燃油喷嘴可以将航空燃料输送至燃烧室，并且进行喷雾，燃油雾化效果直接影响燃料在燃烧室的燃烧性能。在航空发动机工作过程中，喷嘴处于一个高温、富油的环境，航空燃料的自身特性和喷嘴材料某些金属元素的催化作用使航空燃料在喷嘴内壁和喷嘴口端部产生积碳结焦。结焦积碳积累到一定程度就会使航空发动机的性能显著下降、燃油消耗增大、缩短发动机的使用寿命，甚至产生安全事故。随着航空飞行器飞行速度不断加快，发动机的热负荷越来越大，航空发动机喷嘴结焦逐渐成为广泛关注的问题之一。

 

     目前国内外抑制结焦的方法主要有：向燃料中添加抑制剂、改进喷嘴结构、采用新型材料和材料表面处理等。航空发动机喷嘴的结构复杂，其中大部分零部件采用GH605高温合金，该合金是由质量分数为20%的Cr 元素和质量分数为15%的W元素固溶强化处理形成的钴基高温合金，在815℃以下具有中等持久强度和蠕变强度，在1090℃下具有良好的抗氧化性能，还具有优良的成形性能和焊接性能等。高温条件下，合金表面易发生氧化，其表面状态发生改变。因此，有必要对喷嘴合金在高温下的氧化行为进行分析，并考察氧化后表面状态对后续结焦行为的影响。研究人员在不同温度下对GH605高温合金进行氧化试验，以RP-3航空煤油为原料研究了合金表面状态变化对结焦行为的影响，研究结果可为航空发动机的安全稳定运行提供理论支撑。

 

1、试验材料与试验方法

 

1.1 试验材料

 

     氧化试验和结焦试验所用的材料为航空发动机喷嘴常用材料GH605高温合金，其化学成分如表1所示，试验材料的化学成分满足GB/T 14992—2005 《高温合金和金属间化合物高温材料的分类和牌号》的要求。采用线切割方式将合金棒材切成尺寸（长度× 宽度×高度）为30mm×20mm×1mm 的试样，并依次用400，800，1 200 目（1目=25.4mm）的砂纸打磨，然后利用抛光机进行抛光处理，最后放入乙醇溶液中备用。

 

     试验所用RP-3航空煤油的外观清澈透明，无悬浮物，其物理性质和主要组分如表2所示。

 

 

 

1.2 试验方法

 

     氧化试验在马弗炉中进行，马弗炉恒温区尺寸（长度×宽度）为30cm×20cm。氧化温度分别设定为600，700，800，900，1000℃，保温时间为5h。升温和保温过程由马弗炉自动电控系统控制，升温速率设置为5℃/min，保温结束后所有试样均随炉冷却。在900℃恒温下对试样分别进行不同时间的氧化处理，氧化时间分别为2，4，6，8，10，12h，对GH605合金进行氧化动力学研究。

 

     航空煤油结焦试验装置如图1所示。采用的计量泵为平流泵，泵的压力为0~8MPa，流量为0~80mL/min，流量的控制精度为±1%。预热过程和加热过程采用管式炉加热。首先将试样放在自制的管式结焦反应器中，封闭反应器，并将试样放入管式炉石英管中央，按照图1所示连接管路元件。冷凝器选择板式换热器，采用水冷方式，通过控制后端背压阀调节结焦反应器内的压力。背压阀压力调节量程为0~10MPa。背压阀属于精密仪器，为防止结焦反应器中产生的焦炭颗粒进入背压阀，在背压阀前面增设一个过滤器。煤油经背压阀泄压后进入废料收集罐。

 

2、试验结果与讨论

 

2.1 GH605合金氧化动力学行为

 

     GH605高温合金试样在空气气氛中氧化，试样氧化的单位表面积增重曲线如图2所示。由图2(a)可知：在不同温度下氧化5h后，试样表面均有增重，且随着氧化温度的升高，试样的单位表面积增重明显增大，说明温度对氧化速率有较大的影响。由合金的氧化机制可知，合金表面一旦形成初始氧化层，后续氧化过程需要金属离子穿过氧化层向外或者氧离子穿过氧化膜向内才能持续进行。在较高温度下，金属离子和氧离子的活性较高，扩散反应速率加快。

 

     由图2(b) 可知：在整个氧化过程中，GH605合金的单位表面积增重呈抛物线趋势，符合Wagner 抛物线氧化理论；经过12h氧化后，试样的单位表面积增重逐渐趋于稳定，约为0.65mg/cm2。氧化开始时，试样表面金属粒子和氧气直接接触，大量金属粒子发生氧化反应，因此反应较快；当氧化层增大到一定厚度时，由于氧化膜的阻碍作用，金属粒子向外扩散难度加大，氧气向内扩散难度也加大，氧化速率逐渐变慢。

 

2.2 GH605合金微观分析

 

