Введение

В настоящее время титановые сплавы благодаря их высоким удельным прочностным характеристикам и относительно высокой термостойкости находят широкое применение в промышленности для изготовления конструкций различного назначения. Однако периодически регистрируются случаи воспламенения титановых деталей, приводящие к развитию высокоинтенсивного (с высокой температурой горения) пожара, при котором основным окисляемым компонентом (топливом) является именно титан – происходит возникновение и развитие так называемого «титанового пожара». В связи с вышеизложенным представляет интерес проанализировать имеющиеся сведения по случаям возникновения титановых пожаров, горению образцов титана и его сплавов, оценить их пожарную опасность и определить наиболее перспективные методы испытаний, обеспечивающие возможность получения данных, позволяющих как сопоставлять различные составы между собой, так и оценивать пожаробезопасность деталей в предполагаемых условиях эксплуатации.

Работа выполнена в рамках реализации научного направления 2. «Фундаментально-ориентированные исследования, квалификация материалов и неразрушающий контроль» комплексной проблемы 2.2. «Квалификация и исследования материалов» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» [1–3]) и при поддержке ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

Анализ пожарно-технических характеристик титана

Основополагающие исследования по процессам окисления и горения титана выполнены во время его внедрения как конструкционного материала в аэрокосмическую технику, т. е. в 60–80 гг. XX в.

Титан имеет температуру плавления 1650–1800 °С, сравнительно низкую плотность (4,5 г/см³) и высокие удельные механические свойства [4–6], вследствие чего применяется в качестве конструкционного материала в авиационной и космической отраслях. В авиационной отрасли сплавы на основе титана находят широкое применение для изготовления элементов шасси, деталей двигателей, огнепреграждающих перегородок, внешней обшивки фюзеляжа, рулевых и несущих поверхностей крыла.

Однако титан также обладает высокой химической активностью – является пирофорным горючим, вследствие чего интенсивно реагирует как с различными традиционными (кислород, галогены) окислителями, так и с веществами и соединениями, обычно не рассматриваемыми в качестве окислителей, такими как угарный и углекислый газы, вода, сероводород, водород, азот и другие химические соединения, способные являться акцепторами электронов, в том числе газы и жидкости, традиционно используемые для тушения пожара (фреоны, хладоны) [7]. По удельной теплоте сгорания титан входит в первую пятерку металлов, выделяющих при окислении наибольшее количество тепла, таких как бериллий, литий, алюминий, магний и титан [8]. Вследствие большой теплоты сгорания титана (теплота образования TiO₂ (рутила) составляет 225,6 ккал/моль) и высокой скорости процесса, температура при горении титана на воздухе составляет >3000 °С, что превышает температуру водородно-кислородного пламени (2800 °С) [4, 9].

Первичный процесс окисления титана происходит уже при обычных (комнатных) условиях (температура окружающей среды 20 °С, давление 1 ат (0,1 МПа), концентрация кислорода в воздухе 21 %), однако дальнейшему активному окислению препятствует образование на поверхности материала плотной пленки из оксидов, препятствующей дальнейшему доступу кислорода. Быстрое образование большой площади чистой (ювенильной) поверхности (например, в случае разрушения образца или трения), особенно в условиях повышенных температур и атмосферного давления, приводит к высокоинтенсивному окислению и выделению большого количества тепла, обеспечивающего резкий рост температуры. Вследствие высоких температур резко возрастают скорости диффузии кислорода в окалине и из окалины к фронту реакции, а также непосредственно скорость самой реакции окисления.

Высокая температура плавления титана обусловила возможность его применения в теплонапряженных условиях – для изготовления деталей компрессора авиационных двигателей или обшивок внешнего контура сверхзвуковых самолетов и ракетной техники. Однако высокая реакционная способность титана изначально вызывала опасения по поводу его значительной пожарной опасности. Так, например, в начале 1960-х гг. в США действовала программа по созданию пассажирского сверхзвукового самолета SST (supersonic transport), предназначенного для полетов со скоростью до 2,7 Маха. Внешний корпус этого самолета планировалось выполнить целиком из титановых сплавов, но были опасения, что в случае авиационных происшествий, сопровождающихся возникновением пожара, может загореться титан, произойдет разрушение корпуса и выживание людей станет невозможным. Однако проведенные натурные огневые испытания отсека фюзеляжа показали, что даже в условиях высокоинтенсивного пожара от разлившегося углеводородного топлива возгорания титана не происходит, а во внутренних отсеках сохраняется температура, обеспечивающая выживание людей [10, 11].

