發(fā)布日期：2025-8-20 16:43:20
航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣包容試驗(yàn)是為了測(cè)試檢驗(yàn)機(jī)匣對(duì)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(shí)驗(yàn) [2], 證明了聚能切割爆炸分離航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片方法具有較強(qiáng)的可行性和可靠性｡陳剛對(duì)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(kāi)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(dòng)機(jī)葉片飛脫方法｡在采用爆炸分離的方法開(kāi)展機(jī)匣包容試驗(yàn)時(shí)，要求記錄轉(zhuǎn)子葉片在特定轉(zhuǎn)速和特定角度時(shí)斷裂飛脫的情況｡在使用高速攝像對(duì)葉片飛脫斷裂過(guò)程進(jìn)行拍攝時(shí)，爆炸分離瞬間產(chǎn)生的明亮鈦火會(huì)遮蔽視場(chǎng)，阻礙觀測(cè)記錄｡因此，必須盡量減少爆炸切斷轉(zhuǎn)子葉片過(guò)程中產(chǎn)生的鈦火｡
綜上所述，目前尚缺乏針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片聚能切割爆炸分離過(guò)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(jì)算聚能切割 TC4 鈦合金板過(guò)程中阻礙層的阻擋作用，并用 4 種材料開(kāi)展鈦火消弭實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證該方法的可行性｡以期解決聚能切割鈦合金葉片實(shí)驗(yàn)中鈦火影響高速攝像拍攝的問(wèn)題，同時(shí)為航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣包容試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中使用的聚能切割索的截面圖尺寸及實(shí)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(guò)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(guò)其燃點(diǎn)時(shí)，爭(zhēng)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(duì)鈦合金葉片進(jìn)行聚能切割爆炸分離時(shí)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(guò)程中鈦火的產(chǎn)生，主要?dú)w因于高溫爆轟產(chǎn)物對(duì)鈦合金表面的劇烈升溫作用｡因此，減少爆轟產(chǎn)物對(duì)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(diǎn)，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(shí)會(huì)減小裝藥的猛度｡經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)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(huì)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(duì)鈦合金表面的升溫作用｡阻礙層在極短時(shí)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(guò)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(guò)厚阻礙射流｡聚能切割時(shí)，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(guò)｡爆轟產(chǎn)物膨脹至阻礙層時(shí)，會(huì)破壞阻礙層后才與鈦合金接觸，阻礙層使爆轟產(chǎn)物短時(shí)間內(nèi)溫度大幅下降，并且阻礙層在短時(shí)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(jì)算
2.1 計(jì)算模型
在爆炸切割過(guò)程中，材料出現(xiàn)大變形量，屬于求解大變形問(wèn)題，更適宜用歐拉算法求解該過(guò)程 [11]｡為驗(yàn)證采用阻礙層方法消弭鈦火的可行性，模擬計(jì)算了射流和爆轟產(chǎn)物對(duì)阻礙層､鈦合金的作用的物理過(guò)程，以此分析阻礙層的作用機(jī)理｡計(jì)算模型中 TC4 鈦合金板的尺寸 10mm×10mm, 鈦合金板居中開(kāi)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(gè)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(duì)爆轟產(chǎn)物的阻擋作用，在構(gòu)建的模型中設(shè)置了兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，用于監(jiān)測(cè)聚能射流速度及爆轟產(chǎn)物膨脹速度隨時(shí)間的動(dòng)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(cè)點(diǎn)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(jì)算結(jié)果與分析
不同時(shí)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(kāi)始侵徹紫銅阻礙層，此時(shí)射流到達(dá)監(jiān)測(cè)點(diǎn) 1, 射流頭部速度約為 2780m/s｡爆轟產(chǎn)物在t=1μm時(shí)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(cè)點(diǎn) 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(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度｡在t=3μm時(shí)，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(cè)點(diǎn) 1, 此時(shí)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(shí)才有少量爆轟產(chǎn)物直接與鈦合金表面接觸｡這一過(guò)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(shí)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(duì)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(shí)，仍有部分紫銅貼附鈦合金板凹槽表面｡說(shuō)明紫銅層在爆炸切割過(guò)程中，有效阻礙了爆轟產(chǎn)物與鈦合金的接觸，可以降低對(duì)鈦合金表面的熱升溫作用，從而減少了鈦火的產(chǎn)生｡計(jì)算結(jié)果也可以驗(yàn)證采用阻礙層方法在聚能切割中消弭鈦火的可行性｡
