铱铼复合材料在液机中的应用

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铱铼复合材料在液机中的应用

helium2014/06/04喷气推进 IP:福建

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）。

H-1火箭发动机

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：

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。

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。

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。