高濃度粒子沖刷條件下多向編織C/C材料燒蝕研究①

陳 莎，李 江，劉 洋，王 磊

(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 710072)

0 引言

添加Al、B、Mg等金屬燃燒劑有助于復(fù)合推進(jìn)劑能量的增加，提高固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)性能，但在燃燒產(chǎn)物中也帶來了固態(tài)或液態(tài)的凝聚相產(chǎn)物，嚴(yán)重?zé)g發(fā)動(dòng)機(jī)的熱防護(hù)材料。高溫、高速的顆粒不僅與噴管內(nèi)壁面發(fā)生機(jī)械撞擊，而且由其造成的傳熱、熱輻射在一定程度上加劇了噴管的熱化學(xué)燒蝕，最終使噴管喉徑增大，顯著降低發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致噴管結(jié)構(gòu)破壞。目前，發(fā)動(dòng)機(jī)噴管喉襯通常采用一種炭纖維增強(qiáng)炭基體的復(fù)合材料——多向編制 C/C復(fù)合材料［1－2］，其密度為 1.93 ～1.94 g/cm3，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平面的0°、120°和240°方向交叉編織連續(xù)纖維，具有強(qiáng)度高、抗熱沖擊性能好、耐燒蝕性好、耐含固體微粒燃?xì)獾臎_刷、熱膨脹系數(shù)小、熱導(dǎo)率較低等一系列的優(yōu)異性能。C/C材料的各向異性結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使其燒蝕規(guī)律非常復(fù)雜，異于其他喉襯材料。

鑒于喉襯燒蝕問題研究的重要性和復(fù)雜性，以及多向編織C/C材料結(jié)構(gòu)的特殊性，國內(nèi)外都十分重視兩相流燒蝕機(jī)理的研究，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［3－5］。因此，開展多向編織C/C材料粒子侵蝕研究，建立工程預(yù)示方法，對(duì)于揭示燒蝕機(jī)理及建立燒蝕計(jì)算模型都具有重要的意義。

本文在對(duì)前期燒蝕實(shí)驗(yàn)研究［6］總結(jié)后發(fā)現(xiàn)，在小喉徑條件下，粒子無明顯的機(jī)械破壞效應(yīng)。因此，為研究粒子侵蝕對(duì)材料的機(jī)械破壞作用，設(shè)計(jì)了高濃度粒子侵蝕發(fā)動(dòng)機(jī)［7］，用來模擬粒子的撞擊模式，研究C/C材料的抗粒子侵蝕特性。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 前期工作

對(duì)全尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)微觀燒蝕形貌展開分析，選用不同位置處具有代表性的燒蝕形貌(圖1)。

圖1 全尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)噴管微觀燒蝕形貌Fig.1 Microcosmic erosion topography of nozzle of full-scaled motor

噴管潛入段部分纖維縱橫交錯(cuò)，部分纖維頂端呈現(xiàn)明顯的斷裂形貌，纖維之間也沒有呈現(xiàn)層狀的分層結(jié)構(gòu)。噴管喉部和擴(kuò)張段纖維整體走向較為平整及規(guī)律，纖維失去周圍基體的支持而呈現(xiàn)的筍尖狀的燒蝕形貌。通過對(duì)全尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)噴管微觀燒蝕形貌分析，說明粒子對(duì)噴管潛入段的侵蝕程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于噴管喉部和擴(kuò)張段。

為模擬全尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)的燒蝕環(huán)境，設(shè)計(jì)燒蝕發(fā)動(dòng)機(jī)開展噴管喉襯燒蝕實(shí)驗(yàn)。噴管收斂段、喉部的照片見圖2?？煽吹绞諗慷魏秃聿炕w退移不明顯，與纖維底部結(jié)合較好，基體與纖維之間界面不連續(xù)，纖維高于基體而呈現(xiàn)筍尖狀結(jié)構(gòu)，纖維整體走向較好。

圖2 燒蝕發(fā)動(dòng)機(jī)噴管微觀燒蝕形貌Fig.2 Microcosmic erosion topography of nozzle of erosion motor

前期采用燒蝕發(fā)動(dòng)機(jī)開展實(shí)驗(yàn)后得到的噴管收斂段、喉部的微觀燒蝕形貌中無全尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)潛入段粒子侵蝕下相似的形貌出現(xiàn)，且僅僅通過改變實(shí)驗(yàn)工況不能滿足模擬潛入段需要的高濃度、高速度粒子沖擊狀態(tài)，因此需要重新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置，提高粒子撞擊濃度，使得凝相粒子對(duì)C/C喉襯材料的沖刷更劇烈。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

