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用于液体火箭发动机厚部件的真空等离子喷涂工艺

 

冷却的火箭燃烧室中很重要。1.3火箭燃烧室模型火箭燃烧室是一个复杂部件。由两种合金组成,一种是在内部构成冷却通道的铜基合金衬层,一种是外侧结构保护罩的镍基合金。在上世纪90年代采用VPS工艺生产了几种燃烧室模型,并对燃烧室概念进行试验。在一个有燃烧室最终热壁几何尺寸的芯模上喷涂铜衬层,然后在衬层上开槽形成冷却通道。在通道中放人填料,然后喷铜合金闭合通道,喷涂镍基合金做外侧结构保护罩。最后机械加工或用化学溶剂取走芯模和通道填料。1.4先进铜合金燃烧室壁采用液氢冷却衬层,可起很好的热防护作用。衬层材料要求高温强度、抗蠕变性、耐低周疲劳性及高热导率相结合。衬层壁面材料性能的改善是长寿命燃烧室的一个关键。对先进铜合金材料如CuCrNb兴趣日益提高。美国NASA革仑研究中心开发了一种新型Cu.8Cr.4Nb合金,牌号GRCop-84,代替目前的NARloy.Z合金制造燃烧室衬层。GRCop·84合金靠Cr2Nb颗粒弥散强化,比NARloy·63·2O8642O-z合金力学性能好,同时保留纯铜的高热导率。传统铜合金NARloy力学性能靠固溶体析出相沉淀硬化,工作温度极限为1000K,高于此温度析出相重新溶解。而Cu-CrNb合金由于金属间化合物颗粒有高的熔点,因此在高温依旧保持高的力学性能,但CuCrNb合金的一个难点是在金属基体上Cr2Nb析出相均匀分布。由于精细粉末掺混和热喷涂,VPS是制造高质量CuCrNb合金衬层材料的候选工艺。SNECMA和LERMPS试验室合作,利用自产粉末和LERMPS试验室的等离子喷涂设备,制造CuCrNb合金样品。将研究微观组织如Cr2Nb大颗粒、细析出相、晶粒尺寸对合金力学性能的影响,以及合金高温稳定性,如热循环对物理和力学性能的影响。在德国EADS空间运输公司的未来主燃烧室技术验证计划中,将对CuCrNb衬层的亚尺寸燃烧室进行热点火试验。2技术验证器VPS工艺制造分为几个主要·64·一种火箭燃烧室的截面图阶段:制造衬层、铣通道、放入填料、通道闭合、制造外壳和利用化学溶剂取走芯模和通道填料。这样做有3个风险:层间缺乏粘接力、通道闭合、热控制。考虑到上述风险,在一个完整制造循环中,在模型上作用压力110MPa。在HM7B发动机燃烧室几何尺寸芯模上喷涂CuAgZr衬层,连续喷涂15h,制造1:1验证器。然后在衬层坯料上高速铣加工通道,放入通道填料。填料力学行为取决于通道尺寸。喷涂CuAgZr使通道闭合然后喷涂Ni合金外壳体。为获得均匀温度(镍合金导热率比铜合金的低很多),进行充分研究后,喷涂外壳体,时间为10h。为减少部件数量及焊件数量,加了两个局部厚层,一个在进口集流腔处,另一个在出口集流腔处。将氢进口和出口集流腔焊在燃烧室上。镍壳体成型后,在闭合处沿通道和喉部周围出现未预见的裂纹。在喷涂过程中NARloy合金和Nj合金之间的热控制是裂纹出现的根本原因。对模型燃烧室验证了修正措施,包括调节火焰功率、轨迹,从NARIoy合金到图4采用VPS工艺生产的燃烧室模型Ni合金逐渐过渡。最后一步是开通通道,溶解填料,在燃烧室顶部和底部焊接两个完整的铸造Inconel集流腔。3结论VPS大厚度沉积工艺非常适合于制造液体火箭发动机推力室,优点是降低成本,减少生产循环,可选材料范围广,有完整的热障涂层,结构简化。该工艺也可用于制造一次性及可重复使用运载器的火箭燃烧室。VPS是制造先进衬层材料如CuAgZr和CuCrNb的候选工艺。

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