После этих испытаний для защиты от пожара в пожароопасных зонах стали активно применять в качестве огнепреграждающих перегородок листы из титановых сплавов. Согласно AMC 25.1181 Designated fire zones [12], для изготовления огнепреграждающих перегородок (файерволов) используют листы из нержавеющей стали толщиной не менее 0,4 мм, стальные листы с антикоррозионным покрытием толщиной не менее 0,45 мм или листы из титановых сплавов толщиной не менее 0,45 мм.

Анализ авиационных происшествий с наличием титанового пожара

Для выяснения важности и актуальности данной проблемы и оценки необходимости постановки НИР по воспламеняемости титановых сплавов и титановым пожарам проведен поиск в открытой печати научно-технических литературных источников. Проанализированы также данные Авиационного регистра Международного авиационного комитета (АР МАК) за период с 1992 по 2024 г. и отдела пожарной безопасности Технического центра Федеральной авиационной администрации (TC FAA) США с 1960 по 2024 г.

По результатам выполненного АР МАК анализа авиационных происшествий и катастроф с гражданской авиационной техникой за период с 1992 по 2024 г. титановый пожар в причинах не указан. Однако возгорание титана вследствие разрушения лопаток компрессора авиационного двигателя или трения титана о бетонное покрытие при поломке шасси событие достаточно распространенное. Например, пожар самолета Fokker 100 вследствие поломки шасси, произошедший в Тегеране 19 марта 2019 г., или возгорание двигателя самолета Ту-204, летевшего по маршруту «Уфа – Сочи» 22 августа 2018 г., а также возгорание двигателя самолета Boing B-737 при аварийной посадке 1 сентября 2018 г. в аэропорту Сочи. В упомянутых случаях искрообразование и горение титана ‒ это скорее источники воспламенения, приводящие к горению углеводородного топлива, нежели к непосредственно титановому пожару. В Росавиации все же  считают, что причиной отказа двигателя Ту-204 во время полета стал титановый пожар [13]. Согласно той же публикации, титановый пожар в двигателе  стал причиной катастрофы самолета Ту-154 под Красноярском.

Анализ основных направлений зарубежных работ

по испытаниям титана на пожаробезопасность

В статье [14] проанализированы основные направления работ, выполняемых зарубежными исследователями, по повышению пожарной безопасности современной авиационной техники. Однако работы по испытаниям титановых сплавов среди них отсутствуют. Более чем из 1000 документов, находящихся в открытом доступе на сайте отдела пожарной безопасности Технического центра Федеральной авиационной администрации (TC FAA) США, всего только шесть документов связаны с одновременно встречающимися словами «титан» и «огонь». При этом четыре документа относятся к оценке эффективности титана в качестве огнепреграждающих перегородок и подтверждению способности сдерживать мощный внешний пожар от разлившегося топлива. Только два документа посвящены оценке воспламеняемости титана, используемого в компрессоре авиационных двигателей [9, 15].

В этих работах отмечается следующее: титановые пожары в двигателях явление чрезвычайно редкое, в двигателях гражданских самолетов эти пожары вообще не отмечены вследствие «мягкого» режима эксплуатации, в военных двигателях они случаются, как правило, вследствие напряженных режимов маневрирования. Рассматриваются аспекты причин возникновения титанового пожара, его характеристики и методы предупреждения. Воспламенение титана в двигателе (компрессоре) происходит, как правило, вследствие следующих причин:

‒ трение титановой лопатки об обечайку;

‒ попадание твердого предмета в компрессор, вызывающее местный перегрев вследствие трения.

Первая причина вызвана ошибками при конструировании двигателя ‒ малые зазоры, недостаточная жесткость обечайки, неудачная конструкция уплотнений.

