CN104451528B - 一种应用于铼铱发动机燃烧室外壁面的高辐射涂层 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种应用于铼铱发动机燃烧室外壁面的高辐射涂层，采用HfO2为主体成分，Pr6O11为添加成分，通过焙烧工艺制备成混合粉体，混合粉体经球磨、筛分后，选取40‑80μm粒径的粉体作为等离子喷涂的原材料，采用等离子喷涂技术在铼基材铱涂层的燃烧室表面进行涂层制备，关键工艺参数为为电压50‑70V，电流650‑750A，氩气流量80‑100L/min，氢气流量10‑12L/min，送分量30‑50g/min，制备的涂层可在2000℃环境下保持8h的使用寿命，辐射系数不低于0.85。本发明应用于铼铱发动机燃烧室外表面，可有效提高其辐射散热能力，降低燃烧室壁面温度，对于提高发动机工作可靠性具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种应用于铼铱发动机燃烧室外壁面的高辐射涂层，属于表面工程技术领域。
背景技术
小推力双组元液体火箭发动机主要应用于空间飞行器及战略战术武器的姿态及轨道控制，推力室内燃料燃烧温度可达2700℃，采用内壁面液膜主动冷却技术后但壁面温度仍然高于1000℃，因此为保证发动机推力室的高温强度要求，必须采用高温难熔金属(Nb、Ta、W、Mo、Re及铂等)材料作为身部材料，但是这类材料高温抗氧化性能很差，如铌合金在600℃以上就会发生“pest”灾难性氧化，不能直接面对燃烧环境，必须在材料表面涂覆高温抗氧化涂层进行防护。
难熔金属表面涂覆高温抗氧化涂层技术自20世纪50年代开始发展，至今形成了多类材料体系，取得型号应用的主要包括：铌铪合金涂覆硅化物涂层，铌钨合金涂覆硅化物涂层，铂铑推力室以及Re基材+Ir涂层。上述材料体系应用于发动机推力室，其长时工作(一般指2万秒以上)许用工作温度依次提高，分别为1370℃、1600℃、1750℃、2200℃。因此，铼铱材料是目前性能最高的发动机推力室材料，以美国的R-4D-16发动机为例，其推力为445N，发动机比冲可达到235s以上，较铌铪合金推力室提高20s，可大幅延长卫星寿命或提高有效载荷或增大武器射程，具有极其显著的经济价值和军事意义。
铼铱材料应用于发动机推力室，铼作为基材，铱作为涂层。该类发动机工作环境为太空环境，发动机推力室散射的主要方式是对外辐射。但是，当铱作为涂层应用于铼燃烧室外壁面时，其辐射系数仅有0.1-0.3，散热能力差，易造成发动机推力室温度偏高，从而降低了推力室的工作寿命。因此，需要在燃烧室外壁面制备高辐射涂层，提高其辐射散热能力，降低燃烧室壁面温度，提高发动机工作的可靠性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种应用于铼铱发动机燃烧室外壁面的高辐射涂层，该涂层可将燃烧室段外壁面的辐射系数提高至0.85以上，大幅提高其辐射散热能力，显著降低燃烧室壁面温度，提高发动机工作的可靠性。
本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：
一种应用于铼铱发动机燃烧室外壁面的高辐射涂层，将HfO2和Pr6O11组成的混合粉体，采用等离子喷涂工艺制备于铼铱发动机燃烧室外壁面，所述混合粉体中HfO2质量百分比含量为75-90％，Pr6O11质量百分比含量为25-10％，且混合粉体通过如下方法处理得到：
HfO2粉体和Pr6O11粉体分别经300目筛筛选后混合，混合粉体在大气环境下经1300-1400℃烧制，烧制后混合粉体进行球磨细化，球磨细化后的混合粉体首先经200目筛后选取筛下粉体，再经400目筛后选取筛上粉体，作为等离子喷涂用粉。
在上述应用于铼铱发动机燃烧室外壁面的高辐射涂层中，等离子喷涂工艺为：等离子喷枪的电压为50-70V，电流为650-750A；氩气流量为80-100L/min，氢气流量为10-12L/min；送粉速率为30-50g/min。
