铱铼复合材料在液机中的应用
本帖最后由 helium 于 2014-6-4 22:57 编辑

       无论是哪种发动机,首要考虑的问题就是喷管和燃烧室的烧蚀问题,或许对于固机这个问题还不算突出,而对于液机,这个问题是首要考虑的,液机的特殊性在于,材料不能太厚而且又要长时间工作或者多次工作,对于材料要撑住氧化剂的高温烧蚀而且要保持足够的高温强度,这一点很重要,而最近我比较关注耐蚀材料,也看到了这么个帖子:XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/p/3004211359     ,而我在这里顺便摘录一下这个帖子的部分内容来描述一下(会修改一下部分内容,这个事情已经和原作者在QQ上面商量过的,他没意见)。
yl.png


H-1火箭发动机
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先说一下燃料,这些燃料是有出现过的:
NTO/MMH(四氧化二氮/一甲基肼),或者偏二甲肼:应用很广泛。
硝酸羟胺基液体推进剂(HAN):是近年来推崇的一种比较”环保“的绿色推进剂,火焰温度高达2700°C。
氢氧推进剂(H2/O2),火焰温度高达3410°C。
氟肼推进剂(F2/N2H4),用氟作为氧化剂,火焰温度高达4468°C以上。
过氧化氢煤油
液氧煤油
红烟硝酸-肼

下面是正文:

       多年以来,使用最广泛的推进剂,是NTO/MMH(四氧化二氮/一甲基肼):这种氧化性的推进剂在火箭发动机燃烧室中充分燃烧,可以产生200个大气压左右的压力,并使壁温达到惊人的1800°C- 2200°C。在这种高温高压氧化环境中,最先进的镍基单晶高温合金早已变成了液体,铌合金,碳化硅陶瓷等先进材料的也无法耐受,寿命很短。
经过多年的潜心研究,在排除了钨,钼,钽,氧化铝,以及很多高温陶瓷材料之后,人们最终发现了一个“奇迹”,只有他们才能迎接这个巨大的挑战,它们,就是铱/铼组合:
1.铱:最耐腐蚀的金属,在高达2200°C时,还有一定的抗氧化能力(抗氧化性是钨,钼,铼等难熔金属的上千倍)。可以在2200°C的中等氧化环境中长期工作。并且,薄薄的一层镀铱层,就可以对氧的渗透起到非常好的隔离作用,保护里头的金属不会与氧接触。
2.铼:熔点在所有金属中位居第二(3180°C),但高温强度居所有金属之首,在2300°C的高温下,抗拉强度竟然仍高达250MPa,比钨还高1/3! 跟低碳钢的室温强度差不多!并且,在室温下的韧性好,这一点强过钨太多,而且,铼在高温下不会与碳反应, 这些因素决定了铼是最好的高温结构材料!但它的缺点就是高温抗氧化能力太差了。

       一个是抗化学攻击最强的金属材料(其实铱的在1600°C时高温强度也仅次于铼和钨),一个是抗物理攻击最强的金属材料,而且,它们两个是天然的“好基友”——随着温度的变化,”热涨“或”冷缩“的幅度类似,因此不用担心它们的”结合“会出现间隙。
人们利用这些宝贵的特性——在铼上覆盖一层铱保护层,制成了世界上最“顽强”的复合材料之一——铱/铼复合材料!
用这种材料制造的燃烧室,可以在NTO/MMH推进剂释放出的高温高压力量之下,顽强地工作。截至目前为止,用该发动机制造的航空器,已成功发射了数百个,这不仅积累的了丰富的使用经验,也充分验证了这种材料的可靠性。
所以,没有铱和铼,就没有现代的航空航天工业!

例如,美国的R-4D-14型445N高性能液体远地点发动机, 选材如下:
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1.温度最高的燃烧室,用铱/铼复合材料制造的。
2.喷管前段使用著名的C103铌基高温合金制造:——没错,就是《视觉之旅,神奇的化学元素》的作者,“偷“的那种合金材料,上面涂覆二氧化硅保护层,使用温度极限在1370℃。
3.最末端的喷管部位温度最低,使用高强度钛合金:Ti-6Al-4V。


下图简要地说明了这种燃烧室的基本制造工艺,采用醋酸铱为原料,使用化学气相沉积(CVD)的方法,在铼上制备铱涂层,至于详细的制造方法与参数,我只找到几份资料。

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由于铱/铼复合材料,密度太大,成本也非常高——铱成品的价格比铂要高得多,铼的价格也等同于贵金属,为了减轻重量,近年来开始有使用铱,铼,碳复合材料的。

