丁羥三組元固體推進(jìn)劑燃燒工況下氧化鋯熱障涂層燒蝕與隔熱性能分析

趙 昆 劉 沛 王立武 林志遠(yuǎn)

（西安航天動力技術(shù)研究所 西安 710025）

0 引言

氧化鋯熱障涂層是采用耐高溫、高隔熱的陶瓷材料以涂層的方式與高溫合金基體相復(fù)合，降低合金表面工作溫度，提高合金抗高溫氧化腐蝕性能的表面熱防護(hù)技術(shù)，在航空、航天、船舶、能源、兵器等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。氧化鋯熱障涂層的原理為利用氧化鋯的低熱導(dǎo)率，實現(xiàn)對高溫部件的隔熱防護(hù)。氧化鋯熱障涂層一般包括粘接層和氧化鋯面層。粘接層的主要作用是調(diào)整氧化鋯面層與金屬基體的線脹系數(shù)差異，并提升氧化鋯與金屬基體的粘接能力。常用的粘接層材料為鎳（鈷）鉻鋁釔合金或鉬，粘接層厚度通常為0.1 mm；氧化鋯面層有：普通微米氧化鋯團(tuán)聚粉、納米氧化鋯團(tuán)聚粉、納米氧化鋯空心粉及稀土氧化鋯，面層的厚度一般不超過 0.5 mm［1］。

目前氧化鋯涂層已在飛行器的外防熱及各類液體發(fā)動機(jī)（航空發(fā)動機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)及液體火箭發(fā)動機(jī)）高溫部件（如航空發(fā)動機(jī)燃燒室、渦輪葉片，航天液體發(fā)動機(jī)的防護(hù)罩、噴管）上得到了較為廣泛的應(yīng)用［2－4］，但在航天固體火箭發(fā)動機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用很少。

針對飛行器的外防熱及各類液體發(fā)動機(jī)高溫部件，熱障涂層工作時的環(huán)境介質(zhì)主要為高溫燃?xì)?，只研究涂層的隔熱性能及界面的粘接性能就能夠滿足工程應(yīng)用。如果將固體推進(jìn)劑燃燒產(chǎn)物作為熱障涂層的環(huán)境工質(zhì)，不僅需要研究涂層的隔熱性能和界面粘結(jié)性能，還需研究涂層在高溫、高壓燃?xì)饧案咚倭Ｗ幼饔孟驴垢邷亍⒖沽Ｗ記_刷和撞擊的能力，即燒蝕性能。本文針對丁羥三組元固體火箭推進(jìn)劑的特點，通過合理設(shè)計正交試驗，開展了固體推進(jìn)劑燃?xì)夤r下幾種不同工藝氧化鋯涂層的燒蝕、隔熱性能研究工作，以期拓展熱障涂層在固體火箭發(fā)動機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 試驗

1.1 試驗方案

在某小型固體火箭發(fā)動機(jī)噴管出口加裝氧化鋯涂層試件，利用固體發(fā)動機(jī)工作產(chǎn)生的燃?xì)鉀_刷氧化鋯涂層試片，以模擬固體火箭發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的高溫燃?xì)鈱ρ趸喭繉拥臒g。參加試驗的固體火箭發(fā)動機(jī)均為同鍋裝藥，推進(jìn)劑性能一致。參試的發(fā)動機(jī)主要參數(shù)如下：發(fā)動機(jī)工作時間0.9 ms，推進(jìn)劑為丁羥三組元復(fù)合推進(jìn)劑，其鋁粉含量為18wt%，燃燒室平均壓強(qiáng)為 13.4 MPa（20℃），流量為 1.68 kg／s（20℃）。

試驗方案示意圖見圖1所示，兩個半圓柱形試件通過專用工裝被固定在固體火箭發(fā)動機(jī)噴管出口部位，利用發(fā)動機(jī)工作時產(chǎn)生的燃?xì)膺M(jìn)行燒蝕試驗。

圖1 試驗方案示意圖Fig.1 Schematic diagram of the test plan

通過設(shè)計不同種類試件進(jìn)行對比試驗。采用燒蝕厚度表征燒蝕性能以期揭示不同狀態(tài)氧化鋯涂層的燒蝕規(guī)律。

1.2 試樣制備

1.2.1 試樣材料

根據(jù)參試固體發(fā)動機(jī)的相關(guān)接口，設(shè)計的試件見圖2。試件選用45＃鋼作為基體材料。涂層粘接層分別選用鎳（鈷）鉻鋁釔合金和鉬；涂層面層選用兩種不同工藝的材料：納米氧化鋯團(tuán)聚粉、納米氧化鋯空心粉，其成分包含92wt%的氧化鋯和8wt%的氧化釔［5］。

圖2 試件尺寸圖Fig.2 Specimen size

1.2.2 試樣加工

根據(jù)設(shè)計圖紙加工厚度分別為2.5、4.5 mm的基體試件。對試件進(jìn)行清理后噴砂處理，采用瑞士Sul?zer Metco公司9M等離子噴涂系統(tǒng)噴涂氧化鋯涂層。粘接層分別采用鎳（鈷）鉻鋁釔合金（標(biāo)記為A1）和鉬（標(biāo)記為A2），面層依次使用納米氧化鋯團(tuán)聚粉（標(biāo)記為B1）和納米氧化鋯空心粉末（標(biāo)記為B2）。涂層面層厚度分別為0.25、0.5 mm。根據(jù)正交試驗設(shè)計的具體試件狀態(tài)見表1。

