C/C喉襯炭沉積形成機(jī)理及抑制方法研究①

徐開民，李 江，王 磊，陳 莎

(西北工業(yè)大學(xué)燃燒、熱結(jié)構(gòu)與內(nèi)流場重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710025)

0 引言

在發(fā)動機(jī)工作過程中，喉襯不僅承受高溫、高壓兩相流燃?xì)鈳淼臋C(jī)械沖刷和化學(xué)侵蝕，而且還承受強(qiáng)烈的力學(xué)沖擊、振動和熱應(yīng)力［1］。C/C復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐高溫、抗熱震、抗沖擊、可預(yù)示性能好等一系列特點(diǎn)，是理想的固體火箭發(fā)動機(jī)喉襯用材料［2－4］?；诤硪r的重要性，國內(nèi)外對喉襯燒蝕進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，其中某些研究已經(jīng)涉及到喉襯材料的微觀燒蝕形貌分析［5－6］。因此，獲得準(zhǔn)確的喉襯微觀燒蝕形貌，對于現(xiàn)在的燒蝕機(jī)理研究及材料的抗燒蝕性能分析都很重要。

前期對全尺寸發(fā)動機(jī)C/C喉襯展開微觀燒蝕形貌分析時，發(fā)現(xiàn)喉襯材料表面出現(xiàn)球狀沉積層。而基于燒蝕發(fā)動機(jī)開展的燒蝕機(jī)理研究中，實(shí)驗(yàn)后在對其噴管喉襯的微觀燒蝕形貌分析中也發(fā)現(xiàn)了同樣的球狀沉積層。由于喉襯表面整體被沉積層覆蓋，無法得到具體的微觀燒蝕形貌，阻礙了形貌的分析，進(jìn)而導(dǎo)致基于微觀形貌的燒蝕機(jī)理研究無法開展，得到的某些燒蝕規(guī)律無微觀形貌的證實(shí)與支持，在一定程度上阻礙了燒蝕機(jī)理的研究與分析。因此，需明確沉積層的形成機(jī)理以及提出抑制該沉積層的方法。為進(jìn)一步研究材料的燒蝕性能，本文針對多向編織C/C復(fù)合材料喉襯開展了燒蝕實(shí)驗(yàn)研究。

1 炭沉積現(xiàn)象及其形成機(jī)理

噴管喉襯選用密度為1.93～1.94 g/cm3的多向編制C/C復(fù)合材料。其預(yù)制體編織結(jié)構(gòu)為z向采用樹脂固化的纖維束炭棒，在 xy平面為0°、120°和240°方向都存在連續(xù)纖維。

1.1 沉積現(xiàn)象

圖1、圖2分別為全尺寸發(fā)動機(jī)與燒蝕發(fā)動機(jī)喉襯微觀燒蝕形貌，其中燒蝕發(fā)動機(jī)采用復(fù)合推進(jìn)劑，其實(shí)驗(yàn)工作平均壓強(qiáng)為7.12 MPa，流量為1.4 kg/s，噴管初始喉徑為18 mm。

全尺寸發(fā)動機(jī)喉襯表面經(jīng)電鏡照片分析觀察到部分纖維，其上附著球狀沉積層。燒蝕發(fā)動機(jī)通過電鏡照片分析觀察不到單根的炭纖維，喉襯表面整體呈現(xiàn)為球狀沉積層，且沉積層表面存在細(xì)微的裂紋。

圖1 全尺寸發(fā)動機(jī)喉襯燒蝕微觀形貌Fig.1 Morphology of throat-insert for full-size SRM

圖2 燒蝕發(fā)動機(jī)喉襯燒蝕微觀形貌Fig.2 Morphology of throat-insert for ablation SRM

1.2 炭沉積層形成機(jī)理分析

圖3沉積的層狀結(jié)構(gòu)表明沉積層是經(jīng)多次沉積而成的。通過能譜分析后發(fā)現(xiàn)，表面球狀沉積層主要以碳元素為主(見表1)，而不是由于推進(jìn)劑中鋁粒子燃燒而形成的Al2O3沉積。

圖4為某次實(shí)驗(yàn)中沉積層部分脫落的電鏡照片，觀察到沉積層下纖維相對于原始纖維，已不再是初始形貌的圓柱形，而呈現(xiàn)筍尖狀，纖維端頭不規(guī)則，纖維與基體之間的縫隙較大。纖維已出現(xiàn)了一定的燒蝕形貌，分析原因在沉積形成之前，纖維與燃?xì)饨佑|發(fā)生燒蝕，進(jìn)一步證明覆蓋于喉襯表面的沉積層形成于發(fā)動機(jī)工作末期。

