CN107630768B - 一种导弹发动机带热障涂层挡药板结构 - Google Patents

一种导弹发动机带热障涂层挡药板结构 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种导弹发动机带热障涂层挡药板结构，包括双层镂空结构金属基体，喷涂于所述金属基体表面的热障涂层，所述热障涂层包括金属粘接层和隔热陶瓷层；所述金属基体的材料采用高强度钢；金属粘接层采用MCrAlY系合金,隔热陶瓷层材料采用纳米ZrO2团聚体粉末。

Description

一种导弹发动机带热障涂层挡药板结构
技术领域
本发明涉及固体火箭发动机领域，具体涉及一种导弹发动机带热障涂层挡药板结构。
背景技术
燃烧室是导弹发动机结构中重要的部件之一，它既是装填推进剂的储箱，也是推进剂燃烧的场所，在发动机工作过程中，其内部短时间内产生高温、高压燃气加速流动，从而导致燃烧室中起支撑药柱作用的挡药板受热十分严重。挡药板需要经受高温高速气流冲刷和烧蚀，同时还受到药柱惯性力和药柱两端压差作用，因此工作条件十分恶劣。
因此，在满足发动机总体指标要求的前提下，应在发动机研制设计中既要保证挡药板具有足够的强度和刚度，也要兼顾挡药板通气面积，提高结构的耐烧蚀性能，保证挡药板在发动机工作过程中结构完整，具有足够热防护性能，提高导弹整体结构可靠性。
现有挡药板采用与燃烧室壳体、喷管材料相同的耐烧蚀性能较好的高强度钢材料，并通过热处理工艺提高金属件的硬度，保证了挡药板的结构强度。
试验证明，未具备足够热防护性能的金属挡药板在高温、高压燃气以及高速燃气冲蚀的情况下，烧蚀十分严重，无法满足发动机正常工作要求，严重影响导弹发动机的结构可靠性。
发明内容
本发明解决的问题是现有导弹发动机挡药板热防护性能不足，影响导弹发动机结构的可靠性；为解决所述问题，本发明提供导弹发动机带热障涂层挡药板结构。
本发明提供的导弹发动机带热障涂层挡药板结构，包括：双层镂空结构金属基体，喷涂于所述金属基体表面的热障涂层，所述热障涂层包括金属粘结层和隔热陶瓷层；所述金属基体的材料采用高强度钢；金属粘接层采用MCrAlY系合金, 隔热陶瓷层材料采用纳米ZrO2团聚体粉末。
进一步，所述金属基体的厚度为7~8mm；金属基体包括：金属框和分布在金属框内的面筋；所述面筋交叉布置形成镂空网状结构。
进一步，所述面筋与金属框的连接处采用R2圆角，面筋边缘采用C1倒角。
进一步，所述金属基体的内径为130~135mm，外径为135~148mm，每一层包括沿横向均匀排布的八条面筋和沿纵向均匀排布的八条面筋；每条筋条宽5mm，深度为3.9mm，两层面筋正对。
进一步，所述金属基体的内径为130~135mm，外径为135~148mm，每一层包括沿横向均匀排布的八条面筋和沿纵向均匀排布的八条面筋；每条筋条宽4mm，深度为3.9mm，两层面筋相对转动1~45°。
进一步，所述热障涂层通过高温等离子喷涂的方式形成在金属基体。主要工艺参数为基体温度100~200℃、喷涂功率2~4kW、喷涂电流300~1000A、喷涂距离60~120mm、等离子工作气体N2或Ar。
进一步，所述金属粘接层的厚度为0.1~0.2mm；所述隔热陶瓷层的厚度为0.1~0.2mm。
本发明的优点包括：在轴向尺寸严格控制的情况下，提高了挡药板耐烧蚀能力，最大化了装药空间，增加装药量，提高发动机总冲。
进一步，本发明提供的带热障涂层挡药板结构，可充分利用总体给出的外形结构尺寸，发动机结构更加紧凑，保证了药柱垫片具有有效的压缩量，同时装药空间可以最大化，增加装药量，提高发动机总冲，提高了发动机性能；
进一步，本发明提供的带热障涂层挡药板结构耐烧蚀性能良好，保证了挡药板的结构完整性，可有效的避免药柱被吹出，保证了发动机工作的可靠性，提高了导弹整体的工作可靠性；
进一步，本发明提供的带热障涂层挡药板结构减少消极质量，提高原材料利用率，提高发动机质量比。
附图说明
图1是本发明提供导弹发动机带热障涂层挡药板结构的正面示意图；
图2是本发明提供导弹发动机带热障涂层挡药板结构的剖视图。
具体实施方式
下文中，结合附图和实施例对本发明的精神和实质作进一步阐述。
由背景技术可知，现有本发明提供导弹发动机带热障涂层挡药板结构的热防护性能不足；并且挡药板轴向长度大，影响装药能力。申请人经过研究在本发明中提供本发明提供导弹发动机带热障涂层挡药板结构，通过在挡药板表面喷涂热障涂层提高挡药板的热防护性能，并且减小挡药板的轴向尺寸。
如图1、图2所示，本发明导弹带热障涂层挡药板结构的示意图，包括：金属基体1，热障涂层2。据发动机总体设计协调要求，采用了自由装填的装药结构形式，因此采用挡药板结构。所述带热障涂层挡药板结构利用高温等离子喷涂的方式在金属基体1表面喷涂结合紧密的热障涂层2。
