一种铼铱燃烧室的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种铼铱燃烧室的制备方法，采用粉末冶金近净成形技术制备铼燃烧室，采用电弧沉积技术在铼燃烧室内外表面制备铱涂层，采用旋压技术制备铂铑环并装配于燃烧室内壁面，采用等离子喷涂技术在燃烧室外表面制备金属氧化物高辐射涂层，本发明专利技术通过对制备过程不同阶段工艺方法及工艺条件的优化设计，使得制备得到的铼铱燃烧室应用于发动机，可以显著提高发动机使用工作温度，实现发动机提高比冲的目的，为飞行器延长飞行寿命、增大有效载荷或增大射程提供技术支撑。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种铼铱燃烧室的制备方法，特别是涉及一种应用于发动机的铼铱燃烧室的制备方法，属于火箭发动机生产制造

技术介绍
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，但取得广泛应用的主要为铌合金涂覆硅化物涂层材料体系。第一代材料体系为铌铪合金(C103)表面涂覆“Si-Cr-Ti”涂层，制备的发动机推力室工作温度达到1350℃，工作寿命高于25000s；第二代为铌钨合金(Nb521)表面涂覆改性“Si-Cr-Ti”涂层或“MoSi2”涂层，制备的推力室工作温度达到1450℃和1600℃，工作寿命高于25000s。随着飞行器的进一步发展，对发动机性能提出了更高的要求，工作温度达到1800℃以上，上述铌合金及涂层材料体系无法满足需求，因此各国均开展新一代材料体系的研制。经过一段时间的研制工作，铼基材涂覆铱涂层被选为理性的材料体系，铼具备优异的高温力学性能，铱具备优异的高温抗氧化性能，以此材料制备发动机可以提高发动机比冲，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。因此如何制备在高温环境具有长寿命且具有高性能的铼铱燃烧室成为亟待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种铼铱燃烧室的制备方法，采用该方法制备的铼铱燃烧室，通过试验考核，在工作温度1900-2200℃范围内，达到工作寿命25000s以上，满足高性能发动机燃烧室段研制阶段性指标要求，为提高发动机比冲、延长飞行器飞行寿命、增大有效载荷或增大射程提供技术支撑。本专利技术的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：一种铼铱燃烧室的制备方法，包括如下步骤：步骤(1)、采用粉末冶金成形工艺制备铼燃烧室基体；步骤(2)、采用电弧沉积的方法依次在铼燃烧室基体的内表面、出口段和外表面制备铱涂层；步骤(3)、采用旋压工艺制备铂铑环，旋压工艺所用模具包括第一模具与第二模具，其中第一模具包括第一装卡端和第一模具端，所述第一装卡端和第一模具端均为圆柱形结构，且轴线重合；第二模具包括第二装卡端和第二模具端，所述第二装卡端为圆柱形结构，第二模具端为圆柱形的台阶结构，包括直径不同的两部分圆柱体，其中一部分圆柱体的直径与第一模具端的直径相同，所述第二装卡端和第二模具端的轴线重合；具体旋压工艺为：首先将铂铑圆片坯料装卡于第一模具的第一模具端，启动旋压，使铂铑圆片坯料变形为内径与第一模具端直径相同的桶形件，然后更换第二模具，将所述桶形件装卡于第二模具的第二模具端，进行第二次旋压，得到具有台阶结构的铂铑环；步骤(4)、将步骤(3)制备得到的铂铑环装配于步骤(2)得到的铼铱燃烧室入口端内壁，使铂铑环台阶与铼铱燃烧室入口端内壁台阶相