Даже при наличии второй причины воспламенение происходит не всегда и определяется условиями теплоотвода ‒ скоростью воздушного потока, геометрической формой пера лопатки. При больших скоростях воздушного потока неконтролируемого горения не происходит, так как осуществляется охлаждение местного перегрева, а также сдув и распыление расплавленного металла.

Во время полета для тушения загоревшегося двигателя применяется его выключение, температура и давление воздуха снижаются, вследствие этого, как правило, происходит прекращение горения титана. Для тушения горящего титана можно применять воздушную среду с 60 % аргона. Использование углекислого газа или хладона (фреон) неэффективно, они могут только интенсифицировать горение. Однако в случае разрушения топливо- и маслопроводов и загорания горючих жидкостей применение хладонов необходимо для тушения углеводородного пожара в мотогондоле.

Неконтролируемое горение можно предотвратить путем грамотного конструирования (например, достаточно толстое перо лопатки обеспечивает необходимый теплоотвод) или применения специальных термостойких покрытий, предотвращающих воспламенение пера лопатки или обечайки при попадании капель раскаленного расплава. В этих условиях происходит самопроизвольное погасание воспламенившегося участка детали из титана.

Анализ отечественной и зарубежных нормативных баз, а также

иных научно-технических  литературных источников по методам
испытаний образцов из титановых сплавов на пожаробезопасность

Одно из направлений повышения безопасности авиационных двигателей ‒ применение сплавов с улучшенными характеристиками по пожаробезопасности. В НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ проводятся разработка и квалификация новых титановых сплавов [16–21], при этом необходимо проводить испытания по определению критических условий их воспламеняемости.

Проанализированы базы отечественных (ГОСТ и ГОСТ Р – система NORMA CS) и зарубежных стандартов (база Американского общества испытаний и материалов – ASTM, международных стандартов – ISO).

Проведенный анализ отечественных и зарубежных нормативных документов не выявил ни одного стандарта на метод оценки воспламеняемости титановых сплавов. В авиационной отрасли применяется большой комплекс методов для оценки пожаробезопасности материалов, в том числе магниевых сплавов [22]. Однако метод оценки пожарной безопасности титана в них отсутствует. В работе [23] выполнен анализ пожароопасных зон и приведены применяемые методы испытаний. В статье [24] представлена методика оценки огнестойкости огнезащитных перегородок из титана. Однако эти методы не позволяют оценивать воспламеняемость образцов из титановых сплавов.

Для оценки воспламеняемости титана и его сплавов отечественные и зарубежные исследователи применяли различные самостоятельно разработанные методики.

Так, в работе [5] для оценки пожаробезопасности титановых сплавов разработано несколько различных вариантов методик испытаний. Например, оценена способность сплавов воспламеняться при воздействии трения при различных температурах окружающей среды (рис. 1). Однако эти испытания отличаются от условий работы материалов в двигателях по атмосферному давлению воздуха или кислорода, форме образцов, условиям трения, поэтому можно получить не совсем корректные результаты.

Рис. 1. Схема испытательного оборудования для оценки воспламеняемости титановых сплавов под воздействием нагрева за счет трения [5]: 1 – клин; 2 – пластина; 3 – упор (ω ‒ скорость вращения; Р_пр ‒ усилие прижатия)

В работах [9, 15] использована специально сконструированная установка в виде трубы (рис. 2), в которую подается сжатый и нагретый до нужной температуры воздух, а образец испытываемой титановой лопатки поджигается при помощи различных устройств, в том числе капель расплава, а также электрической дугой или лазерным излучением. Отмечено, что при горении титана создается высокая температура (>3300 °C, т. е. выше, чем при электродуговой сварке) и высокоинтенсивный ультрафиолетовый поток (более чем в 5 раз интенсивнее, чем при горении магния). Высокие температуры и интенсивное УФ-излучение способны вывести из строя экспериментальное оборудование ‒ вызвать прогар корпуса испытательного стенда, возможен также выход из строя матрицы видеорегистрирующей аппаратуры.

