钨基合金是一种以金属钨为基以其他金属元素如铜、钼为辅助材料的合金,其因有出色的物理化学性质,而常广泛应用于高温等特殊环境当中。
火箭喉衬之所以要用钨铜合金来作为重点生产原料,就是因为它能承受较高的工作温度和机械冲击能力。
固体火箭发动机为使用固体推进剂的化学火箭发动机,由药柱、燃烧室、喷管组件和点火装置等组成。其中火箭发动机喷管属收敛-扩散型喷管,由入口段、喉部、出口锥构成,它的作用是将燃烧产物的热能转换为高速射流的动能从而产生推力。扩张比,也就是喉部和喷口的面积比,其将直接影响到发动机的性能。
与液体发动机采用冷却喷管不同,固体发动机采用烧蚀喷管,喷管内壁涂有烧蚀材料,通过材料的烧蚀蒸发吸收热量,防止喷管过热烧毁。在整个喷管中侯衬部位也需要经受较大的温度和压力。
实际上,不论是固体还是液体发动机,火箭喉衬材料的选择都尤为重要。钨铜合金因是一种金属发汗材料,而成为现代喉衬的优选材料。
该合金是基于钨和铜两相物质互不溶解互相润湿的原理进行研制的。其可以用粉末冶金的方法来制备,以钨粉为原料制成具有一定强度,且对相对密度、开孔率有严格要求的多孔结构件;然后借助毛细管力的作用将铜渗透到多孔钨骨架中,形成两相复合结构材料。
当发动机工作时,渗入钨骨架中的铜汽化蒸发,吸取热量,降低喉衬温度而起到保护作用。由于渗入铜的作用,大大提高了合金强度,通常高于基体强度法人4-5倍,进而提升抗热震性,改善机加工性。
在大力发展新材料、新工艺的背景下,喉衬结构的设计和研究也得到了高度重视。先后经发动机应用的喉衬结构有5类:
1.耐热喉衬结构
属于本类的有:等离子喷涂氧化锫、纯钼锻件、钨一钼合金铸件、钨一钴硬质合金整体喉衬结构。特点是靠喉衬材料本身起耐热、热沉积作用。
2.热沉喉衬结构
属于本类的有:升华温度高、导热率高的各种多晶石墨、热解石墨、毡基碳-碳、多维纺织碳-碳整体喉衬结构。特点也是靠喉衬材料本身起耐烧蚀热沉作用。
3.耐热-热沉复合喉衬结构
属于本类的有:旋压钨-石墨、陶瓷嵌镶-石墨复合喉衬结构。特点是热沉作用好,石墨作喉衬背衬,钨,陶瓷作为耐热抗冲刷的喉衬衬里。
4.自冷-热沉复合喉衬结构
属于本类的有:钨渗铜-石墨、钨丝增强等离子喷涂,钨渗银-石墨复合喉衬结构。特点是钨渗铜自发汗冷却型材料作为耐热抗冲刷喉衬衬里,石墨作背衬吸热,因此发挥了两种材料的优点,且衬里与背衬之间不需采用较复杂的钎焊工艺,具有工艺简单、周期短、适应性强的特点。
5.烧蚀喉衬结构
属于本类的有:模压酚醛-高硅氧玻璃纤维增强塑料。特点是用在允许烧蚀、工作时间短的大型助推器上作喉衬。
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