一種發(fā)動機推力室身部制備銥和硅化物組合涂層的方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種高溫抗氧化涂層，特別是涉及一種發(fā)動機推力室身部制備燃燒室 用銥涂層和延伸段用硅化物涂層，以及焊縫位置用鋁化物涂層的制備方法，可應用于雙組 元液體火箭軌/姿控發(fā)動機。
【背景技術】
[0002] 雙組元液體推進劑姿軌控發(fā)動機是現(xiàn)代航天器及戰(zhàn)略戰(zhàn)術武器的重要組成部分， 廣泛應用于衛(wèi)星軌道控制、姿態(tài)調整、精確定位以及航天器的對接、交會及著陸等。發(fā)動機 推力室材料及其表面高溫抗氧化涂層性能則決定了推力室的工作溫度和使用壽命。我國現(xiàn) 有發(fā)動機推力室的涂層制備工藝和涂層體系均不能滿足新一代高性能軌姿控發(fā)動機對推 力室提出的更高要求，制約著姿軌控發(fā)動機性能進一步提高。
[0003] 目前，我國應用于空間飛行器及戰(zhàn)略戰(zhàn)術武器的軌道導入和姿態(tài)控制的雙組元液 體火箭發(fā)動機主要使用硅化物涂層的鈮合金作推力室材料。采用的涂層工藝和體系為料漿 燒結的硅鉻鈦涂層。"第一代"發(fā)動機推力室：基體采用鈮鉿合金，涂層體系為硅鉻鈦，工作 溫度為1350°c。"第二代"發(fā)動機推力室：基體采用鈮鎢合金，涂層體系為硅鉻鈦鉿，其工作 溫度為1450°C左右。以錸為基體銥作涂層的高性能錸銥發(fā)動機，其推力室噴管工作溫度達 2000°C以上，具有高比沖特性應用于衛(wèi)星、空間飛行器的先進推進系統(tǒng)。對于國內情況，目 前還沒有關于錸/銥發(fā)動機的任何應用報道，只有航天材料及工藝研究所最近研制了錸/ 銥的燃燒室短噴管，但是還沒有關于錸/銥燃燒室段與鈮合金/硅化物涂層的延身段的方 案報道。
[0004] 國外從20世紀50年代逐步發(fā)展了多種姿控軌控發(fā)動機材料，材料的選擇除考慮 工作溫度外，還考慮材料的熔點、抗氧化性、熱穩(wěn)定性、強度、熱膨脹系數(shù)、長期氣密性和加 工工藝性能等。對于錸/銥發(fā)動機，目前只有美國使用，但是具體結構和制備方法沒有對外 公開，尤其是發(fā)動機推力室整體制備方案沒有任何報道。此外對于錸/銥發(fā)動機，由于錸和 銥價格高昂，整體發(fā)動機材料錸/銥材料成本會好高。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的上述不足，提供一種發(fā)動機推力室身部制備 銥和硅化物組合涂層的方法，該方法制備的涂層使發(fā)動機燃燒室的工作溫度能夠提高到 2000~2200°C，且延長了發(fā)動機壽命、降低成本，顯著提高生產效率。
[0006] 本發(fā)明的上述目的主要是通過如下技術方案予以實現(xiàn)的：
[0007] -種發(fā)動機推力室身部制備銥和硅化物組合涂層的方法，發(fā)動機推力室身部包括 燃燒室和延伸段兩部分，具體制備方法包括如下步驟：
[0008] 步驟（一）燃燒室表面銥涂層的制備
[0009] (1)、將鉬靶材安裝在真空室內的真空陰極電弧沉積設備上，作為陰極，將燃燒室 放入真空室，作為陽極；
[0010] ⑵、抽取真空，真空表壓彡5X10 2Pa以下開始沉積，弧電流為30~60A，線圈電 流1~10A，控制銥涂層的厚度為100~200 ym;
[0011] (3)、表面沉積完成后，燃燒室隨真空室冷卻至50°C以下后，打開真空室取出燃燒 室；
[0012] 步驟（二）、延伸段硅化物涂層的制備
[0013] 配制Si-Cr-Ti-Hf料漿，將Si-Cr-Ti-Hf料漿涂覆到延伸段，之后將延伸段放入 真空爐中，進行真空燒結生成Si-Cr-Ti-Hf涂層，所述Si-Cr-Ti-Hf涂層的厚度為70 - 150 y m；
