铌基大型航天发动机喷管涂层制备

龙源期刊网铌基大型航天发动机喷管涂层制备作者：周小军赵刚于永祥来源：《科技创新导报》2011年第14期摘要：Nb521铌基合金在1600℃下的高温强度是C103合金的3倍左右,并且具有很好的旋压、焊接等加工性能,是最理想的旋压大型发动机喷管的铌基合金材料,旋压尺寸可达到Φ850×1300mm,喷管的涂层体系主要是硅系,制备工艺采用冷喷后两次高温熔烧,制备的涂层在1700℃下的静态抗氧化寿命可达到40h以上,在1800℃下的静态抗氧化寿命在8h左右,在1600℃至室温的热震性能可达到2000次以上,并且通过了地面以及高空试车。关键词:铌钨Nb521合金大型喷管高温抗氧化涂层静态热震中图分类号:TP2文献标识码:A文章编号:1674-098X(2011)05(b)-0078-021前言大型航天发动机喷管是载人飞船、登月探测卫星等航天器上使用的推力发动机上的关键部件,喷管材料主要有高温合金钢、钛合金、铌基合金以及钽合金和复合材料等,其中应用比较成功的有高温合金钢、钛合金等,但是随着航天技术的发展,需要耐更高温度的合金材料,目前,铌基合金发展比较迅速,继Nb752、C103合金之后,宁夏东方钽业股份有限公司开发出了新的铌基合金-Nb521合金,已经广泛应用在了新型号发动机和预研项目上。国际上在60、70年代研制出了多种铌合金,如C103、Cb752、WC3015、As－30、Su－31、X－110合金等,绝大多数都属于Nb－W－Mo－Zr合金系列。其中C103合金因其具有优良的成型性、可焊接性、易于涂层等特点,被成功的应用在“大力神”Ⅲ的过渡级发动机、“阿波罗”飞船舱发动机和“阿波罗”登月舱下降发动机上。俄罗斯研制的5BМЦ合金具有很好的高温性能,但是加工性以及焊接性较差,本公司研制的Nb521合金综合了铌基合金高温高强度以及可加工和焊接性,目前具有替代C103合金的趋势。几种常用典型铌合金高温性能如表1。2铌合金涂层在铌合金表面加制涂层是有效提高合金高温抗氧化耐腐蚀性能并最大程度保全合金力学性能的有效途径。在上世纪70年代初,美国研究了铌、钨、钼等合金的几十种涂层体系,其中最有代表性的涂层就有16种。进入80年代后,合金的使用领域得以扩展,涂层体系也在不断的完善和升级。目前铌合金表面高温抗氧化涂层主要有:铝化物涂层、硅化物涂层、耐热合金涂层以及贵金属涂层,其中硅化物涂层应用最为广泛。制备高温涂层的工艺方法也多种多样,但应用较多有三种,分别是:(1)料浆熔烧法;(2)气相化学沉积法;(3)电弧沉积法。具有代表性的C103合金涂层一直采用的是料浆烧结法,主要适用于1400℃以下温度范围。前苏联研制的5BMц合金是一种龙源期刊网合金的航空航天用高温材料,采用电弧沉积法制备涂层后可用于1600～1700℃的高温。几种典型的硅化物涂层如表1。大型喷管喷涂工艺:涂层制备工艺路线图(如图1）。3涂层工序3.1试验试片的制备①基材预处理基材预处理一般通过机械处理和化学处理的方法,使合金基体具备最优涂层条件:粘附性、平整均匀性、无机械缺陷性和消除内应力等。②切割板材(轧制终结厚度1mm)使用线切割机进行严格切片,可根据试验方案的不同对试样尺寸进行规范,本试验采用70mm×8mm×1mm试样规格。试片切制尺寸公差控制在±0.05mm范围内。③打磨抛光试样打磨抛光主要使用机械方法来消除或减少加工缺陷和痕迹,使试样棱部导成5～8°的圆弧角,目的是消除试样表面应力。④物化处理强碱洗—清水洗—无水乙醇洗＋M—丙酮洗—无水乙醇洗-有机盐清洗,对试样要进行两次去污处理,酸洗后,并进行乙醇溶液浸泡30min以上。