Рис. 2. Схема испытательного оборудования, имитирующего условия работы титановой лопатки в компрессоре авиационного двигателя [9]

В работе, выполненной в Национальном бюро стандартов США (NBS, в настоящее время ‒ NIST), использован комплекс различных методик: по оценке окислительной способности, воспламеняемости, статическому и динамическому горению образцов из титановых сплавов при различных температурах, давлении, скорости воздушного потока и угле атаки [25]. На рис. 3 приведена схема испытательной установки для оценки воспламеняемости образцов титановых сплавов под действием лазерного излучения.

Рис. 3. Схема испытательного оборудования для исследования влияния химического состава титанового сплава на воспламеняемость при воздействии лазерного излучения [25]

Имеется ряд отечественных публикаций по исследованию горения порошков и пластин из титановых сплавов, например в работах [26–29]. Большой литературный научно-технический обзор отечественных и зарубежных исследований приведен в статье [30].

К сожалению, в большинстве случаев полученные результаты носят сравнительный характер и существенно меняются в зависимости от использованной методики испытания.

Установлено, что на условия воспламенения образцов титана влияет ряд факторов: химический состав сплава, температура плавления, размер и форма образцов, давление и содержание кислорода в атмосфере, условия обдува. В целом процесс воспламенения титана соответствует классической теории теплового взрыва – горение реализуется тогда, когда интенсивность выделения тепла превышает скорость теплоотвода. Но кроме тепловых условий воспламенения большое значение оказывают толщина и состояние оксидной или иной поверхностной (защитной) пленки.

В связи с этим эффективным способом предотвращения воспламенения титановых сплавов является наличие силикатного или иного защитного покрытия [31, 32].

Вторым по эффективности способом предотвращения воспламенения или обеспечения самостоятельного затухания элементов, выполненных из титановых сплавов, является использование такой формы образцов, чтобы обеспечивался интенсивный теплоотвод и минимальный контакт с раскаленным телом [9, 15].

Третий способ повышения пожаробезопасности изделий из титановых сплавов ‒ изменение химического состава титанового сплава, т. е. увеличение содержания алюминия, циркония, меди и др. легирующих элементов [25].

Заключения

Таким образом, на основании проведенного анализа можно сделать следующие выводы:

‒ пожары вследствие воспламенения титана в серийных двигателях крайне редко приводят к потере гражданской авиационной техники;

‒ проблемы воспламенения титановых деталей в компрессоре авиационного двигателя и неконтролируемого горения титана, приводящего к выходу из строя двигателя, обусловлены в первую очередь ошибками при конструировании двигателя, которые должны устраняться на этапах разработки и доводки конструкции. Дополнительно рекомендуется применять защитные покрытия, обеспечивающие наличие оксидной пленки на поверхности, предотвращающей диффузию металла к поверхности;

‒ непосредственно титан и титановые сплавы стойки к воздействию огня до температуры плавления (1650 °C) вследствие наличия на поверхности плотной пленки из рутила (диоксида титана). Поэтому титан и его сплавы широко применяются в качестве огнепреграждающих перегородок, работающих до температуры 1500 °C и предотвращающих распространение огня, например, от углеводородного пожара. Воспламенение титана и его сплавов происходит при значительном перегреве (близком или выше температуры плавления) и быстром удалении оксидной пленки – образовании ювенильной поверхности;

‒ отсутствует узаконенная нормативная база по проведению испытаний титановых сплавов на воспламеняемость;

‒ в случае принятия решения о необходимости создания отечественной испытательной базы для проведения огневых испытаний образцов из титановых сплавов, необходимо проведение проектных конструкторских работ по созданию стенда, на котором должны имитироваться реальные условия работы образцов. Для образцов из титановых сплавов, предназначенных для изготовления лопаток компрессора авиационного двигателя, ‒ это следующие условия: повышенные давление воздуха и скорость воздушного потока заданной температуры; возможность установки образцов под различными углами атаки и различной формы; специальная система видеорегистрации, устойчивая к УФ-излучению; система пожаротушения и предотвращения поджига близкорасположенных объектов.