3、實(shí)驗(yàn)
3.1 材料與儀器設(shè)備
實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)過(guò)程
在綜合考慮阻礙層材料的各項(xiàng)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(diǎn)，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(shí)驗(yàn)，分別為鋁箔､紫銅片､錫箔紙､鋁硅酸鹽涂層｡特別地，對(duì)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(shí)驗(yàn)｡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(zhǎng)超出凹槽，用阻礙層材料將聚能切割索與鈦合金板隔開(kāi)，裝配后的鈦合金板如圖 6 所示｡4 種實(shí)驗(yàn)材料排序編號(hào)為 #1~#4, 空白對(duì)照實(shí)驗(yàn)編號(hào)為 #0, 共 5 組實(shí)驗(yàn)如表 5 所示｡如此，便能夠系統(tǒng)地評(píng)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(hào)與厚度參數(shù) Table 5 Number and thickness parameters of different materials
| 編號(hào) Number | 材料 Material | 厚度 Thickness/mm |
| #0 | 空白對(duì)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(shí)驗(yàn)鈦合金板放置于密閉實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的平臺(tái)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(shí)驗(yàn)過(guò)程中的關(guān)鍵細(xì)節(jié)｡最后，按照 #0~#4 的順序依次實(shí)驗(yàn)并保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)｡
4、結(jié)果與討論
4.1 鈦火測(cè)定結(jié)果
將上述 5 組實(shí)驗(yàn)中拍攝的爆炸切割鈦合金過(guò)程中鈦火圖片進(jìn)行對(duì)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(huà)面的明亮程度，單位是坎德拉每平方米d.m-²或稱(chēng) mits｡對(duì)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(jì)算亮度時(shí)，可以直接讀取或修改這些灰度值 [14]｡
為對(duì)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(guò)程中鈦火圖片｡然后再對(duì)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(zhuān)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(jì)算矩陣計(jì)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(shí)驗(yàn)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(jiàn)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(shí)驗(yàn)圖像的亮度平均值 Table 6 The mean brightness images of treated titanium fire elimination experiments by MATLAB
| 編號(hào) Number | 材料 Material | 平均亮度 Average brightness/ (cd・m⁻²) | 消弭率 Elimination rate/% |
| #0 | 空白對(duì)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(lái)看，所選用的 4 種實(shí)驗(yàn)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(shuō)明了鋁硅酸鹽在鈦火消弭過(guò)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(guò)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(duì)較弱，其鈦火消弭率僅為 4.3%, 這反映出紫銅在鈦火消弭過(guò)程中阻燃性能相對(duì)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(shí)驗(yàn)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(guò)數(shù)值模擬分析，并結(jié)合鈦火消弭實(shí)驗(yàn)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(guò)程中阻礙層可以在短時(shí)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(diǎn)，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(shí)了在聚能切割鈦合金板材的過(guò)程中，采用阻礙層方法來(lái)消弭鈦火的可行性｡實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果的相互印證，提供了一種切實(shí)有效的技術(shù)手段，可以用來(lái)解決航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片聚能切割爆炸分離過(guò)程中鈦火遮蔽視場(chǎng)的問(wèn)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(guò)數(shù)值計(jì)算并實(shí)驗(yàn)測(cè)試了 4 種材料的鈦火消弭效果，開(kāi)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(duì)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(shí)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(dòng)機(jī)機(jī)匣包容試驗(yàn)中解決聚能切割分離葉片時(shí)鈦火干擾觀測(cè)問(wèn)題提供了技術(shù)途徑｡
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作者簡(jiǎn)介
韋眾 (2000-), 男，安徽阜陽(yáng)，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(jì)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）