配合；步骤(5)、在铼铱燃烧室外表面喷涂高辐射涂层。在上述铼铱燃烧室的制备方法中，步骤(1)中制备铼燃烧室基体采用的成型模具包括芯模和包套，所述芯模和包套的形状与待制备的铼燃烧室基体的形状相匹配，芯模置于包套内部，在芯模与包套之间形成装粉区，此外在成型模具两端的芯模上形成台阶结构，所述芯模的材料为铌钨合金。在上述铼铱燃烧室的制备方法中，采用成型模具制备铼燃烧室基体后，采用机加工方法去除包套和芯模，保留芯模中的部分台阶，使得铼燃烧室基体与芯模中的部分台阶一体成型，实现铼燃烧室两端的铼铌一体成型。在上述铼铱燃烧室的制备方法中，步骤(1)中粉末冶金成形工艺包括前期成形工艺和后续热处理工艺，其中前期成形工艺的工艺条件为：温度1300℃～1380℃，压力≥120MPa，保温时间3～5h；后续热处理工艺的工艺条件为：真空环境≤1×10-3Pa，温度1550-1650℃，保温时间1-3h。在上述铼铱燃烧室的制备方法中，步骤(2)中在铼燃烧室基体的内表面制备铱涂层采用的铱靶材为圆台形状，制备铱涂层的厚度为150-200μm；在铼燃烧室基体的出口段和外表面制备铱涂层采用的铱靶材均为圆柱形状，制备铱涂层的厚度为50-100μm。在上述铼铱燃烧室的制备方法中，圆台形状铱靶材的小端直径与大端直径的比值1:3～3:5；所述圆柱形状铱靶材的直径与高度的比值为2:3～5:6。在上述铼铱燃烧室的制备方法中，步骤(2)中首先将圆台形状的铱靶材置于铼燃烧室基体内部，进行铼燃烧室基体内表面涂层的制备；然后选用圆柱形铱靶材，将铼燃烧室基体水平放置，出口段与圆柱形铱靶
材同轴，距离5-10mm进行铼燃烧室基体出口段铱涂层的制备；最后选用圆柱形铱靶材，将铼燃烧室基体竖直放置，与铱靶材距离5-10mm，完成铼燃烧室基体外表面铱涂层的制备。在上述铼铱燃烧室的制备方法中，步骤(2)中电弧沉积工艺条件为：真空表压≤1×10-2Pa，弧电流为50～70A，线圈电流为1～10A；沉积时间为1-3h。在上述铼铱燃烧室的制备方法中，步骤(3)中铂铑圆片坯料中铂的质量百分比含量为85％～92％，铑的质量百分比含量为8％～15％；所述第一模具与第二模具的材料为45#钢。在上述铼铱燃烧室的制备方法中，步骤(3)中旋压工艺使用旋轮的材料为轴承钢，旋压工艺在车床上进行，工件转速为600～1000r/min，单次进给量为0.2-0.4mm。在上述铼铱燃烧室的制备方法中，步骤(5)中在铼铱燃烧室外表面采用等离子喷涂的方法制备高辐射涂层，所述高辐射涂层选用氧化铪与氧化镨混合粉进行等离子喷涂，其中氧化铪质量百分比含量为75～85％，氧化镨质量百分比含量为15～25％，粉体粒度为20-100μm。本专利技术与现有技术相比具有如下有益效果：(1)、本专利技术采用粉末冶金近净成形技术制备铼燃烧室，采用电弧沉积技术在铼燃烧室内外表面制备铱涂层，采用旋压技术制备铂铑环并装配于燃烧室内壁面，采用等离子喷涂技术在燃烧室外表面制备金属氧化物高辐射涂层，本专利技术通过对制备过程不同阶段工艺方法及工艺条件的优化设计，使得制备得到的铼铱燃烧室应用于发动机，可以显著提高发动机许用工作温度，实现发动机提高比冲的目的，为飞行器延长飞行寿命、增大有效载荷或增大射程提供技术支撑。(2)、采用本专利技术技术方案完成的铼铱燃烧室，通过了试验考核，试验过程中外壁面远红外测温为1900-2200℃，试验累计时间25100s，满足高
性能发动机燃烧室段研制阶段性指标要求。(3)、本专利技术制备的铼铱燃烧室，能够在壁温2000℃下工作，可应用于高性能发动机，确保发动机工作寿命。(4)、本专利技术采用粉末冶金成形工艺制备铼燃烧室基体，采用的成型模具两端的芯模上设计了台阶结构，芯模的材料为铌钨合金，通过台阶形成的斜面锁合结构增强与了铌钨合金与装粉区内铼的连接，粉末冶金工艺实现了燃烧室入口端铼铌一体成型，并通过后本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铼铱燃烧室的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤(1)、采用粉末冶金成形工艺制备铼燃烧室基体(5)；步骤(2)、采用电弧沉积的方法依次在铼燃烧室基体(5)的内表面、出口段和外表面制备铱涂层(6)；步骤(3)、采用旋压工艺制备铂铑环(7)，旋压工艺所用模具包括第一