本文采用一種粒子濃度、速度和角度可調(diào)的高濃度粒子侵蝕發(fā)動(dòng)機(jī)［8］(圖3)模擬粒子對(duì)C/C材料的侵蝕。高濃度發(fā)動(dòng)機(jī)通過收斂-轉(zhuǎn)折裝置來模擬顆粒的沖刷，其原理是:兩相燃?xì)鈴娜細(xì)獍l(fā)生器流出，經(jīng)過調(diào)節(jié)環(huán)，顆粒向中心匯聚(通過更換不同直徑的調(diào)節(jié)環(huán)和調(diào)整轉(zhuǎn)折角度來模擬不同濃度、速度和角度的沖刷狀態(tài))，聚集后的高濃度顆粒流以一定的速度、濃度和角度沖刷C/C材料試件，以此來模擬粒子侵蝕對(duì)材料燒蝕的影響。

圖3 高濃度粒子侵蝕發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Diagram of high concentration particals erosion motor

1.3 粒子侵蝕實(shí)驗(yàn)

對(duì)于沖刷條件下的C/C喉襯材料燒蝕，除常規(guī)的壓強(qiáng)、流量、溫度和燃?xì)饨M分外，顆粒粒度、聚集濃度、沖刷速度和沖刷角度等都可能是燒蝕的影響因素。由前期的粒子侵蝕實(shí)驗(yàn)可知濃度和速度是燒蝕的關(guān)鍵影響參數(shù)，因此本文重點(diǎn)研究分析顆粒濃度和沖刷速度對(duì)喉襯燒蝕的影響。

數(shù)值模擬得到全尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)潛入段的粒子撞擊角度為45°～75°，速度為 150 ～550 m/s，濃度為 0.65 ～30 kg/m3，因此固定轉(zhuǎn)折段的角度為45°。綜合考慮濃度和速度大小，設(shè)計(jì)了直徑為35、22.5 mm的2種調(diào)節(jié)環(huán)。針對(duì)2種工況開展了三維兩相流的數(shù)值模擬，確定實(shí)驗(yàn)狀態(tài)參數(shù)。兩相流模型采用顆粒軌道法，氣相控制方程采用三維雷諾平均的N-S方程，對(duì)流項(xiàng)離散采用二階迎風(fēng)格式，粘性項(xiàng)離散采用中心差分，湍流模型選用k-ε模型。粒子與壁面的碰撞認(rèn)為是恢復(fù)系數(shù)為0.8的彈性碰撞。計(jì)算結(jié)果見表1。實(shí)驗(yàn)采用的推進(jìn)劑為復(fù)合推進(jìn)劑(含鋁17%)，燃燒溫度3 314 K，設(shè)計(jì)工作壓強(qiáng)為7 MPa。

表1 粒子侵蝕實(shí)驗(yàn)狀態(tài)參數(shù)Table 1 Parameters of partical erosion tests

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 材料燒蝕率對(duì)比分析

前期使用燒蝕發(fā)動(dòng)機(jī)測得C/C材料燒蝕率為0.012 mm/s左右。本文侵蝕實(shí)驗(yàn)的結(jié)果見表2?？梢?，本文燒蝕率遠(yuǎn)大于前期燒蝕實(shí)驗(yàn)，說明高濃度粒子侵蝕發(fā)動(dòng)機(jī)的粒子侵蝕作用更明顯。

表2 粒子侵蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of partical erosion tests

進(jìn)一步分析實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2線燒蝕率可知，燒蝕率隨顆粒速度和顆粒濃度的增加而增大。圖4是實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2結(jié)束后的C/C試件，從圖4可清楚看到試件中部被沖刷出一個(gè)凹坑，并且實(shí)驗(yàn)2的凹坑明顯大于實(shí)驗(yàn)1，且實(shí)驗(yàn)1軸棒纖維上附著有球狀A(yù)l2O3，分析是由于軸棒頭部粗糙度大，導(dǎo)致Al2O3易附著。而實(shí)驗(yàn)2軸棒纖維上沒有球狀A(yù)l2O3，分析是由于氣流速度高，Al2O3隨氣流一起排出，或先附著而后又被高速的氣流剝除而帶走。

圖4 粒子侵蝕后C/C試件Fig.4 Test pieces of C/C material after particals erosion in two tests

2.2 微觀形貌對(duì)比分析

粒子侵蝕主要包含了兩方面的效應(yīng):顆粒侵蝕熱效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)。熱效應(yīng)指顆粒碰撞過程中，顆粒動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能及由于接觸熱傳導(dǎo)造成的表面熱流密度增大;機(jī)械效應(yīng)指顆粒侵蝕造成炭化層的磨損、剝落等破壞過程。

