鈮基大型航天發(fā)動機噴管涂層制備

2011-12-31 00:00:00周小軍趙剛于永祥

科技創(chuàng)新導(dǎo)報 2011年14期

摘要：Nb521鈮基合金在1600℃下的高溫強度是C103合金的3倍左右，并且具有很好的旋壓、焊接等加工性能，是最理想的旋壓大型發(fā)動機噴管的鈮基合金材料，旋壓尺寸可達到Φ850×1300mm，噴管的涂層體系主要是硅系，制備工藝采用冷噴后兩次高溫熔燒，制備的涂層在1700℃下的靜態(tài)抗氧化壽命可達到40h以上，在1800℃下的靜態(tài)抗氧化壽命在8h左右，在1600℃至室溫的熱震性能可達到2000次以上，并且通過了地面以及高空試車。

關(guān)鍵詞:鈮鎢Nb521合金大型噴管高溫抗氧化涂層靜態(tài)熱震

中圖分類號:TP2文獻標(biāo)識碼:A文章編號:1674-098X(2011)05(b)-0078-02

1 前言

大型航天發(fā)動機噴管是載人飛船、登月探測衛(wèi)星等航天器上使用的推力發(fā)動機上的關(guān)鍵部件，噴管材料主要有高溫合金鋼、鈦合金、鈮基合金以及鉭合金和復(fù)合材料等，其中應(yīng)用比較成功的有高溫合金鋼、鈦合金等，但是隨著航天技術(shù)的發(fā)展，需要耐更高溫度的合金材料，目前，鈮基合金發(fā)展比較迅速，繼Nb752、C103合金之后，寧夏東方鉭業(yè)股份有限公司開發(fā)出了新的鈮基合金-Nb521合金，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在了新型號發(fā)動機和預(yù)研項目上。

國際上在60、70年代研制出了多種鈮合金，如C103、Cb752、WC3015、As－30、Su－31、X－110合金等，絕大多數(shù)都屬于Nb－W－Mo－Zr合金系列。其中C103合金因其具有優(yōu)良的成型性、可焊接性、易于涂層等特點，被成功的應(yīng)用在“大力神”Ⅲ的過渡級發(fā)動機、“阿波羅”飛船艙發(fā)動機和“阿波羅”登月艙下降發(fā)動機上。俄羅斯研制的5BМЦ合金具有很好的高溫性能，但是加工性以及焊接性較差，本公司研制的Nb521合金綜合了鈮基合金高溫高強度以及可加工和焊接性，目前具有替代C103合金的趨勢。幾種常用典型鈮合金高溫性能如表1。

2 鈮合金涂層

在鈮合金表面加制涂層是有效提高合金高溫抗氧化耐腐蝕性能并最大程度保全合金力學(xué)性能的有效途徑。在上世紀(jì)70年代初，美國研究了鈮、鎢、鉬等合金的幾十種涂層體系，其中最有代表性的涂層就有16種。進入80年代后，合金的使用領(lǐng)域得以擴展，涂層體系也在不斷的完善和升級。

目前鈮合金表面高溫抗氧化涂層主要有:鋁化物涂層、硅化物涂層、耐熱合金涂層以及貴金屬涂層，其中硅化物涂層應(yīng)用最為廣泛。制備高溫涂層的工藝方法也多種多樣，但應(yīng)用較多有三種，分別是:(1)料漿熔燒法;(2)氣相化學(xué)沉積法;(3)電弧沉積法。具有代表性的C103合金涂層一直采用的是料漿燒結(jié)法，主要適用于1400℃以下溫度范圍。前蘇聯(lián)研制的5BMц合金是一種明顯優(yōu)于C103合金的航空航天用高溫材料，采用電弧沉積法制備涂層后可用于1600～1700℃的高溫。幾種典型的硅化物涂層如表1。

大型噴管噴涂工藝:涂層制備工藝路線圖(如圖1）。

3 涂層工序

3.1 試驗試片的制備

①基材預(yù)處理

基材預(yù)處理一般通過機械處理和化學(xué)處理的方法，使合金基體具備最優(yōu)涂層條件:粘附性、平整均勻性、無機械缺陷性和消除內(nèi)應(yīng)力等。