圖3 C/C材料SEM(2 000×)Fig.3 SEM of C/C material

表1 組分元素Table 1 Components of deposition

圖4 炭沉積層片狀脫落Fig.4 Chip carbon deposition

根據(jù)文獻(xiàn)［7－8］，初步認(rèn)為此類球狀沉積層不是由材料本身的物理或化學(xué)變化產(chǎn)生的，也不是一次形成的，而是在發(fā)動機(jī)工作末期層層附著在材料表面上形成的。分析其原因，可能是發(fā)動機(jī)工作的燃?xì)庵泻锌蔁峤獾耐闊N類分子，這些熱解的烷烴類分子主要來自于推進(jìn)劑的包覆層和發(fā)動機(jī)絕熱層等的炭化，且此類烴烷類分子可在一定條件下分解形成碳。噴管工作末期氣流速度過慢，氣流溫度低于碳的升華溫度，喉襯較高的溫度易使這些烷烴類熱解的碳元素附著在材料表面形成炭沉積層。

發(fā)動機(jī)工作過程中，喉襯溫度可達(dá)到3 000 K左右，工作末期喉襯溫度與氣流速度逐漸降低，當(dāng)溫度和流速同時降低到滿足沉積條件的范圍時發(fā)生沉積。全尺寸發(fā)動機(jī)和燒蝕發(fā)動機(jī)喉襯直徑較大，工作結(jié)束后噴管降溫較慢，噴管處于沉積溫度范圍的時間較久，易形成沉積層。

2 炭沉積抑制實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

鑒于沉積層形成機(jī)理判斷，本文提出2套實(shí)驗(yàn)方案來研究炭沉積層形成機(jī)理及抑制沉積層的方法:

(1)采用固體火箭發(fā)動機(jī)，在其工作末期進(jìn)行氮?dú)鈬娮?shí)驗(yàn)。該方法不僅可驗(yàn)證沉積層形成機(jī)理，而且可驗(yàn)證氮?dú)鈬娮⑹欠褚种坪硪r炭沉積。

(2)大尺寸喉襯其喉徑較大，工作末期降溫較慢，處于沉積溫度范圍持續(xù)較長，以產(chǎn)生沉積。而小尺度喉襯降溫較快，處于沉積溫度范圍時間較短，有可能抑制沉積。選用小尺度喉襯進(jìn)行燒蝕實(shí)驗(yàn)。

2.2 末期噴注氮?dú)鈱?shí)驗(yàn)

2.2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

發(fā)動機(jī)工作末期噴注氮?dú)鈱?shí)驗(yàn)裝置分為供氣系統(tǒng)和發(fā)動機(jī)工作系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)，如圖5所示。

圖5 方案1實(shí)驗(yàn)裝置Fig.5 Experimental device of case 1

氮?dú)夤?yīng)系統(tǒng)主要有氮?dú)馄?、截止閥、過濾器、減壓閥、流量計和單向閥等組成。其工作原理是發(fā)動機(jī)工作前開啟氮?dú)馄?，管路中充滿氮?dú)猓c發(fā)動機(jī)工作接口處由于電磁閥關(guān)閉無氣流供入。當(dāng)控制系統(tǒng)得到信號激發(fā)，氣通過控制電磁閥開啟來供給氮?dú)狻?/p>

實(shí)驗(yàn)要求燒蝕發(fā)動機(jī)在工作末期開始后壓強(qiáng)下降到某一值時，在控制系統(tǒng)控制下，管路供氣系統(tǒng)從燒蝕發(fā)動機(jī)進(jìn)氣孔充入氮?dú)?，以隔離燃?xì)馀c喉襯的接觸，并提高燃?xì)饬魉?，從溫度和速度兩個方面來抑制碳沉積。

設(shè)定供氣持續(xù)時間為10 s，10 s后發(fā)動機(jī)已完全熄火。供氣系統(tǒng)與發(fā)動機(jī)工作系統(tǒng)使用四氟塞密封墊進(jìn)行密封，發(fā)動機(jī)側(cè)壁面供氣管路為碳酚醛。供氣系統(tǒng)噴注口定在距離噴管法蘭端面120 mm處，噴注角度水平。氮?dú)饬髁吭O(shè)定為0.2 kg/s。設(shè)定監(jiān)控壓強(qiáng)為5 MPa，考慮到延遲時間，設(shè)定壓強(qiáng)相應(yīng)增高。

