200NCf/SiC復(fù)合材料推力器研制

葛明和，姚世強，安　鵬（北京航天動力研究所，北京100076）

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200NCf/SiC復(fù)合材料推力器研制

葛明和，姚世強，安鵬
（北京航天動力研究所，北京100076）

摘要：為了研制Cf/SiC復(fù)合材料推力器，對Cf/SiC復(fù)合材料物理性能進行了試驗研究，測試了Cf/SiC復(fù)合材料在空間復(fù)雜環(huán)境下的適應(yīng)性及力學(xué)性能；采用化學(xué)氣象沉積法制備抗氧化涂層；采用自動纏繞成型工藝制備Cf/SiC復(fù)合材料噴管；采用Ti-Ni復(fù)合釬料進行了高溫釬焊試驗，獲得了最優(yōu)的釬焊工藝參數(shù)，完成了Cf/SiC復(fù)合材料與金屬鈮的釬焊連接；制備了試驗樣機并進行了熱試車考核。結(jié)果表明，Cf/SiC復(fù)合材料在經(jīng)歷各種空間環(huán)境后，仍可保持良好的力學(xué)性能，涂層具有較好的抗氧化能力。熱試車過程中，穩(wěn)態(tài)試車室壓平穩(wěn)，脈沖工作時，推力器響應(yīng)迅速，脈沖一致性好；燃燒效率達到設(shè)計要求，釬焊縫結(jié)構(gòu)完好，Cf/SiC復(fù)合材料噴管無明顯燒蝕，熱試車圓滿成功。

關(guān)鍵詞：推力器；Cf/SiC復(fù)合材料；抗氧化涂層；釬焊

0　引言

姿軌控發(fā)動機為各類航天器的飛行機動控制提供動力，在航天領(lǐng)域應(yīng)用廣泛、且種類繁多。隨著技術(shù)應(yīng)用的日益廣泛，對姿軌控發(fā)動機輕質(zhì)、高性能、高可靠等綜合性能要求越來越高，對新材料、新工藝的需求日益迫切。

復(fù)合材料具有密度低、比強度和比模量高、高溫強度較高的特點，用做發(fā)動機噴管材料可顯著降低發(fā)動機重量，提高發(fā)動機性能，降低成本。歐、美、日等都對各類復(fù)合材料物理性能、制備工藝及應(yīng)用進行了廣泛、深入的研究［1-2］，國內(nèi)研究人員也對復(fù)合材料在火箭發(fā)動機領(lǐng)域的應(yīng)用開展了相關(guān)研究工作［3-6］。國防科技大學(xué)等單位在Cf/SiC陶瓷基復(fù)合材料研制方面取得重要進展，在發(fā)動機噴管材料應(yīng)用研究方面開展了大量工作，利用耐高溫復(fù)相涂層和超高溫陶瓷基體改性技術(shù)，大幅提高了Cf/SiC復(fù)合材料噴管的工作溫度和使用壽命；利用碳纖維纏繞成型技術(shù)，提高了復(fù)合材料的生產(chǎn)效率［7-8］。

鈦合金推力室頭部與Cf/SiC復(fù)合材料噴管的連接常采用法蘭壓緊密封圈的形式，該結(jié)構(gòu)使發(fā)動機顯得笨重。采用真空釬焊連接，可減輕推力室結(jié)構(gòu)質(zhì)量，但異種材料焊接有兩方面的困難，其一是Cf/SiC復(fù)合材料潤濕困難，其二是異種材料之間熱膨脹系數(shù)的差異而導(dǎo)致其接頭附近具有較大的殘余熱應(yīng)力。較好的解決方法是在復(fù)合材料與鈦合金之間采用金屬鈮過渡，可以降低工藝難度，提高可靠性。哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制了鈦鎳箔狀復(fù)合釬料，對Cf/SiC復(fù)合材料和金屬鈮兩種材料的釬焊接頭組織及性能進行了深入研究［9-12］，取得了大量成果，為工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