在上述应用于铼铱发动机燃烧室外壁面的高辐射涂层中，混合粉体在1300-1400℃烧制时间为5～10分钟。
在上述应用于铼铱发动机燃烧室外壁面的高辐射涂层中，混合粉体进行球磨细化的时间为2～3h。
在上述应用于铼铱发动机燃烧室外壁面的高辐射涂层中，球磨细化后的混合粉体首先经200目筛后选取筛下粉体，所述筛下粉体再经400目筛后选取的筛上粉体的粒径为40-80μm。
在上述应用于铼铱发动机燃烧室外壁面的高辐射涂层中，采用喷枪实现等离子喷涂工艺，喷涂过程中喷枪喷嘴距离旋转工件表面80-100mm，采用机械手控制喷枪沿上下移动。
在上述应用于铼铱发动机燃烧室外壁面的高辐射涂层中，在铼铱发动机燃烧室外壁面制备的涂层厚度为50-100μm。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)、本发明针对高性能铼铱发动机燃烧室段所采用的铱涂层对外辐射散热能力低的问题，创新研制一种高辐射涂层，采用金属氧化物HfO2为主体材料，添加一定的稀土元素氧化物Pr6O11，通过高温焙烧工艺制备成混合粉体，混合粉体经过200目和400目筛分作为等离子喷涂的原材料，并采用优化设计的等离子喷涂工艺，选用合理的参数将涂层制备于燃烧室外表面，该涂层将燃烧室外表面的辐射系数由原来的0.2-0.3提高至0.85以上，大幅提高其辐射散热能力，显著降低燃烧室壁面温度，提高发动机工作的可靠性；
(2)、本发明通过对涂层原料组份和配比的优选及制备工艺的优化，使得高辐射涂层耐高温达到2000℃以上，可在2000℃以上的环境下保持8h的使用寿命，并且可在铼铱材料表面长时间稳定工作，多次热疲劳考核不发生剥落，试验表明在室温～2000℃，50次热疲劳下涂层不发生剥落。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
实施例1
本发明在铼铱发动机燃烧室外表面制备高辐射涂层，其采用如下步骤：
步骤(一)、粉体混合
(1)采用300目筛筛选HfO2粉体750g；
(2)采用300目筛筛选Pr6O11粉体250g；
(3)上述两种粉体置于氧化铝坩埚内混合。
步骤(二)、粉体焙烧
(1)将装有粉体的坩埚置于已升温至1300℃的烧结炉内持续10分钟；
(2)焙烧后粉体倒入装有玛瑙球的球磨罐中，球磨罐置于球磨机上进行球磨2h；
(3)球磨后粉体首先经200目筛后选筛下粉体，再经400目筛后选取筛上粉体，作为等离子喷涂用粉。
步骤(三)、涂层喷涂
(1)粉体置于等离子喷涂设备送粉器中，送粉速率调节为10L/min；
(2)调节等离子喷涂的参数：输入电压50V，电流650A；氩气流量80L/min，氢气流量10L/min；送粉速率为30g/min；
(3)编辑机械手程序，使喷枪喷嘴距离燃烧室外壁面80mm并上下运动；
(4)实施喷涂。
步骤(四)、喷涂完成后，待工件冷却后，测量厚度，若未达到指定厚度，重复步骤(四)。
步骤(五)、涂层厚度达50μm，停止喷涂。关闭系统。
(5)试验考核。
通过上述步骤完成的涂层进行测试，辐射系数0.85，2000℃下高温寿命达到8h，室温至2000℃热疲劳次数达到50次，降低燃烧室壁面温度100℃。
实施例2
本发明在铼铱发动机燃烧室外表面制备高辐射涂层，其采用如下步骤：
步骤(一)、粉体混合
(1)采用300目筛筛选HfO2粉体800g；
(2)采用300目筛筛选Pr6O11粉体200g；
(3)上述两种粉体置于氧化铝坩埚内混合。
步骤(二)、粉体焙烧
(1)将装有粉体的坩埚置于已升温至1350℃的烧结炉内持续8分钟；
(2)焙烧后粉体倒入装有玛瑙球的球磨罐中，球磨罐置于球磨机上进行球磨2h；
(3)球磨后粉体首先经200目筛后选筛下粉体，再经400目筛后选取筛上粉体，作为等离子喷涂用粉。
步骤(三)、涂层喷涂
(1)粉体置于等离子喷涂设备送粉器中，送粉速率调节为10L/min；
