擬分析，并結(jié)合鈦火消弭實驗所獲得的結(jié)果，分析得出阻礙層消弭鈦火的機(jī)理為：阻礙層能夠有效阻擋并延緩爆轟產(chǎn)物､空氣與鈦合金的直接接觸，從而顯著降低爆轟產(chǎn)物導(dǎo)致的鈦合金的劇烈升溫效應(yīng)和氧化反應(yīng)｡這一過程中阻礙層可以在短時間內(nèi)隔絕爆轟產(chǎn)物和空氣的接觸，使鈦合金不能立即與高溫爆轟產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，且阻礙層的阻擋作用使得與爆轟產(chǎn)物接觸之后的部分鈦合金的溫度未能達(dá)到燃點，兩者綜合作用有效降低了鈦火的產(chǎn)生幾率｡此外，這一結(jié)果也證實了在聚能切割鈦合金板材的過程中，采用阻礙層方法來消弭鈦火的可行性｡實驗與模擬結(jié)果的相互印證，提供了一種切實有效的技術(shù)手段，可以用來解決航空發(fā)動機(jī)葉片聚能切割爆炸分離過程中鈦火遮蔽視場的問題｡
5、結(jié)論
在分析聚能切割鈦合金中鈦火產(chǎn)生機(jī)理的基礎(chǔ)上，通過數(shù)值計算并實驗測試了 4 種材料的鈦火消弭效果，開展了聚能切割鈦合金中鈦火消弭技術(shù)研究，結(jié)論如下:
(1) 鈦火消弭機(jī)理為：阻礙層阻擋爆轟產(chǎn)物､空氣與鈦合金的接觸，延遲和減少爆轟產(chǎn)物對鈦合金的劇烈升溫作用及氧化反應(yīng)的發(fā)生｡
(2) 采用輕薄阻礙層方法能有效消弭聚能切割 TC4 鈦合金時產(chǎn)生的鈦火｡結(jié)果表明，0.1mm 厚鋁箔､紫銅片､錫箔紙､鋁硅酸鹽涂層的鈦火消弭率分別為 29.5%､4.3%､24%､70.9%｡其中，鋁硅酸鹽涂層的鈦火消弭效果最佳｡
(3) 本研究為聚能切割鈦合金葉片消弭鈦火提供了有效方法，為航空發(fā)動機(jī)機(jī)匣包容試驗中解決聚能切割分離葉片時鈦火干擾觀測問題提供了技術(shù)途徑｡
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作者簡介
韋眾 (2000-), 男，安徽阜陽，碩士研究生，主要從事爆破理論與技術(shù)研究，(E-mail) 2577317016@qq.com｡
通訊作者：王猛 (1974-), 男，安徽淮南，博士､教授，主要從事爆炸力學(xué)､計算力學(xué)研究，(E-mail) bacchus19@163.com｡
（注，原文標(biāo)題：聚能切割鈦合金中鈦火消弭技術(shù)研究）