一种小尺寸铼铱发动机燃烧室的复合成形制备方法

摘要

本发明涉及一种小尺寸铼铱发动机燃烧室的复合成形制备方法，主要应用于小尺寸的高性能铼铱发动机燃烧室，小尺寸是指燃烧室的喉部直径不大于5mm。本发明所覆盖的“由内向外”制备工艺符合小尺寸铼铱发动机燃烧室的尺寸特点，电弧离子镀工艺制备铱涂层纯度高，厚度均匀性好，制备效率高；化学气相沉积工艺制备的铼层致密性好，力学性能优异，无效沉积量少，减少后续的机械加工量。本发明适应性强，可重复性高，制备的小尺寸铼铱燃烧室性能稳定，质量可靠。

说明书

技术领域

本发明涉及一种小尺寸铼铱发动机燃烧室的复合成形制备方法，主要应用于小尺寸的高性能铼铱发动机燃烧室，小尺寸是指燃烧室的喉部直径不大于5mm。

背景技术

航天发动机姿控系统目前主要采用肼类单组元推进剂。肼类推进剂具有很大的吸入致癌毒性，且易燃易爆。在产品生产、试验及使用过程中，不仅会对人员的生命和健康造成严重的危害，而且会对环境造成污染，同时还增加了生产、发射和使用维护的成本。近年来，随着社会不断进步和航天技术不断发展，环境保护和人员健康维护的要求更为严格，发展新型无毒推进系统以代替高毒性的肼单元推进系统已经成为一种趋势。研制无毒推进单元发动机过程中发现，新型推进剂比冲超过肼20％，且在获得高性能的同时，其燃烧温度较原来的肼有了大幅度的提高，最高可达1800℃，这就导致了肼单元推进系统采用的镍基高温合金燃烧室无法继续使用，必须研制新的燃烧室材料来满足新型无毒推进剂发动机的需求。而铼基材表面涂覆高温抗氧化铱层是目前可选材料中唯一的理想材料。

采用粉末冶金成形铼层+电弧沉积制备铱层的工艺，研制的短喷管已通过地面25000s试车。但局限于粉末冶金及电弧沉积的工艺特点，该方案无法复制应用于小尺寸铼铱燃烧室。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种小尺寸铼铱发动机燃烧室的复合成形制备方法，小尺寸是指燃烧室的喉部直径不大于5mm。

本发明的技术解决方案是：

一种小尺寸铼铱发动机燃烧室的复合成形制备方法，该方法的步骤包括：

(1)制备铼铱发动机燃烧室的芯模，根据发动机燃烧室的内型面，采用机械加工工艺加工芯模芯模的材料为钼或石墨，芯模的外型面与燃烧室的内型面一致，机加工后的芯模表面粗糙度不大于0.3；

(2)将步骤(1)制备的芯模进行预处理；

当芯模的材料为钼时，预处理采用真空热处理工艺，预处理温度为950-1050℃，预处理时间为0.5-1h，预处理的目的是为了降低芯模的加工应力；

当芯模的材料为石墨时，预处理是指在芯模外表面采用化学气相沉积工艺沉积一层铼层，铼层厚度为80-100微米；

(3)在步骤(2)预处理后的芯模外表面采用电弧沉积工艺沉积高温抗氧化铱涂层；

沉积铱涂层的详细方法为：

1)根据图纸采用锻造或铸造工艺加工铱(99.9at.％)阴极靶材，并对阴极靶材除油后安装在电弧沉积设备上，作为阴极；

2)将预处理后的芯模除油酸洗，烘干后放在电弧沉积设备中真空室支架上，芯模作为阳极；

3)对电弧沉积设备中真空室抽真空，真空表压≤1.33×10^-2Pa以下开始沉积；弧电流为50～70A，线圈电流1～10A；沉积时间以实际需要为准，保证铱涂层的厚度在80μm以上；

4)铱涂层沉积完成后，芯模随真空室冷却至50℃以下后，打开真空室取出芯模。

(4)在步骤(3)得到的芯模的铱涂层上化学气相沉积毫米厚铼层；

化学气相沉积工艺沉积铼层选用的前躯体为五氯化铼，化学气相沉积工艺沉积铼层使用的装置包括载气气瓶、前躯体瓶、反应室、进气管、出气管、前躯体再生室、冷凝收集室、过滤器、真空泵、电机和尾气处理装置；