(2)调节等离子喷涂的参数：输入电压60V，电流700A；氩气流量80L/min，氢气流量10L/min；送粉速率为30g/min；
(3)编辑机械手程序，使喷枪喷嘴距离燃烧室外壁面90mm并上下运动；
(4)实施喷涂。
步骤(四)、喷涂完成后，待工件冷却后，测量厚度，若未达到指定厚度，重复步骤(四)。
步骤(五)、涂层厚度达100μm，停止喷涂。关闭系统。
(5)试验考核。
通过上述步骤完成的涂层进行测试，辐射系数0.87，2000℃下高温寿命达到8h，室温至2000℃热疲劳次数达到50次，降低燃烧室壁面温度120℃
实施例3
本发明在铼铱发动机燃烧室外表面制备高辐射涂层，其采用如下步骤：
步骤(一)、粉体混合
(1)采用300目筛筛选HfO2粉体900g；
(2)采用300目筛筛选Pr6O11粉体100g；
(3)上述两种粉体置于氧化铝坩埚内混合。
步骤(二)、粉体焙烧
(1)将装有粉体的坩埚置于已升温至1400℃的烧结炉内持续5分钟；
(2)焙烧后粉体倒入装有玛瑙球的球磨罐中，球磨罐置于球磨机上进行球磨3h；
(3)球磨后粉体首先经200目筛后选筛下粉体，再经400目筛后选取筛上粉体，作为等离子喷涂用粉。
步骤(三)、涂层喷涂
(1)粉体置于等离子喷涂设备送粉器中，送粉速率调节为12L/min；
(2)调节等离子喷涂的参数：输入电压70V，电流750A；氩气流量100L/min，氢气流量12L/min；送粉速率为50g/min；
(3)编辑机械手程序，使喷枪喷嘴距离燃烧室外壁面100mm并上下运动；
(4)实施喷涂。
步骤(四)、喷涂完成后，待工件冷却后，测量厚度，若未达到指定厚度，重复步骤(四)。
步骤(五)、涂层厚度达70μm，停止喷涂。关闭系统。
(5)试验考核。
通过上述步骤完成的涂层进行测试，辐射系数0.88，2000℃下高温寿命达到8h，室温至2000℃热疲劳次数达到50次，降低燃烧室壁面温度130℃。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (6)
1.一种应用于铼铱发动机燃烧室外壁面的高辐射涂层，其特征在于：将HfO2和Pr6O11组成的混合粉体，采用等离子喷涂工艺制备于铼铱发动机燃烧室外壁面，所述混合粉体中HfO2质量百分比含量为75-90％，Pr6O11质量百分比含量为25-10％，且混合粉体通过如下方法处理得到：
HfO2粉体和Pr6O11粉体分别经300目筛筛选后混合，混合粉体经1300-1400℃烧制后进行球磨细化，球磨细化后的混合粉体首先经200目筛后选取筛下粉体，再经400目筛后选取筛上粉体，作为等离子喷涂用粉；
所述等离子喷涂工艺为：等离子喷枪的电压为50-70V，电流为650-750A；氩气流量为80-100L/min，氢气流量为10-12L/min；送粉速率为30-50g/min。
2.根据权利要求1所述的一种应用于铼铱发动机燃烧室外壁面的高辐射涂层，其特征在于：所述混合粉体在1300-1400℃烧制时间为5～10分钟。
3.根据权利要求1所述的一种应用于铼铱发动机燃烧室外壁面的高辐射涂层，其特征在于：所述混合粉体进行球磨细化的时间为2～3h。
4.根据权利要求1所述的一种应用于铼铱发动机燃烧室外壁面的高辐射涂层，其特征在于：所述球磨细化后的混合粉体首先经200目筛后选取筛下粉体，所述筛下粉体再经400目筛后选取的筛上粉体的粒径为40-80μm。
5.根据权利要求1所述的一种应用于铼铱发动机燃烧室外壁面的高辐射涂层，其特征在于：采用喷枪实现等离子喷涂工艺，喷涂过程中喷枪喷嘴距离旋转工件表面80-100mm，采用机械手控制喷枪沿上下移动。
6.根据权利要求1所述的一种应用于铼铱发动机燃烧室外壁面的高辐射涂层，其特征在于：在铼铱发动机燃烧室外壁面制备的涂层厚度为50-100μm。
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