圖5為實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2粒子撞擊區(qū)域徑向纖維電鏡照片，徑向纖維形貌基本一致?；w燒蝕退移，纖維單絲露出，高低縱橫交錯(cuò)，頂端沒有呈現(xiàn)筍尖狀的燒蝕形貌，纖維之間也沒有呈現(xiàn)層狀的分層結(jié)構(gòu)，并且部分纖維頂端呈現(xiàn)明顯的斷裂形貌，纖維束部分區(qū)域出現(xiàn)孔和開槽，基體片狀或塊脫落，表面侵蝕嚴(yán)重，整體形貌不再連續(xù)一致，與燒蝕實(shí)驗(yàn)形成的熱化學(xué)燒蝕形貌截然不同，與圖1全尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)潛入段形貌類似，纖維頂端均有明顯斷裂，認(rèn)為此形貌是由粒子撞擊造成。證明高濃度粒子侵蝕發(fā)動(dòng)機(jī)可以模擬劇烈的粒子侵蝕作用，并可以用來預(yù)示全尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)潛入段的燒蝕環(huán)境。

圖5 粒子侵蝕區(qū)域徑向纖維Fig.5 Radial fibre of partical erosion position

針對(duì)粒子侵蝕實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2，又做了如下侵蝕區(qū)域軸棒電鏡分析(如圖6)。可見，實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2的軸棒表面均有氧化鋁和炭沉積，并出現(xiàn)大小不同的凹坑，形成大量微觀孔穴，炭纖維束間均存在大量界面。

燒蝕過程分析如下:材料界面先經(jīng)歷熱化學(xué)燒蝕，基體退移單絲燒尖露出，暴露出來的新鮮表面則進(jìn)一步發(fā)生氧化燒蝕和剝蝕;接著固態(tài)或液態(tài)Al2O3粒子開始撞擊材料表面，在粒子撞擊作用下單絲受到?jīng)_擊破壞，當(dāng)達(dá)到材料應(yīng)力極限時(shí)，單絲斷裂，隨氣流吹出。由于單絲脆性大，強(qiáng)度大，出現(xiàn)了整段斷裂的形貌，基體脆性相對(duì)于單絲較低，塑性變形強(qiáng)，未出現(xiàn)整片脫落的現(xiàn)象，故出現(xiàn)基體高于單絲的微觀孔穴形貌，這些孔穴就是纖維單絲斷裂后空出的位置。該區(qū)域粒子的機(jī)械破壞作用比熱化學(xué)要?jiǎng)×?，粒子侵蝕占主導(dǎo)，造成的質(zhì)量破壞也更加嚴(yán)重。

圖6 侵蝕區(qū)域軸棒Fig.6 Shaft rod of partical erosion position

由于粒子侵蝕實(shí)驗(yàn)狀態(tài)參數(shù)不同，導(dǎo)致不同的燒蝕結(jié)果，如圖7所示。

圖7 侵蝕區(qū)域形貌對(duì)比Fig.7 Topography contrast of erosion position

實(shí)驗(yàn)1粒子侵蝕部位呈現(xiàn)的凹坑內(nèi)部存在大量坑洞和溝槽，侵蝕區(qū)域的軸棒明顯凸出，高于徑向纖維，這是氧化燒蝕與機(jī)械侵蝕共同作用的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)2侵蝕坑較深，侵蝕區(qū)域出現(xiàn)明顯環(huán)狀形貌，但軸棒并未明顯高出周圍徑向纖維，分析認(rèn)為高速度和高濃度的粒子攜帶了巨大的能量和動(dòng)量撞擊到軸棒表面，加劇了軸棒的熱化學(xué)燒蝕，部分突出的軸棒被甚至被高速的氣流吹斷并帶走。不同的形貌也證明了高速、高濃度粒子會(huì)導(dǎo)致粒子侵蝕加劇。

3 結(jié)論

(1)高濃度粒子侵蝕發(fā)動(dòng)機(jī)可用于研究粒子侵蝕對(duì)C/C材料的侵蝕影響，并預(yù)示全尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)潛入段的燒蝕環(huán)境。

(2)粒子侵蝕實(shí)驗(yàn)后的C/C材料形貌特征如下:徑向纖維高低縱橫交錯(cuò)，部分纖維頂端呈現(xiàn)明顯的斷裂形貌，纖維束部分區(qū)域出現(xiàn)孔和開槽，整體形貌不再連續(xù)一致;軸棒表面出現(xiàn)大小不同的凹坑，形成了基體高于單絲的微觀孔穴。此粒子侵蝕的形貌和熱化學(xué)燒蝕形貌截然不同。

(3)在高濃度粒子侵蝕條件下，顆粒速度和濃度是影響C/C材料燒蝕的重要因素;速度越高、濃度越大，導(dǎo)致粒子侵蝕更加嚴(yán)重。

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