2.2.2 噴管宏觀形貌分析

實(shí)驗(yàn)后噴管如圖6所示，發(fā)動機(jī)工作后噴管喉部呈現(xiàn)不規(guī)則輪廓，供氮?dú)獾囊粋?cè)相對于無氮?dú)獾囊粋?cè)，氣輪廓更顯圓整，表面相對較為粗糙，未出現(xiàn)明顯的沉積現(xiàn)象。

圖6 實(shí)驗(yàn)后噴管Fig.6 The nozzle after experiment

實(shí)驗(yàn)采用復(fù)合推進(jìn)劑，其平均工作壓強(qiáng)為11.82 MPa，發(fā)動機(jī)流量為0.42 kg/s，噴管初始喉徑為8.79 mm。發(fā)動機(jī)實(shí)驗(yàn)工作時間為9.45 s，線燒蝕率為0.049 mm/s。

高溫狀態(tài)下的噴管在噴入相對低溫的氮?dú)夂笪闯霈F(xiàn)裂紋和脫落，形貌變化不大，噴管完整。說明此C/C材料的驟冷效應(yīng)并不明顯，抗溫度驟變性能較強(qiáng)。

2.2.3 喉襯微觀形貌分析

根據(jù)文獻(xiàn)［9－10］的研究，位于纖維束和基體之間的界面首先被燒蝕掉，而基體炭的燒蝕速率大于纖維燒蝕速率，于是基體退移速度比纖維束快，隨著燒蝕的進(jìn)行，纖維邊緣的縫隙逐漸加深，纖維本身也逐漸凸現(xiàn)，最終出現(xiàn)露頭現(xiàn)象。而纖維根部和頭部的溫度、濃度差異，將造成纖維呈筍尖狀結(jié)構(gòu)。圖7為氮?dú)夤┙o后喉襯收斂段電鏡照片，材料表面無球狀層。

圖7 實(shí)驗(yàn)喉襯收斂段電鏡照片F(xiàn)ig.7 Electron micrograph of nozzle convergence

從圖7可看到，喉襯材料已有燒蝕，明顯看到纖維單絲呈現(xiàn)筍尖狀，而且整個纖維束結(jié)構(gòu)不平整，纖維束中的纖維單絲與纖維間基體也沒有保持在同一個平面上。以上種種現(xiàn)象說明，喉襯收斂段在發(fā)動機(jī)工作過程中受到高溫兩相流作用下，發(fā)生了燒蝕過程，并形成典型的微觀燒蝕形貌。

圖8為實(shí)驗(yàn)噴管喉襯炭纖維束，可看到纖維單絲為平頭結(jié)構(gòu)，并且纖維間散落著一些斷裂纖維。未出現(xiàn)筍尖狀單絲，分析原因?yàn)榈獨(dú)饨?jīng)過收斂段進(jìn)入喉襯后，速度劇增，燒尖的纖維單絲不能抵抗高速冷流氮?dú)獾募羟袘?yīng)力，尖頭斷裂，此種形貌以垂直于氣流方向的纖維束最為明顯。而收斂段的纖維單絲尖頭存在，是由于冷流氮?dú)獾乃俣容^低，已呈現(xiàn)尖頭的纖維單絲仍能抵抗氮?dú)獾募羟袘?yīng)力。該實(shí)驗(yàn)方法下，氮?dú)獾乃俣仁菦Q定C/C材料在高溫驟冷情況下微觀形貌的主要因素之一。

圖8 實(shí)驗(yàn)噴管喉襯電鏡照片F(xiàn)ig.8 Electron micrograph of nozzle throat-insert

前期研究中開展過噴管初始喉徑為14.76 mm的氮?dú)夤┙o實(shí)驗(yàn)，其平均工作壓強(qiáng)為10.39 MPa，發(fā)動機(jī)實(shí)驗(yàn)工作時間為11.81 s，線燒蝕率為0.076 mm/s。通過對電鏡照片的分析證明，發(fā)動機(jī)工作末期注入氮?dú)饪珊芎玫匾种瞥练e的形成。

結(jié)合前期的研究以及通過對電鏡照片比較分析發(fā)現(xiàn)，噴管材料表面已無碳層沉積，由于發(fā)動機(jī)工作末期氮?dú)鈬娙耄偈刮矚庖暂^高速度排出，致使本應(yīng)沉積的碳元素都被排出了發(fā)動機(jī)，減少其在噴管喉襯的停留時間。相對噴管溫度較低的氮?dú)庠谝欢ǔ潭壬弦步档土藝姽鼙诿鏈囟龋种屏颂砍练e層的出現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)證明了炭沉積是可去除的，氮?dú)庠谝欢ǔ潭壬弦种屏顺练e的形成。

