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SiC陶瓷在航天器高温结构件研制中的应用
2019年04月02日 13:25 潍坊百德机械设备有限公司
现代制造技术的迅猛发展,对工程材料提出了愈来愈高的性能要求尤其某些##学科不仅要求工程材料具备良好的机械性能,而且要求其具有良好的化学物理性能,诸如比重、耐腐蚀耐高温及热传导等如在火箭和导弹的发展中,鼻锥是关键部件,它要承受1 50dC的高温,要求材料具有高的高温强度和良好的抗氧化性能,只有当今被称为现代陶瓷中的结构陶瓷才能满足其性能要求近年来,结构陶瓷作为一种新型的工程材料而风靡科技界。英、美、法、日等工业发达国家已广泛地将结构陶瓷材料应用于航空、航天和高精密机械的结构件的制造,且已取得了可观的经济和社会效益结构陶瓷包括氮化硅碳化硅氧化锆、氧化铝六方氮化硼等。而碳化硅(SiC)因其优良的高温力学性能低热膨胀系数、高导热率、良好的抗热冲击性及比重轻(只有一般金属的三分之一)被广泛应用于航空航天器件(如火箭发动机燃烧室内壁喷嘴鼻锥)的制造。本项目为某航天器上的高温燃烧室,原来曾用过金属铌(Nb)来制造,但其比重大且高温力学性能的限制使航天器的总体性能受到了极大的影晌因此,本研究采用碳化硅陶瓷来制造某航天燃烧室以达到其使用性能要求1 1 SC的基本特性Sic的晶体结构SiC是Si-C间键力很强的共价键化合物SC有75种变体,主要的变化是a-SC和|3-SC~SiC是高温稳定型,|3~SiC在2 100°C开始向a-SC转变,在2 400°C迅速转变成a-SiCSiC的长程结构很复杂,但其短程结构简单由碳硅原子相间排列构成类金刚石的四面体结构常见的结构有a型6H六方、4H六方和卩-SiC的面心立方。SC的晶体结构决定了其具有高的熔点、硬度、化学惰性和高温强度SiC陶瓷的性能及应用反应烧结碳化硅和烧结、热压碳化硅一样都是致密材料英国Refel反应烧结碳化硅的平均晶粒大小为0.5~5m碳化硅陶瓷都是以穿晶断裂为主,其强度取决于碳化硅的晶粒大小。碳化硅的断裂源主要是大晶粒、表面连通孔隙和某些夹杂在烧结a-SiC和烧结P-SiC中,断裂都同a相的异常长大有关。表1为国内外几种碳化硅陶瓷的性能表1国内外几种碳化硅陶瓷的性能性能反应烧结REFEL热压上海硅酸盐所SSA密度抗弯强度/N.mm-2弹性模量/<热膨胀系数(<导热系数(卡/cm.s.°C SiC陶瓷的高温蠕变速率小。在高温长时间使用中,SiC陶瓷很稳定,抗氧化性好,强度较少受环境(例如氧化)的影晌SiC的耐急冷急热性好,且具有优良的高温抗腐蚀性。因而,碳化硅常用在飞机、火箭等的燃烧器部件、火箭喷嘴及轴承滚珠机械密封等处用SiC制造航天器燃烧室可以说是物尽其用了。

  2SC燃烧室的研制21研制要求为某航天器燃烧室的零件简图,该制件有较高的制造精度要求其技术要求为:(1)强度试验:压力2. 0MPa保压15min,制件无任何损坏;(2)气密试验:压力1.压15min,无任何泄漏;(3)零件可在温度不低于1 30,压力大于。8MPa情况下连续工作30h 22研制工艺流程Ci?合成Sb除碳?SiC微粉?添加烧结助C齐卜混磨?等静压成型素坯?预烧素坯?机加工(粗加工常压烧结?磨削(精加工)至图纸要求尺寸成品某航天器燃烧室示意2.1SC微粉的制备高纯度细碳化硅粉用气凝二氧化碳和燃气碳黑合成,其反应式为Si2+ 35nm的碳150C时通氩气保护,反应4h获得2~ 3m的纯P-Sic粉原料中加入微量SiC粉可抑制SC的长大反应生成的SC微粉可能还有多余的碳黑,故安排除碳工序。

  22.2SC坯件的成型该制件的成型采用冷等静压成型方法跟模压法比较其具有可以成型形状复杂的零件,且制件密度均匀,可获得接近完全致密的材料的优点。本制件采用湿袋模具的冷等静压方法成型,成型的坯件按零件图留有适当余量22.3SC制件的烧结SiC很难烧结其晶界能与表面能之比很高,不易获得足够的能量形成晶界而烧结成块体。SiC烧结时的扩散速率很低,其表面的氧化膜也起扩散势垒作用。因此,碳化硅需要借助添加剂或压力等才能获得致密材料本制件采用Al-B~C作为烧结助剂。硼(B)在SC晶界的选择性偏析减小晶界能,提高烧结推动力,但过量的B会使SiC晶粒异常长大添加C(碳)可以还原碳化硅表面对烧结起阻碍作用的S02膜,并使表面自由能提高但过多的碳,使制品失重,密度下降。铝(Al)有抑制晶粒长大的作用,并有增强硼的烧结助剂作用,但过量的Al却会使制件的高温强度下降因此,必须通过试验合理确定Al,B,C的用量22.4制件坯件的粗、精加工制件的素坯用切削(常规方法)加工方法,为后续的磨削加工(精加工)留下余量磨削加工用特制的夹具及金刚石刀具进行由于碳化硅制件的许多性能可随其微粉的尺寸大小及其微粉的活性元素的含量而变化,故其微粉尺寸严格控制在2~3m另外,素坯和常压烧结的加热升温速率也对成品的质量产生重要的影晌23关键工艺的工艺参数23.1素坯制作工艺参数制作素坯的目的是为下一步机加工作准备,其原则是制作的素坯有一定的强度,并使切削加工易于进行。成型素坯用冷等静压的湿袋成型方式,其冷等静压压力为250MPa冷等静压在专用设备上进行。素坯预烧结温度约为1500°C,烧结时间为1.5~ 3.2制件的常压烧结本烧嫌化硅制件的蓖终烧魃厉加烧结助剂常压烧结方se在¥0鲫:电阻炉内进行其烧结温度2300°C,烧结时间为1~ 1.5h尽量使P-SC转化为高温稳定型24SiC燃烧室制件的性能(见表2)体积密度气孔率抗弯强度热膨胀系数导热系数表2碳化硅燃烧室制件的基本性能2.5SiC燃烧室制件的试验强度试验曲线根据设计要求,SC燃烧室制件必须经过强度、气密、高温、急冷急热等性能试验25.1强度试验0MPa气压,持续30min,制件保持完好。为强度试验曲线25.2气密性能试验气密性能试验,未见制件有任何泄漏。为试验曲线25.3急冷急热循环试验急冷急热循环试验方式模拟该制件的实际使用条件的方法进行即将制件在室温下置于MSi2电炉中加热至1300°C而快速置于空气中强制风冷。冷却速率30C/mi如此循环10次,未见制件有裂纹和破坏。为急冷急热循环试验曲线25.4高温试验1~2.5.3各项试验的制件用于某航天器的地面模拟装机高温试验,试验后制件完妊急冷急热试验曲线SiC陶瓷燃烧室制件的各种模拟现场的性能试验表明,用SiC陶瓷材料代替金属材料制备航天器高温燃烧室是现实的,且优越性明显SiC陶瓷材料应用于民用耐高温结构件前景良好,在某些情况下还可能免除原先的冷却系统