[0014] 步驟（三）、將步驟（一）制備完銥涂層的燃燒室與步驟（二）制備完硅化物涂層 的延伸段，采用真空電子束焊接成發(fā)動機推力室身部；
[0015] 步驟（四）、連接處鋁化物涂層的制備
[0016] (1)、配制鋁化物涂層粉末，所述鋁化物涂層粉末為Ni-Cr-Al-Y ;
[0017] (2)利用等離子噴涂方法，將鋁化物粉末噴涂至燃燒室和延伸段連接處無涂層的 地方，涂層厚度控制在150-300 y m;
[0018] (3)將步驟（三）得到的發(fā)動機推力室身部放入真空爐中，進行真空擴散熱處理， 熱處理條件為：在900-1KKTC下保溫30-60min，真空表壓彡5Xl(T 2Pa。
[0019] 在上述發(fā)動機推力室身部制備銥和硅化物組合涂層的方法中，步驟（二）中延伸 段制備硅化物涂層的具體方法如下：
[0020] (1)配制Si-Cr-Ti-Hf料衆(zhòng)，所述料漿由如下A、B、C三種組份混合得到：
[0021] A組份：Si-Cr-Ti-Hf粉，其中Si質量百分比含量為60-70%、Cr質量百分比含量 為5-10%、Ti質量百分比含量為5-10%、Hf質量百分比含量為10-20%;
[0022] B組份：有機粘結劑，質量為Si-Cr-Ti-Hf粉質量的15-25% ;
[0023]C組份：稀釋劑，質量為Si-Cr-Ti-Hf粉質量的80-100% ;
[0024] (2)將步驟⑴得到的Si-Cr-Ti-Hf?料漿涂覆到延伸段，涂層厚度控制在 150-300 u m；
[0025](3)將步驟⑵得到的延伸段放入真空爐中，真空燒結后生成Si-Cr-Ti-Hf涂層， Si-Cr-Ti-Hf涂層的厚度為 70 - 150 y m。
[0026] 在上述發(fā)動機推力室身部制備銥和硅化物組合涂層的方法中，步驟（3)中真空燒 結的工藝條件為：在1370-1490°C下保溫10_30min，真空表壓彡5X1(T 2Pa。
[0027] 在上述發(fā)動機推力室身部制備銥和硅化物組合涂層的方法中，步驟（三）中焊接 前將燃燒室與延伸段連接處的多余涂層和金屬配車加工掉，以保證焊接和尺寸要求。
[0028] 在上述發(fā)動機推力室身部制備銥和硅化物組合涂層的方法中，步驟（四）中 Ni-Cr-Al-Y涂層粉末為Ni-Cr-Al-Y，即Cr的質量百分比含量為20-30%，Al的質量百分比 含量為10-15%，Y的質量百分比含量為0. 5-1 %，余量為Ni。
[0029] 在上述發(fā)動機推力室身部制備銥和硅化物組合涂層的方法中，步驟（四）的（2) 中將鋁化物粉末噴涂至燃燒室和延伸段連接處無涂層的地方，并與燃燒室和延伸段的涂層 搭接，搭接寬度為1~2mm〇
[0030] 在上述發(fā)動機推力室身部制備銥和硅化物組合涂層的方法中，步驟（二）中 S i -Cr-T i -Hf?料漿涂覆的方法為刷涂、浸涂或噴涂。
[0031] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有如下有益效果：
[0032] (1)本發(fā)明從燃燒室到延伸段工作溫度梯度降低的特點出發(fā)，利用錸/銥涂層抗 氧化性能優(yōu)于鈮合金/Si-Cr-Ti-Hf涂層特點，采用兩種涂層制備技術，并通過對制備工藝 的優(yōu)化，制備的涂層具有使發(fā)動機燃燒室的工作溫度高、延長發(fā)動機壽命、降低成本，提高 工作效率的優(yōu)點，滿足發(fā)動機工況要求；
[0033] (2)本發(fā)明涂層制備方法工藝簡單，易于實現(xiàn)，先分別制備燃燒室涂層、延伸段涂 層一燃燒室和延伸段焊接一焊縫處涂層制備，該方法可以滿足不同的制備需求，適用范圍 廣；