表1 試件狀態(tài)Tab.1 Specimen status

1.3 試驗設(shè)備

試件制備采用瑞士Sulzer Metco公司9M等離子噴涂系統(tǒng)進(jìn)行氧化鋯涂層噴涂，功率40 kW，槍距調(diào)整至 80 mm、預(yù)熱溫度為 200℃、送粉量 40 g／min［6］。

2 結(jié)果與分析

2.1 氧化鋯涂層燒蝕性能

圖3 熱吹試驗前后狀態(tài)Fig.3 Before and after the test state

根據(jù)試驗方案，本試驗共完成8個不同種類的試件熱吹燒蝕試驗。熱吹試驗前后狀態(tài)見圖3。部分試件熱吹試驗后的狀態(tài)見圖4。通過對所有試件試驗前后厚度的測量，計算出的試件燒蝕量見表2。

圖4 部分試件熱吹試驗后狀態(tài)Fig.4 States of part of the specimens after the test

表2 基體厚度、粘接層種類、涂層種類及涂層厚度影響因素的正交燒蝕試驗結(jié)果Tab.2 Orthogonal ablation test results with matrixthickness， adhesive－layer type， surface－layer type and surface－layer thickness factors

試驗結(jié)果表明，影響氧化鋯涂層燒蝕量的因素主次順序依次為涂層厚度、粘接層種類、涂層種類、基體厚度。涂層厚度是影響燒蝕量的主因，涂層厚度越厚，其燒蝕量越大。首先說明氧化鋯涂層抗燃?xì)庵蠥l2O3固體粒子沖刷的能力較弱，厚度越厚，被沖刷燒蝕掉的越多；其次，氧化鋯涂層厚度越厚，涂層與基體的附著力越差，就越容易被沖刷燒蝕掉。由于粘接層的熔點高達(dá)1 350℃以上，而基體厚度引起比熱容的變化較小，對粘接層附近的溫度影響不在一個數(shù)量級上，因此基體厚度對氧化鋯燒蝕量幾乎無影響。粘接層種類與氧化鋯涂層燒蝕量相關(guān)，采用鉬作為粘接層的涂層燒蝕性能明顯優(yōu)于采用鎳（鈷）鉻鋁釔合金的。主要原因為鉬的熔點（2 600℃）明顯高于鎳（鈷）鉻鋁釔合金的熔點（1 350℃），高溫下鉬相比鎳（鈷）鉻鋁釔合金與涂層能更好粘接在一起而不被沖刷掉。涂層種類對氧化鋯涂層的燒蝕性能影響較小。因為納米氧化鋯空心粉相比納米氧化鋯團(tuán)聚粉對涂層的結(jié)合強(qiáng)度的提升不多（約10 MPa），而燃?xì)庵蠥l2O3粒子沖刷、擊打的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于氧化鋯面層的結(jié)合強(qiáng)度。

2.2 氧化鋯涂層隔熱性能

燒蝕試驗前，還在試件外壁面安裝了熱電偶，以了解不同工藝氧化鋯涂層的隔熱性能。8種不同試件前5 s時間內(nèi)外壁面溫度隨時間的變化曲線見圖5。為增強(qiáng)試驗對比效果，還增加了4.5 mm厚純鋼不噴涂氧化鋯涂層試件熱吹試驗。隔熱試驗測得的發(fā)動機(jī)工作開始至5 s時刻的溫度數(shù)據(jù)見表3。

圖5 試件壁溫隨時間變化曲線Fig.5 Specimens wall temperature－time curve

表3 基體厚度、粘接層種類、涂層種類及涂層厚度因素的正交隔熱試驗結(jié)果Tab.3 Orthogonal thermal insulation test results with matrix－thickness， adhesive－layer type， surface－layer type and surface－layer thickness factors

圖5表明，噴涂氧化鋯涂層的試件相比純鋼試件，其隔熱效果顯著。正交隔熱試驗結(jié)果表明，影響氧化鋯涂層隔熱性能的因素主次順序依次為基體厚度、面層種類、面層厚度及粘接層種類?；w厚度是影響氧化鋯涂層的隔熱效果的主因?；w越厚，隔熱效果越好。由于基體相比氧化鋯涂層要厚很多，熱容也相應(yīng)要大很多，因此基體厚度對氧化鋯涂層的隔熱性能影響較大。面層種類對涂層的隔熱性能有較大影響，納米氧化鋯空心粉隔熱性能優(yōu)于納米氧化鋯團(tuán)聚粉。原因為納米氧化鋯空心粉面層的導(dǎo)熱率低于納米氧化鋯團(tuán)聚粉面層。面層厚度越厚，燒蝕量越大，但對涂層隔熱性能的影響卻不顯著。這是因為氧化鋯涂層的隔熱原理有別于非金屬隔熱，非金屬隔熱主要靠燒蝕帶走熱量，而氧化鋯涂層主要靠自身的低熱導(dǎo)率進(jìn)行隔熱。

3 結(jié)論

本文針對丁羥三組元固體推進(jìn)劑，開展了不同工藝氧化鋯熱障涂層的燒蝕和隔熱性能研究。結(jié)果表明影響氧化鋯涂層燒蝕性能的因素主次順序依次為涂層厚度、粘接層種類、涂層種類、基體厚度；影響氧化鋯涂層隔熱性能的因素主次順序依次為基體厚度、涂層種類、涂層厚度及粘接層種類。

參考文獻(xiàn)

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