②切割

板材(軋制終結(jié)厚度1mm)使用線切割機進行嚴(yán)格切片，可根據(jù)試驗方案的不同對試樣尺寸進行規(guī)范，本試驗采用70mm×8mm×1mm試樣規(guī)格。試片切制尺寸公差控制在±0.05mm范圍內(nèi)。

③打磨拋光

試樣打磨拋光主要使用機械方法來消除或減少加工缺陷和痕跡，使試樣棱部導(dǎo)成5～8°的圓弧角，目的是消除試樣表面應(yīng)力。

④物化處理

強堿洗—清水洗—無水乙醇洗＋M—丙酮洗—無水乙醇洗-有機鹽清洗，對試樣要進行兩次去污處理，酸洗后，并進行乙醇溶液浸泡30min以上。

將以上處理過的試片放置在無水乙醇中進行儲存，以待備用。

3.2 噴管的物化處理

由于噴管在加工尤其是在旋壓過程中難免會發(fā)生應(yīng)力不均、局部氧化，以及加工過程表面被雜質(zhì)污染的情況，因此需要對噴管進行涂層前物化處理工作，常規(guī)的物化處理方法是酸洗，有時還需要對噴管進行退火。

①酸洗

對噴管進行以下酸洗流程:混合酸(硝酸、硫酸、氫氟酸按一定比例混合)洗→清水洗→無水乙醇洗，酸洗后，靜置晾干，等待下一步處理。

②退火

噴管退火主要是進行去應(yīng)力退火和均勻化退火，退火工藝一般選擇1350℃，保溫60min，退火完畢后靜置，等待下一步處理。

3.3 涂層上漿

首先，將涂層粉料進行配置:

①配料:按照涂層配方將各涂層粉料按一定配比進行稱量、混料。

②試劑調(diào)制:將活化劑、粘結(jié)劑按涂層配方中的比例進行添加。

③研磨:將按各配比調(diào)制后的粉料在無機試劑中進行研磨，使其均勻化、合金化。

④掛漿:采用噴涂的涂制方法進行涂層上漿。

⑤烘干:將掛漿后的試樣進行烘干，控制掛漿重量在范圍內(nèi)。

3.4 涂層熔燒

應(yīng)用高真空熔燒爐，采用料漿熔燒法進行涂層燒結(jié)。1250～1540℃，保溫30～60min。

4 成果

大型噴管的涂制，使用H2000-A型噴槍對噴管進行噴涂，噴涂氣體選用氬氣，涂層選用DT-9#涂層，料漿粒度要求在100μm以下，氣流速度30L/h，噴槍噴幅50～150mm。噴涂要求噴槍運行平穩(wěn)，每次噴涂幅面連接適當(dāng)，噴槍與工件件距離適中，否則會發(fā)生粉料過量逸失或是產(chǎn)生流掛，噴涂后表面要求平整、顏色均勻，無堆積現(xiàn)象。

在噴涂過程中需要使用測厚儀不斷對涂層厚度進行測量，以避免涂層局部漏涂或涂層厚度不夠。熟練的噴涂手法不但可以提高涂層的噴涂效率，同時有利于涂層厚度均勻性的控制。

5 結(jié)論

(1)噴涂測量控制涂層厚度方案試驗驗證，工藝可行，方法科學(xué)合理，能夠有效控制試片和噴管喉徑涂層厚度;該試驗為以后的噴管涂層制備奠定有力的試驗基礎(chǔ)。

(2)噴管表面物化處理可有效改善涂層表面質(zhì)量。處理后的涂層表面涂層平整、結(jié)合力強，色差以及留痕明顯減少。

(3)制備的與Nb521合金相匹配的硅化物涂層，1700℃靜態(tài)壽命>50h;1800℃靜態(tài)>8h;1600℃至室溫的熱震壽命>2000次;1600℃至液氮的熱震壽命>50次，首次將鈮基合金涂層的使用壽命提高到1800℃，1600℃靜態(tài)測試可達到100h。

(4)大型噴管試車已經(jīng)通過，客戶對此給予了很高的評價，因而預(yù)示著Nb521合金及其涂層將逐漸被廣泛應(yīng)用到航天領(lǐng)域，并有可能替代C103合金的趨勢。

參考文獻

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