為了探索Cf/SiC復(fù)合材料在姿軌控發(fā)動機方面的應(yīng)用，采用國防科大研制的Cf/SiC復(fù)合材料制備的了Cf/SiC復(fù)合材料身部，利用哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的鈦鎳箔狀釬料實現(xiàn)了Cf/SiC復(fù)合材料身部和過渡金屬鈮連接結(jié)構(gòu)的高溫釬焊，試制了200 N推力器并進行了熱試車。熱試車全面考核了新材料、新工藝的可靠性、環(huán)境適應(yīng)性，在工程化應(yīng)用方面取得實質(zhì)性進展。

1　不同環(huán)境因素對Cf/SiC復(fù)合材料性能的影響

姿軌控發(fā)動機在軌工作時面臨空間中的復(fù)雜環(huán)境影響：高溫高真空、超低溫、冷熱交變等環(huán)境下，復(fù)合材料有可能失重，材料彎曲強度、彎曲模量等各項物理性能指標(biāo)有可能下降；在軌工作時由于高速運動與空間原子氧產(chǎn)生碰撞，近地軌道原子氧環(huán)境可能對高分子材料組成結(jié)構(gòu)及性能存在不良影響；空間環(huán)境還存在較強的紫外輻射，波長在100～150 nm之間，具有較強能量，空間紫外輻射能夠改變高分子材料化學(xué)組成及結(jié)構(gòu)，也可能對材料性能產(chǎn)生較大影響。要保證姿軌控發(fā)動機在軌工作安全可靠，有必要對環(huán)境因素的影響進行深入研究。國防科大對影響Cf/SiC復(fù)合材料噴管性能的幾類環(huán)境因素進行了試驗研究，結(jié)果見表1。

試驗結(jié)果表明，Cf/SiC復(fù)合材料在經(jīng)歷高真空、超低溫、冷熱交變、在原子氧和紫外輻照環(huán)境后，依然可以保持良好的力學(xué)性能。

2　Cf/SiC復(fù)合材料噴管纏繞成型技術(shù)

纏繞成型工藝常用于氣瓶、貯箱等壓力容器的制造，在發(fā)動機噴管制造方面應(yīng)用較少；編織成型常為手動操作，隨意性大，產(chǎn)品一致性不佳，且效率低。采用自動化纏繞成型技術(shù)可使噴管制備效率大為提高，且工藝一致性好，質(zhì)量穩(wěn)定，更有利于批產(chǎn)和應(yīng)用推廣。

發(fā)動機工作過程中，Cf/SiC復(fù)合材料噴管主要承受的是自內(nèi)而外的徑向壓力，進行環(huán)拉伸試驗可更好地判斷其力學(xué)性能。環(huán)拉伸構(gòu)件及拉伸試驗如圖1所示。按圖1所示結(jié)構(gòu)形式，對Cf/ SiC復(fù)合材料纏繞成型圓筒環(huán)拉伸試驗件進行試驗，環(huán)拉伸強度達500 MPa，編織成型構(gòu)件環(huán)拉伸強度達180 MPa，說明Cf/SiC復(fù)合材料纏繞成型噴管具有更好的環(huán)拉伸強度性能，該性能指標(biāo)的提升對于提高推力器結(jié)構(gòu)強度很有利。

3　Cf/SiC復(fù)合材料噴管涂層制備

Cf/SiC復(fù)合材料存在表面空隙和裂紋等缺陷，在高溫氧氣環(huán)境中，氧化氣氛通過缺陷進入材料內(nèi)部，降低材料性能；Cf/SiC復(fù)合材料中的SiC基體致密性差，表面粗糙，暴露在高溫燃氣流中的突起部分可能在氣動剪切力下被剝離，導(dǎo)致材料耐燒蝕性差。有必要在Cf/SiC復(fù)合材料表面增加耐燒蝕涂層。

碳化物中，SiC熱膨脹系數(shù)最低，與Cf/SiC具有良好的相容性，且SiC在1600℃以下抗氧化性能良好。采用化學(xué)氣相沉積（CVD）法制備涂層，先驅(qū)體原料為聚碳硅烷（MTS），以高純H2為載氣，高純Ar為稀釋氣體。試驗參數(shù)選取載氣流量0.15～0.3 L/min，沉積壓力0.1～100 kPa；試驗結(jié)果表明載氣流量為0.2 L/min，沉積壓力在3 kPa時涂層均勻性好。