所述金属基体1为双层镂空结构，包括金属框和布置于所述金属框内的面筋。一个实施例中，所述金属材料采用30CrMnSiA,金属框外径Ф144mm，内径Ф134mm,双层结构总厚度8mm。采用整体双面镂空并铣出前后网状栅格的形式加工，保证燃气流动不受阻；每一面筋条数为8根，采用均布排列方式，可减少气流偏心；筋条间距为16mm，每根筋条宽度5mm,深度为3.9mm，保证了足够大的通气面积且刚度和强度更高，工艺性更好；每根筋条与外圆连接处采用R2倒角，有效减小了应力的集中；筋条边缘采用C1斜角，可以改善高温高压燃气对筋条的冲蚀，有一定优化气动性的作用。
在另外一个实施例中，所述金属基体的的外径为140mm，内径为130mm，每一层包括沿横向均匀排布的八条面筋和沿纵向均匀排布的八条面筋；每条筋条宽4mm，深度为3.9mm，两层面筋相对转动1~45°；本实施例中，通过两层面筋相对转动，使得减小面筋的宽度而不对气流速度产生影响，从而减小消极质量。
图2为沿图1 A-A方向的截面，如图2所示，所述热障涂层2采用双层结构，包括金属粘接层和隔热陶瓷层。双层结构制备工艺相对简单，具有良好的耐热能力。金属粘接层采用MCrAlY系合金,0.1~0.2mm厚。金属粘接层主要是一种改善隔热陶瓷层和金属基体1的物理相容性的过度层，用于增加陶瓷涂层与基体的结合力、提高热膨胀系数匹配，同时也提高了金属基体1的抗氧化性。隔热陶瓷层表层材料以ZrO2为主，其具有高熔点、高温稳定性良好、热导率低并且与金属基体1接近的热膨胀率。隔热陶瓷层主要起隔热作用，抗热震能力强。采用高温等离子喷涂的方式依次将金属粘接层与隔热陶瓷层喷涂于金属基体1表面形成热障涂层，涂层厚度约0.3mm，工艺参数为基体温度200℃、喷涂功率3.1kW、喷涂电流480A、喷涂距离100mm、等离子工作气体Ar，通过设置合理的喷涂工艺参数以获得优质的涂层。
某实例中，根据总体下达的机械接口协调要求，确定了发动机药柱端面位置与扩散段出口的结构尺寸。发动机若使用常规挡药板结构，其金属材料结构尺寸受到限制，轴向厚度不得大于15mm。同时，挡药板烧蚀非常严重，单纯增加金属材料厚度无法满足耐烧性要求，并且挡药板厚度过大会使得装药段的轴向距离缩短，减小装药量，降低发动机性能。本发明所述带热障涂层挡药板结构，厚度可以减小为约8.6mm左右，可使装药段的轴向长度增加约6mm，增加装药量，提高发动机性能，简化工艺，节约成本，满足总体对轴向尺寸的要求。同时带热障涂层挡药板结构在高温高压高速气流下耐烧蚀性能良好，可有效避免因挡药板筋条受损、烧断使药柱被吹出从而造成燃烧室内部压力骤降以及发动机的能量损失的情况发生，最大程度上保证了发动机工作的可靠性，提高了导弹整体的工作可靠性。
以直径150mm发动机为例，根据机械协调要求确定了药柱端面位置与扩散段出口的结构尺寸，并在轴向尺寸严格限制的情况下，采用了带热障涂层挡药板结构。在厚度为8mm的金属基体1表面通过等离子喷涂的方式形成厚度约为0.3mm的热障涂层2，控制了挡药板的轴向厚度，确保了厚度8.6mm左右这项关键尺寸要求；表面的热障涂层起到了良好的耐烧蚀作用，确保了高温高流速下挡药板耐烧蚀的关键性能要求。
该结构已在该型号中应用，产品工艺性与可生产性已得到验证，并通过了多次地面试验、飞行试验，结构可靠，满足总体要求。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种导弹发动机带热障涂层挡药板结构，其特征在于，包括双层镂空结构金属基体，喷涂于所述金属基体表面的热障涂层，所述热障涂层包括金属粘结层和隔热陶瓷层；所述金属基体材料采用高强度钢；金属粘接层材料采用MCrAlY 系合金，隔热陶瓷层材料采用纳米ZrO2 团聚体粉末。
2.依据权利要求1 所述的导弹发动机带热障涂层挡药板结构，其特征在于，所述金属基体的厚度为7~8mm；金属基体包括：金属框和分布在金属框内的面筋；所述面筋交叉布置形成镂空网状结构。
3.依据权利要求2 所述的导弹发动机带热障涂层挡药板结构，其特征在于，所述面筋与金属框的连接处采用R2 圆角，面筋边缘采用C1 倒角。
4.依据权利要求2 所述的导弹发动机带热障涂层挡药板结构，其特征在于，所述金属基体的金属框内径为130~135mm，外径为135~148mm；所述面筋包括一层沿横向均匀排布的八条筋条和一层沿纵向均匀排布的八条筋条；每条筋条宽5mm，深度为3.9mm，两层的筋条正对。
5.依据权利要求2 所述的导弹发动机带热障涂层挡药板结构，其特征在于，所述金属基体的金属框内径为130~135mm，外径为135~148mm；所述面筋包括一层沿横向均匀排布的八条筋条和一层沿纵向均匀排布的八条筋条，每条筋条宽4mm，深度为3.9mm，两层的筋条相对转动1~45°。
6.依据权利要求1 所述的导弹发动机带热障涂层挡药板结构，其特征在于，所述热障涂层通过高温等离子喷涂的方式形成在金属基体，主要工艺参数为基体温度100~200℃、喷涂功率2~4kW、喷涂电流300~1000A、喷涂距离60~120mm、等离子工作气体N2 或Ar。
7.依据权利要求2 所述的导弹发动机带热障涂层挡药板结构，其特征在于，所述金属粘接层的厚度为0.1~0.2mm；所述隔热陶瓷层的厚度为0.1~0.2mm。
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