    在不同温度下氧化5h后，GH605 合金试样表面的SEM形貌和能谱分析结果如图3所示。由图3可知：试样表面均主要含有O、Co、Cr、W、Ni、Mn等元素，其中Au元素是由SEM分析时表面喷金引入的；当氧化温度为600℃时，试样表面氧化膜光滑平整，试样表面以Co、Cr、W和Ni等基体元素为主，各元素的含量与基体元素差异较小，说明试样表面氧化膜较薄；氧化温度升高到700℃时，试样表面开始出现鳞片状氧化物，氧化物逐渐堆积并具有一定的厚度，Co、W、Ni等基体元素的含量略有减小，O、Mn、Cr等元素的含量增大；当氧化温度为800℃时，试样表面鳞片状氧化物较少，氧化物长大聚集，呈较大的块状形貌，该温度下形成的氧化物更厚，Cr元素的质量分数为27.92%，而基体元素Co的质量分数下降为33.98%；当氧化温度为900℃时，试样表面被一层均匀致密的氧化层覆盖，试样表面Co元素质量分数降低为5.64%，Cr元素的质量分数为61.17%，Mn元素的质量分数增大到9.92%，而W元素和Ni元素的质量分数分别减小至0.70% 和0.66%。

 

 

     在不同温度下氧化5h后，GH605合金试样表面的X射线衍射（XRD）分析结果如图4所示。由图4可知：不同温度下得到氧化试样表面的物相组成不同，表面除了基体相外，氧化产物主要为CoO、Cr2O3、尖晶石结构的（Co，Ni，Mn）Cr2O4 等；当氧化温度为600℃时，合金试样表面氧化物较少，主要以基体相为主；氧化温度升高到700℃和800℃时，合金试样表面氧化物开始增多，主要含有Cr2O3 及少量的CoO和CoCr2O4，温度为700~800℃时，Co元素和Cr元素会与空气中的氧反应，生成CoO和Cr2O3，这两种氧化物逐渐积累，在最外层形成混合氧化层，高温下CoO 会和Cr2O3反应生成CoCr2O4尖晶石，而且随着氧化温度的升高，两种氧化物对应的衍射峰值越来越高，说明生成CoCr2O4尖晶石的反应增强；当氧化温度为900℃时，基体合金中其他相对含量较少的元素也会向外穿过CoO和Cr2O3混合氧化层，与空气接触，并被氧化为各自对应的氧化物，如MnO等，这些氧化物会和Cr2O3反应生成MnCr2O4尖晶石等。

 

2.3 合金氧化膜的结焦行为

 

     对不同温度下形成的氧化膜进行结焦行为研究，以RP-3航空煤油作为原料，在700℃、2MPa条件下进行结焦试验，试验高温反应时间分别为1h和5h。图5是氧化后的GH605合金试样结焦单位表面积增重结果。由图5可知：经过600~900℃空气氧化后，在相同的结焦时间条件下，氧化试样表面和空白试样的单位表面积增重相差较小，说明空气中氧化形成的氧化层对结焦积碳没有明显影响；当氧化温度较高时，尤其在900℃下形成的氧化层试样单位表面积增重略有下降，主要原因是在较高温度下氧化层较厚，并出现了一定量的稳定尖晶石氧化物。可以明确的是，虽然GH605合金表面生成了氧化膜，但航空煤油的结焦量并没有得到明显改善。

 

 

     图6是900℃氧化后GH605合金试样表面焦炭的SEM形貌。由图6可知：结焦1h后，焦炭主要由丝状和夹杂的颗粒状焦炭组成，这是典型的催化结焦；结焦5h后，试样表面形成了一层较厚的无定型颗粒状焦炭，此时结焦以非催化生焦为主。

 

 

     在高温空气条件下，GH605合金形成的氧化层表面主要含有Co、Cr元素的氧化物，虽然Ni元素的含量明显降低，被氧化膜所屏蔽，但是在高温下形成的氧化膜中仍含有较多的Co元素。在高温条件下，Co元素对航油烃类具有较强的脱氢催化生焦作用，表现为材料表面形成严重的丝状催化结焦。随着结焦时间的延长，具有催化作用的元素被覆盖，试样表面形成较厚的无定型颗粒状焦炭，结焦以非催化生焦为主。

 

3、结论

 

    （1）GH605高温合金在空气中的氧化动力学满足抛物线规律，随着氧化时间的延长，合金的氧化增重速率逐渐降低，具有较好的抗高温氧化性能。

 

    （2）GH605高温合金表面氧化层主要由Cr2O3和(Mn，Co，Ni)Cr2O4 尖晶石组成，随着氧化温度的升高，尖晶石氧化物逐渐增多，表面Ni、W 元素明显减少，但仍含有一定量的Co元素。

 

    （3）GH605高温合金氧化后煤油初生焦以典型的催化丝状焦为主，高温氧化表面的Co元素起到催化生焦的作用，合金表面氧化膜对航油的结焦行为没有明显抑制作用。

 

作者：刘京雷，张凯，鲍彬彬

 

单位：华东理工大学 承压系统安全科学教育部重点试验室 机械与动力工程学院

 

来源：《理化检验-物理分册》2024年第11期

 

来源：理化检验物理分册

关键词： 高温合金氧化试验