所述的载气气瓶内存储有载气气体，载气气体优选惰性气体Ar气；

所述的前躯体瓶用于储存五氯化铼，前躯体瓶为钢瓶，前躯体瓶放置在电阻炉中，通过电阻通电给前躯体瓶进行加热；

所述的反应室的材料为石英，反应室外壁上环绕有感应线圈，通过感应加热对反应室内的待沉积工件进行加热；

所述的进气管为石英材质，且侧壁轴向上有一狭缝，狭缝的宽度为1-2mm；

所述的出气管为石英材质，且侧壁轴向上有一狭缝，狭缝的宽度为1-2mm；

所述的进气管和出气管安装在反应室内；

所述的前躯体再生室中盛有粉末状金属铼，当有氯气通过前躯体再生室时，金属铼与氯气发生反应，生成五氯化铼，生成的五氯化铼进入到冷凝收集室中，五氯化铼冷凝后重新放置到前躯体瓶中重复利用；

所述的过滤器用于过滤在冷凝收集室中未完全收集的五氯化铼，起到对真空泵进行保护的作用；

所述的电机用于带动待沉积的工件进行转动；

所述的尾气处理装置用于处理未反应的氯气，尾气处理方式优选水洗处理方式；

载气气瓶与前躯体瓶通过第一管路连接，在第一管路上安装有第一阀门和质量流量计，质量流量计用于控制从载气气瓶进入到前躯体瓶中惰性气体的流量；

前躯体瓶与安装在反应室内的进气管通过第二管路连接，在第二管路外面缠绕有加热带，用于对第二管路进行加热，且第二管路上还安装有第二阀门；

安装在反应室内的出气管通过第三管路与前躯体再生室连接，前躯体再生室放置在电阻炉中，通过电阻通电给前躯体再生室进行加热；第三管路外面缠绕有加热带，用于对第三管路进行加热；

前躯体再生室与冷凝收集室通过第四管路连接；第四管路外面缠绕有加热带，用于对第四管路进行加热；

冷凝收集室与过滤器通过第五管路连接，在第五管路上安装有真空计；

冷凝收集室通过第六管路与真空泵连接，在第六管路上安装有第三阀门；

过滤器通过第七管路与真空泵连接，在第七管路上安装有蝶阀和第四阀门；

真空泵通过第八管路与尾气处理装置连接；

待沉积的工件安装在反应室内，使用电机带动待沉积的工件进行转动。

沉积毫米厚铼层的详细方法为：

1)将带有铱涂层的芯模进行除油清洗，烘干后放在反应室内的样品台上；

2)对反应室抽真空，真空表压≤10Pa以下后依次在反应室内通入设定流量的载气氩气，调节蝶阀开度，使反应室气压值稳定在设定值(50-300mbar)，加热芯模至设定温度、加热第二管路至设定温度、加热第三管路至设定温度、加热第四管路至设定温度，加热前驱体瓶至设定温度，待上述各参数达到设定值后开始沉积铼层；

3)单次连续沉积铼层的时间不超过5小时，然后依次关闭前躯体瓶加热、关闭第三管路加热，关闭第四管路加热，关闭第二管路加热，关闭芯模加热、关闭氩气输入，调节蝶阀开度，使反应腔压强≤10Pa，芯模随反应室冷却至50℃以下后，打开反应室取出芯模；

4)对芯模铱涂层上沉积的铼层进行表面处理，表面处理工艺为研磨或者打磨，以达到阻断铼层中晶粒连续生长的目的；

5)重复步骤1)-4)，直到芯模各部位铼层厚度达到设定值，结束化学气相沉积工艺。

(5)将芯模两端在沉积过程中形成的无效铼、铱层去除，裸露出芯模，并去除芯模，当芯模的材料为钼时，采用酸铣的方法去除芯模，酸洗采用30％-50％浓度的硝酸进行化铣；当芯模的材料为石墨时，采用机械加工的方法去除芯模，得到燃烧室毛坯件；

(6)对步骤(5)得到的燃烧室毛坯件采用机械加工工艺加工外型面，切除预留量，使各部位的尺寸、涂层厚度达到设定值，得到铼铱发动机燃烧室。

有益效果

(1)本发明提供了一种小尺寸铼铱发动机燃烧室的复合成形制备方法，包括步骤：根据发动机燃烧室内型面加工芯模，并根据不同的芯模材料进行预处理；采用电弧沉积工艺在预处理后的芯模外表面沉积高温抗氧化铱涂层；采用化学气相沉积工艺在镀铱的芯模外面沉积毫米厚铼层；采用化铣或者机械加工的方式去除芯模；机械加工铼铱燃烧室外型面，完成铼铱燃烧室的制备。