[0034] (3)本發(fā)明在燃燒室與延伸段的連接處采用鋁化物涂層，并采用合適的搭接寬度， 同時對涂層制備工藝進行了優(yōu)化設計，鋁涂層阻止銥涂層與硅化物涂層的反應，并具有較 高的耐溫性，很好的實現(xiàn)了涂層的過渡及推力室身部涂層的連續(xù)；此外本發(fā)明對銥涂層制 備工藝進行了優(yōu)化設計，保證了涂層制備的高質量；
[0035] (4)大量試驗表明，本發(fā)明適應性強，使發(fā)動機燃燒室的工作溫度能夠提高到 2000~2200°C;延長發(fā)動機壽命、降低成本（僅是完全錸/銥涂層的1/6成本）、提高生產 效率（僅用完全涂覆銥涂層1/4的時間，并且現(xiàn)有技術無法實現(xiàn)身部全尺寸制備錸/銥推 力室）。
【附圖說明】
[0036] 圖1為本發(fā)明機加后的燃燒室；
[0037] 圖2為本發(fā)明旋壓成型后的延伸段；
[0038]圖3為本發(fā)明制備完銥涂層的燃燒室，其中1為預留配車部位，2為制備的銥涂 層；
[0039] 圖4為本發(fā)明在延伸段上制備硅化物涂層，其中5為制備的涂層；
[0040]圖5為本發(fā)明制備了銥涂層的燃燒室與制備了硅化物涂層延伸段焊接件，即身 部，其中6為焊縫，焊縫處無涂層。
[0041] 圖6為本發(fā)明在無涂層的地方制備鋁化物涂層的身部，其中4為兩種涂層過渡區(qū)。
【具體實施方式】
[0042] 下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細的描述：
[0043] 實施例1
[0044]以制造一種尺寸為(p45~300x500mm:身部（q>45mm為身部最小直徑， (P300為身部最大直徑，500mm為身部總長度）為例，說明本發(fā)明方法的【具體實施方式】。
[0045] (a)燃燒室和延伸段組件準備
[0046] 根據(jù)身部的圖紙要求、預留配車和焊接余量，分別車加工燃燒室<p5〇x1〇〇mm (如圖1)、旋壓加工延伸段(p60x200mm(如圖2);
[0047] (b)燃燒室銥涂層制備
[0048] 其采用如下步驟在燃燒室表面制備鉬層：
[0049] 1)根據(jù)圖紙尺寸加工純銥（99. 9at. % )陰極靶材，除油后安裝在真空陰極電弧沉 積設備上，作為陰極；
[0050] 2)將錸燃燒室除油酸洗，烘干后放在真空室支架上，燃燒室作為陽極；
[0051] 3)抽取真空，真空表壓< 1.33X 10 2Pa以下開始沉積；根據(jù)實際情況，弧電流為 40A，線圈電流1~9A;沉積時間以實際需要為準，保證銥涂層的厚度在160 y m;
[0052] 4)內、外表面沉積完成后，燃燒室隨真空室冷卻至45°C后，打開真空室取出燃燒 室；如圖3所示為本發(fā)明制備完銥涂層的燃燒室，其中1為預留配車部位，2為制備的銥涂 層。
[0053] 5)銥涂層與錸基體的結合力檢驗；把燃燒室放入真空爐中，真空表壓為 6X 10 3Pa，加熱到1000°C保溫30min，銥涂層沒有起泡、分層和其他機械缺陷。
[0054] (c)延伸段涂層制備
[0055] 延伸段制備Si-Cr-Ti-Hf高溫抗氧化涂層的方法，其采用步驟如下：
[0056]1)、配制Si-Cr-Ti-Hf料漿，所述料漿由如下A、B、C三種組份混合得到：
[0057] A組份：Si-Cr-Ti-Hf粉，其中Si質量百分比含量為70%、Cr質量百分比含量為 10%、Ti質量百分比含量為10%、Hf質量百分比含量為10%;
[0058] B組份：有機粘結劑，質量為Si-Cr-Ti-Hf粉質量的25%;
[0059] C組份：稀釋劑，質量為Si-Cr-Ti-Hf粉質量的80%;
[0060] 2)、將步驟1)得到的Si-Cr-Ti-Hf?料漿涂覆到延伸段，涂層厚度為300 y m ;
[0061] 3)、將步驟2)得到的延伸段放入真空爐中，