涂層微觀形貌如圖2所示，涂層顯現(xiàn)出均勻致密的特點。

圖2　載氣流量0.2 L/min、沉積壓力3 kPa，涂層SEM分析Fig.2　SEM analysis of coating at carrying gas flow of 0.2 L/min and deposition pressure of 3 kPa

4　Cf/SiC復(fù)合材料與Nb的釬焊研究

根據(jù)哈爾濱工業(yè)大學(xué)對Cf/SiC材料與鈮釬焊的研究結(jié)果，對影響釬焊質(zhì)量的各因素進行深入分析，優(yōu)化了釬焊工藝流程，實現(xiàn)了焊接質(zhì)量優(yōu)良的釬焊接頭。

4.1焊前去應(yīng)力熱處理

Cf/SiC復(fù)合材料制備過程中碳纖維纏繞結(jié)構(gòu)與SiC基體間具有一定殘余應(yīng)力，而釬焊過程中又附加一定的殘余應(yīng)力，導(dǎo)致釬焊接頭產(chǎn)生較大應(yīng)力集中，易使Cf/SiC母材碎裂。對Cf/SiC復(fù)合材料首先進行了去應(yīng)力熱處理，降低表面殘余應(yīng)力。

4.2Cf/SiC復(fù)合材料與Nb釬縫檢測分析

優(yōu)化工藝參數(shù)后確定釬焊溫度1180℃，保溫時間20min，釬焊接頭外觀如圖3（a）所示，可以看到接頭外觀良好，無明顯缺陷。工業(yè)CT檢測結(jié)果顯示，釬著率達99%，符合I級焊縫要求。對釬焊接頭在室溫及600℃時進行抗剪強度測試，室溫抗剪強度154MPa，600℃時抗剪強度116MPa。晶相分析結(jié)果如圖3（b）、圖3（c）所示，在Cf/SiC一側(cè)形成連續(xù)的界面反應(yīng)層。為了確定釬焊接頭界面產(chǎn)物的成分，對圖3（c）各相進行多點能譜分析，結(jié)果如表2所示。從表2中可以看出，釬縫中含有大量鈮元素，表明釬焊過程中母材中的鈮大量溶解進入釬縫，即發(fā)生了鈦鎳和鈮的共晶反應(yīng)。其中A相中主要含有大量鈦和碳元素，同時還有部分鈮元素，推斷其為固溶有鈮的鈦的碳化物。B相主要有鈦、鎳和鈮組成，根據(jù)相圖分析應(yīng)為 （Ti，Nb）2Ni。C相主要還有鈦、鎳、鈮及硅元素，暫表示為Ti-Ni-Nb-Si相。D相與E相形成偽二元共晶組織，D相應(yīng)為鈦鎳相，E相應(yīng)為固溶有鈦的鈮相。

表2　圖3（c）中各點能譜分析結(jié)果Tab.2　Energy spectrum analysis results at various points in Fig.3（c）

圖3　釬焊接頭內(nèi)外形貌Fig.3　Morphologies of inside and outside brazing joint

為確定接頭界面產(chǎn)物的相組成，對接頭進行能譜及XRD分析，分析結(jié)構(gòu)見圖4所示。其典型界面產(chǎn)物從Cf/SiC復(fù)合材料至鈮一側(cè)分別為：（Ti，Nb）C， （Ti，Nb）2Ni，Ti-Ni-Nb-Si以及TiNi與 （Nb，Ti）偽二元共晶。

圖4　Cf/SiC與Nb釬焊接頭XRD分析Fig.4　X-ray diffraction analysis for brazing joint be-tween Cf/SiC composite and Nb

5　發(fā)動機熱試車研究

5.1試車概況

利用某雙組元電磁閥，與新制備的Cf/SiC復(fù)合材料推力室樣機組成了200 N發(fā)動機，其溫度測點Tw1，Tw2和Tw3分別位于頭部法蘭側(cè)面、Nb環(huán)側(cè)面、噴管收斂段。發(fā)動機完成了額定工況、高低工況、混合比拉偏及脈沖程序等低各類熱試車。試車過程中，室壓平穩(wěn)，脈沖室壓清晰穩(wěn)定，一致性好，最高溫度在材料使用允許范圍內(nèi)。部分試車結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5　穩(wěn)態(tài)及脈沖試車曲線Fig.5　Pressure curves of steady-state and pulse tests