氮?dú)鈬娮?shí)驗(yàn)裝置中，氮?dú)鈱硪r壁面的保護(hù)完成于發(fā)動機(jī)工作末期，通過微觀形貌的分析發(fā)現(xiàn)，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下的喉襯表面無沉積層，在一定程度上證明了之前對炭層沉積機(jī)理的假設(shè):噴管喉襯表面的沉積層是在發(fā)動機(jī)工作末期由于烷烴類熱解形成的。

氮?dú)鈬娮⒑蠛腿細(xì)饣旌吓懦?，氮?dú)鈺档秃硪r處的燃?xì)鉁囟?，加速喉部處的燃?xì)馑俣取囟认陆岛髸篃峄瘜W(xué)燒蝕減緩，所以喉部的燒蝕率會降低。但是喉襯驟然冷卻，熱應(yīng)力和剪切力使喉襯表面露頭的纖維被破壞，從而再次改變材料的形貌。

2.3 小喉徑燒蝕實(shí)驗(yàn)

小喉徑燒蝕實(shí)驗(yàn)裝置分為發(fā)動機(jī)工作系統(tǒng)及控制系統(tǒng)，圖9展示了燒蝕發(fā)動機(jī)。

圖9 方案2實(shí)驗(yàn)裝置Fig.9 Experimental device of case 2

實(shí)驗(yàn)裝置相對工作末期噴注氮?dú)獾膶?shí)驗(yàn)裝置較為簡單，只有控制采集系統(tǒng)與燒蝕發(fā)動機(jī)，其中燒蝕發(fā)動機(jī)主要由前封頭、燃燒室、后封頭以及噴管構(gòu)成。

2.4 噴管宏觀形貌分析

實(shí)驗(yàn)后噴管如圖10所示，喉襯表面較為圓整，喉部無明顯的Al2O3沉積現(xiàn)象出現(xiàn)。

圖10 實(shí)驗(yàn)后噴管Fig.10 Nozzle after tested

實(shí)驗(yàn)采用復(fù)合推進(jìn)劑，其平均工作壓強(qiáng)為9.00 MPa，發(fā)動機(jī)流量為0.50 kg/s，噴管初始喉徑為 9.17 mm。

圖11為小喉徑喉襯收斂段電鏡照片，材料表面無球狀沉積層。噴管材料呈現(xiàn)燒蝕形貌，整個纖維束結(jié)構(gòu)不平整，纖維束中的纖維單絲與纖維間基體沒有保持在同一個平面上，可觀察到纖維單絲部分呈現(xiàn)尖頭結(jié)構(gòu)。以上現(xiàn)象說明，喉襯收斂段在發(fā)動機(jī)工作過程中發(fā)生了燒蝕過程，并形成了典型的微觀燒蝕形貌。

圖12為實(shí)驗(yàn)噴管喉部炭纖維束，可看到纖維單絲為尖頭結(jié)構(gòu)。對比喉部與收斂段微觀形貌，喉部纖維尖角更為明顯。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，小喉徑噴管燒蝕實(shí)驗(yàn)后，喉襯不存在炭沉積。主要原因是小喉徑噴管降溫快，喉襯處于沉積溫度范圍內(nèi)的時間較短，在一定程度上抑制了因烴類和烷類熱解產(chǎn)生沉積層的問題。

圖11 實(shí)驗(yàn)收斂段電鏡照片F(xiàn)ig.11 Electron micrograph of nozzle convergence

圖12 實(shí)驗(yàn)喉部電鏡照片F(xiàn)ig.12 Electron micrograph of nozzle throat-insert

3 結(jié)論

(1)燒蝕發(fā)動機(jī)氮?dú)鈬娮?shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，該方法可去除喉襯炭沉積層，并驗(yàn)證了沉積層是由氧化性燃?xì)庵械臒N類和烷類在發(fā)動機(jī)工作末期因溫度和流速下降而分解形成的沉積機(jī)理。

(2)供氣起到了抑止沉積的效應(yīng)，但是驟然冷卻，熱應(yīng)力和剪切力使表面露頭的纖維被破壞。該方法有待進(jìn)一步完善。在后續(xù)的研究工作中，應(yīng)減小氮?dú)獾牧髁?，避免氮?dú)鈱Σ牧媳砻嬖斐傻奈⒂^形貌破壞。

(3)由于小尺寸噴管喉襯降溫較快，處于沉積溫度范圍時間較短，減小喉徑可很好地抑制沉積。為了避免沉積，可選擇小尺度噴管發(fā)動機(jī)進(jìn)行微觀燒蝕形貌的研究。

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