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       另外,由于新型的硝酸羟胺基液体推进剂(HAN)、红烟硝酸系列推进剂的氧化性更强,在2000°C以上的高温中,单纯的铱保护层也不能获得满意的寿命,因此目前出现了在铱层上再覆盖氧化铪(或者氧化锆)保护层的:氧化物/铱/铼/碳复合燃烧室。氧化性介质渗透过最外层保护膜,到达铱层时,浓度已经下降了,这样铱层应付起来,就游刃有余。这种燃烧室最高工作温度可达到2400°C,是目前被实际验证过的,工作温度最高结构材料系统。


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一些资料:

attachment icon 铼_铱发动机喷管研究最新进展.attach 634.59KB ATTACH 87次下载

attachment icon CVD铱涂层_铼基复合喷管研究进展.attach 268.69KB ATTACH 48次下载

attachment icon MOCVD工艺制备高温抗氧化铱涂层的研究.attach 2.42MB ATTACH 1904次下载

attachment icon MOCVD生长的动力学模式探讨.attach 176.05KB ATTACH 112次下载





+5  科创币    王者归来abs    2014/06/05 感谢分享。。没分了。。全给你
+95  科创币    zzlzhang    2014/06/06 没事我有
来自:航空航天 / 喷气推进
21
1
巡飞弹
8年3个月前
1楼
顶一个
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darkorochi
8年3个月前
2楼
这才是往天上扔钱啊、、、、、
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博丽灵梦
8年3个月前
3楼
根据我找到的相关资料和实际经验。。。HAN基不如ADN基,但其实这两个都木有实用价值。。。
制造成本太夸张了,相对来说ADN还不错,能量高且成本比较低,但对于业余爱好者几乎无法承受
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博丽灵梦
8年3个月前
4楼
对了。。。馆长不是在kc里有个id吗。。。
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aeolus
8年3个月前
5楼
求馆长kcid
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chaozhou
8年3个月前
6楼
不是可以用燃料冷却吗?然后燃烧室就用铜做就行了,导热好。记得火神2和SSME就是这样。
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博丽灵梦
8年3个月前
7楼
aeolus 发表于 2014-6-5 10:29
求馆长kcid


耐腐蚀艺术馆
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神の左手
8年3个月前
8楼
这些都是土豪用的材料,他们的目的都是精益求精,增加热量提高比冲,往往增加10~20个比冲的发动机光材料上就要花费上百万上千万, 随着科技的不断进步新型耐烧蚀材料已经诞生!
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helium作者
8年3个月前
9楼
神の左手 发表于 2014-6-5 12:36
这些都是土豪用的材料,他们的目的都是精益求精,增加热量提高比冲,往往增加10~20个比冲的发动机光材料上 ...


你来科普一下
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go炮君
8年3个月前
10楼
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Sherman航天局
8年3个月前
11楼
这个运用在民间看似不实际,理由如下1:优质材料难以寻觅,2:加工方面技术欠缺,3:材料价格高,非普通人可以承受。
楼主的探索精神值得学习,点赞,但同时希望楼主可以多方面考虑
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王者归来abs
8年3个月前
12楼
718281828kc 发表于 2014-6-5 10:21
对了。。。馆长不是在kc里有个id吗。。。


馆长有ID。。
我问过他
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博丽灵梦
8年3个月前
13楼
王者归来abs 发表于 2014-6-5 20:33
馆长有ID。。
我问过他


耐腐蚀艺术馆。。。
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王者归来abs
8年3个月前
14楼
718281828kc 发表于 2014-6-5 21:07
耐腐蚀艺术馆。。。


我当时还想帮他注册一个拉他入科创。。结果一看耐腐蚀艺术馆这个名已经有人注了。。一问早在科创有号了
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chaozhou
8年3个月前
15楼
神の左手 发表于 2014-6-5 12:36
这些都是土豪用的材料,他们的目的都是精益求精,增加热量提高比冲,往往增加10~20个比冲的发动机光材料上 ...


燃料吸收热量后还是要注燃烧室,所以热量并没有损失。
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耐腐蚀艺术馆
8年3个月前
16楼
哈哈,我来啦!
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耐腐蚀艺术馆
8年3个月前
17楼
神の左手 发表于 2014-6-5 12:36
这些都是土豪用的材料,他们的目的都是精益求精,增加热量提高比冲,往往增加10~20个比冲的发动机光材料上 ...


哈哈,我来啦。你居然也在这里。
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耐腐蚀艺术馆
8年3个月前
18楼
go炮君 发表于 2014-6-5 16:52
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谢谢啊。
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耐腐蚀艺术馆
8年3个月前
19楼
王者归来abs 发表于 2014-6-5 20:33
馆长有ID。。
我问过他


嗯,我来啦,今天第一次发帖呢。
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耐腐蚀艺术馆
8年3个月前
20楼
本帖最后由 耐腐蚀艺术馆 于 2014-6-14 18:07 编辑

aeolus 发表于 2014-6-5 10:29
求馆长kcid


嗯,就是这个啦。
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