圖5（a）和圖5（b）分別為穩(wěn)態(tài)及脈沖試車室壓曲線。從圖中可以看出，發(fā)動機啟動、關(guān)機性能良好，室壓平穩(wěn)，無明顯點火壓力峰，說明噴注器能使推進劑在燃燒內(nèi)實現(xiàn)良好的霧化、混合及燃燒。圖5（b）顯示，脈沖室壓一致性較好，脈沖壓力峰值達到額定值，表明發(fā)動機具有良好的脈沖工作性能。

圖6　穩(wěn)態(tài)試車溫度曲線Fig.6　Temperature curves of steady-state hot tests

頭部法蘭側(cè)面溫度較低，約在50℃以下；Nb環(huán)處測得的溫度約160℃，關(guān)機后有一定熱反浸，最終上升至240℃左右，噴管喉部臨界截面附近溫度最高約1 100℃，低于材料允許工作溫度1 500℃，推力器有較大的熱安全裕度，具有進一步提高燃燒性能的潛力。

5.2發(fā)動機性能評估

根據(jù)試車結(jié)果計算的發(fā)動機性能參數(shù)見表3。

表3　200 N復(fù)合材料噴管推力器性能參數(shù)Tab.3　Performance parameters of 200 N thruster made from composite

根據(jù)表2所示地面試驗結(jié)果，計算真空推力200 N，真空比沖291 s，達到設(shè)計要求，試車取得成功。推力室內(nèi)壁涂層無脫落、喉部無明顯燒蝕，發(fā)動機整體結(jié)構(gòu)完好。

6　結(jié)論

本研究獲得如下結(jié)論：

1）纏繞成型Cf/SiC復(fù)合材料在各種復(fù)雜空間環(huán)境下具有良好的力學(xué)穩(wěn)定性，熱試車結(jié)果初步證明了材料的可靠性，可以滿足工程應(yīng)用的要求。

2）Ti-Ni-Nb復(fù)合箔狀釬料及釬焊工藝流程，可實現(xiàn)發(fā)動機所需的質(zhì)量優(yōu)良的釬焊接頭，熱試車結(jié)果初步證明了釬焊工藝及焊縫結(jié)構(gòu)的可靠性，具有重要工程應(yīng)用價值。

3） 采用自動纏繞成型的Cf/SiC復(fù)合材料及異種材料釬焊工藝的200 N發(fā)動機熱試車圓滿成功，為新材料、新工藝的工程化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，后續(xù)將進行工藝穩(wěn)定性、發(fā)動機壽命考核等研究工作。

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（編輯：王建喜）

中圖分類號：V434-34

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-9374（2016）03-0015-06

收稿日期：2015-11-09；修回日期：2016-01-13

基金項目：國家863項目（2012AA03A701）

作者簡介：葛明和（1976—），男，高級工程師，研究領(lǐng)域為軌姿控發(fā)動機推力室

Development of 200 Nthruster made from Cf/SiC composite

GE Minghe，YAO Shiqiang，AN Peng
（Beijing Aerospace Propulsion Institute，Beijing 100076，China）

Abstract:In order to develop the thruster made from Cf/SiC composite，physical performance experiments of the Cf/SiC composite were made to test its adaptability and mechanical property in complex space environments.Chemical vaper deposition（CVD）method was used to prepare the anti-oxidation coating.Auto-wraping craft was used to prepare the Cf/SiC composite nozzle.The composite brazing filling metal Ti-Ni was adopted for high-temperature brazing test and the perfect brazing technical parameters were got.The brazing joint between the Cf/SiC composite and Nb metal was fulfilled.A experimental prototype of the thruster was fabricated and passed the hot test.The experimental results indicate that the Cf/SiC composite can still keep better mechanical performance and the coating has nice anti-oxidation ability after suffering from a series of space experiments.In the process of hot test，the cell pressure in the steady state test run was steady，and the thruster had a fast response and pulse consistencywas good.The combustion efficiencycan reach the design requirement.The welded joint of the brazing is in good condition.The nozzle made from Cf/SiC composite has no obvious ablation.The hot test was crowned with complete success.

Keywords:thruster；Cf/SiC composite；anti-oxidation coating；brazing