模具与第二模具，其中第一模具包括第一装卡端(1‑1)和第一模具端(1‑2)，所述第一装卡端(1‑1)和第一模具端(1‑2)均为圆柱形结构，且轴线重合；第二模具包括第二装卡端(2‑1)和第二模具端(2‑2)，所述第二装卡端(2‑1)为圆柱形结构，第二模具端(2‑2)为圆柱形的台阶结构，包括直径不同的两部分圆柱体，其中一部分圆柱体的直径与第一模具端(1‑2)的直径相同，所述第二装卡端(2‑1)和第二模具端(2‑2)的轴线重合；具体旋压工艺为：首先将铂铑圆片坯料装卡于第一模具的第一模具端(1‑2)，启动旋压，使铂铑圆片坯料变形为内径与第一模具端(1‑2)直径相同的桶形件，然后更换第二模具，将所述桶形件装卡于第二模具的第二模具端(2‑2)，进行第二次旋压，得到具有台阶结构的铂铑环(7)；步骤(4)、将步骤(3)制备得到的铂铑环(7)装配于步骤(2)得到的铼铱燃烧室入口端内壁，使铂铑环(7)台阶与铼铱燃烧室入口端内壁台阶相配合；步骤(5)、在铼铱燃烧室外表面喷涂高辐射涂层(8)。...

【技术特征摘要】
1.一种铼铱燃烧室的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤(1)、采用粉末冶金成形工艺制备铼燃烧室基体(5)；步骤(2)、采用电弧沉积的方法依次在铼燃烧室基体(5)的内表面、出口段和外表面制备铱涂层(6)；步骤(3)、采用旋压工艺制备铂铑环(7)，旋压工艺所用模具包括第一模具与第二模具，其中第一模具包括第一装卡端(1-1)和第一模具端(1-2)，所述第一装卡端(1-1)和第一模具端(1-2)均为圆柱形结构，且轴线重合；第二模具包括第二装卡端(2-1)和第二模具端(2-2)，所述第二装卡端(2-1)为圆柱形结构，第二模具端(2-2)为圆柱形的台阶结构，包括直径不同的两部分圆柱体，其中一部分圆柱体的直径与第一模具端(1-2)的直径相同，所述第二装卡端(2-1)和第二模具端(2-2)的轴线重合；具体旋压工艺为：首先将铂铑圆片坯料装卡于第一模具的第一模具端(1-2)，启动旋压，使铂铑圆片坯料变形为内径与第一模具端(1-2)直径相同的桶形件，然后更换第二模具，将所述桶形件装卡于第二模具的第二模具端(2-2)，进行第二次旋压，得到具有台阶结构的铂铑环(7)；步骤(4)、将步骤(3)制备得到的铂铑环(7)装配于步骤(2)得到的铼铱燃烧室入口端内壁，使铂铑环(7)台阶与铼铱燃烧室入口端内壁台阶相配合；步骤(5)、在铼铱燃烧室外表面喷涂高辐射涂层(8)。2.根据权利要求1所述的一种铼铱燃烧室的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中制备铼燃烧室基体采用的成型模具包括芯模(3)和包套(4)，所述芯模(3)和包套(4)的形状与待制备的铼燃烧室基体(5)的形状相匹配，芯模(3)置于包套(4)内部，在芯模(3)与包套(4)之间形成装粉区(10)，此外在成型模具两端的芯模(3)上形成台阶结
\t构，所述芯模(3)的材料为铌钨合金。3.根据权利要求2所述的一种铼铱燃烧室的制备方法，其特征在于：采用成型模具制备铼燃烧室基体(5)后，采用机加工方法去除包套(4)和芯模(3)，保留芯模(3)中的部分台阶，使得铼燃烧室基体与芯模(3)中的部分台阶一体成型，实现铼燃烧室两端的铼铌一体成型。4.根据权利要求1～3之一所述的一种铼铱燃烧室的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中粉末冶金成形工艺包括前期成形工艺和后续热处理工艺，其中前期成形工艺的工艺条件为：温度130...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐方涛，贾文军，李海庆，张绪虎，石刚，
申请(专利权)人：航天材料及工艺研究所，中国运载火箭技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11