将以上处理过的试片放置在无水乙醇中进行储存,以待备用。3.2喷管的物化处理由于喷管在加工尤其是在旋压过程中难免会发生应力不均、局部氧化,以及加工过程表面被杂质污染的情况,因此需要对喷管进行涂层前物化处理工作,常规的物化处理方法是酸洗,有时还需要对喷管进行退火。①酸洗对喷管进行以下酸洗流程:混合酸(硝酸、硫酸、氢氟酸按一定比例混合)洗→清水洗→无水乙醇洗,酸洗后,静置晾干,等待下一步处理。龙源期刊网②退火喷管退火主要是进行去应力退火和均匀化退火,退火工艺一般选择1350℃,保温60min,退火完毕后静置,等待下一步处理。3.3涂层上浆首先,将涂层粉料进行配置:①配料:按照涂层配方将各涂层粉料按一定配比进行称量、混料。②试剂调制:将活化剂、粘结剂按涂层配方中的比例进行添加。③研磨:将按各配比调制后的粉料在无机试剂中进行研磨,使其均匀化、合金化。④挂浆:采用喷涂的涂制方法进行涂层上浆。⑤烘干:将挂浆后的试样进行烘干,控制挂浆重量在范围内。3.4涂层熔烧应用高真空熔烧炉,采用料浆熔烧法进行涂层烧结。1250～1540℃,保温30～60min。4成果大型喷管的涂制,使用H2000-A型喷枪对喷管进行喷涂,喷涂气体选用氩气,涂层选用DT-9#涂层,料浆粒度要求在100μm以下,气流速度30L/h,喷枪喷幅50～150mm。喷涂要求喷枪运行平稳,每次喷涂幅面连接适当,喷枪与工件件距离适中,否则会发生粉料过量逸失或是产生流挂,喷涂后表面要求平整、颜色均匀,无堆积现象。在喷涂过程中需要使用测厚仪不断对涂层厚度进行测量,以避免涂层局部漏涂或涂层厚度不够。熟练的喷涂手法不但可以提高涂层的喷涂效率,同时有利于涂层厚度均匀性的控制。5结论(1)喷涂测量控制涂层厚度方案试验验证,工艺可行,方法科学合理,能够有效控制试片和喷管喉径涂层厚度;该试验为以后的喷管涂层制备奠定有力的试验基础。(2)喷管表面物化处理可有效改善涂层表面质量。处理后的涂层表面涂层平整、结合力强,色差以及留痕明显减少。龙源期刊网(3)制备的与Nb521合金相匹配的硅化物涂层,1700℃静态寿命50h;1800℃静态8h;1600℃至室温的热震寿命2000次;1600℃至液氮的热震寿命50次,首次将铌基合金涂层的使用寿命提高到1800℃,1600℃静态测试可达到100h。(4)大型喷管试车已经通过,客户对此给予了很高的评价,因而预示着Nb521合金及其涂层将逐渐被广泛应用到航天领域,并有可能替代C103合金的趋势。参考文献[1]屈乃琴.钽铌及其合金与应用[J].稀有金属与硬质合金,1998,02.[2]冯景苏.铌应用的新进展[J].稀有金属材料与工程,1994,23(3):7～12.[3]吴建生、叶长青、周建威、姜传海.铌及铌合金的氧化行为[J].机械工程材料,2003,12.[4]李争显.铌合金表面高温抗氧化涂层[J].稀有金属快报,2006,25(4),7.[5]赵群、于永泗.铌基合金的高温抗氧化性研究[J].材料导报,2003,02.[6]肖来荣、易丹青、殷磊、李洪武.铌及铌合金高温涂层研究进展[J].材料导报,2004,18(1).[7]姚明明、缑英俊、何业东.高温防护涂层研究进展[J].中国粉体技术,2005,3:33.[8]李美栓.金属的高温腐蚀[M].冶金工业出版社,2001.[9]谭昌瑶、王钩石.实用表面工程技术[M].新时代出版社,1998.[10]朱日彰、何业东.高温腐蚀及耐高温腐蚀材料[M].上海科学技术出版社,1995.