(2)本发明是从小尺寸铼铱发动机燃烧室的尺寸特点出发，采用了一种“由内向外”的制备工艺路线，本发明适应性强，可重复性高，能够降低成本，提高生产效率。

(3)本发明采用电弧沉积工艺制备高温抗氧化铱涂层+化学气相沉积工艺制备毫米厚铼层，为实现小尺寸铼铱发动机推力室制备的最优方案。该技术方法的成熟，对于支撑姿控推进系统的升级换代，进而提高航天飞行器的整体性能具有重要的意义。

(4)本发明所覆盖的“由内向外”制备工艺符合小尺寸铼铱发动机燃烧室的尺寸特点，电弧离子镀工艺制备铱涂层纯度高，厚度均匀性好，制备效率高；化学气相沉积工艺制备的铼层致密性好，力学性能优异，无效沉积量少，减少后续的机械加工量。本发明适应性强，可重复性高，制备的小尺寸铼铱燃烧室性能稳定，质量可靠。

附图说明

图1为化学气相沉积工艺沉积铼层使用的装置结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，化学气相沉积工艺沉积铼层选用的前躯体为五氯化铼，化学气相沉积工艺沉积铼层使用的装置包括载气气瓶、前躯体瓶、反应室、进气管、出气管、前躯体再生室、冷凝收集室、过滤器、真空泵、电机和尾气处理装置；

所述的载气气瓶内存储有载气气体，载气气体优选惰性气体Ar气；

所述的前躯体瓶用于储存五氯化铼，前躯体瓶为钢瓶，前躯体瓶放置在电阻炉中，通过电阻通电给前躯体瓶进行加热；

所述的反应室的材料为石英，反应室外壁上环绕有感应线圈，通过感应加热对反应室内的待沉积工件进行加热；

所述的进气管为石英材质，且侧壁轴向上有一狭缝，狭缝的宽度为1-2mm；

所述的出气管为石英材质，且侧壁轴向上有一狭缝，狭缝的宽度为1-2mm；

所述的进气管和出气管安装在反应室内；

所述的前躯体再生室中盛有粉末状金属铼，当有氯气通过前躯体再生室时，金属铼与氯气发生反应，生成五氯化铼，生成的五氯化铼进入到冷凝收集室中，五氯化铼冷凝后重新放置到前躯体瓶中重复利用；

所述的过滤器用于过滤在冷凝收集室中未完全收集的五氯化铼，起到对真空泵进行保护的作用；

所述的电机用于带动待沉积的工件进行转动；

所述的尾气处理装置用于处理未反应的氯气，尾气处理方式优选水洗处理方式；

载气气瓶与前躯体瓶通过第一管路连接，在第一管路上安装有第一阀门和质量流量计，质量流量计用于控制从载气气瓶进入到前躯体瓶中惰性气体的流量；

前躯体瓶与安装在反应室内的进气管通过第二管路连接，在第二管路外面缠绕有加热带，用于对第二管路进行加热，且第二管路上还安装有第二阀门；

安装在反应室内的出气管通过第三管路与前躯体再生室连接，前躯体再生室放置在电阻炉中，通过电阻通电给前躯体再生室进行加热；第三管路外面缠绕有加热带，用于对第三管路进行加热；

前躯体再生室与冷凝收集室通过第四管路连接；第四管路外面缠绕有加热带，用于对第四管路进行加热；

冷凝收集室与过滤器通过第五管路连接，在第五管路上安装有真空计；

冷凝收集室通过第六管路与真空泵连接，在第六管路上安装有第三阀门；

过滤器通过第七管路与真空泵连接，在第七管路上安装有蝶阀和第四阀门；

真空泵通过第八管路与尾气处理装置连接；

待沉积的工件安装在反应室内，使用电机带动待沉积的工件进行转动。

下面对本发明作进一步说明。

实施例1

(a)机械加工芯模

根据发动机燃烧室的内型面，设计芯模的加工尺寸，采用机械加工工艺加工石墨芯模。

(b)沉积预处理

由于石墨芯模和铱在高温会发生反应，故在石墨芯模表面预沉积50-200μm的铼层阻挡石墨和铱的反应。沉积完阻挡层的芯模经除油清洗后待沉积铱涂层。

(c)电弧沉积工艺沉积高温抗氧化铱涂层

采用如下步骤在芯模外表面沉积铱涂层：

1)根据图纸采用锻造或铸造工艺加工铱(99.9at.％)阴极靶材，除油后安装在电弧沉积设备上，作为阴极；

2)将预处理后的芯模烘干后放在真空室支架上，芯模作为阳极；

3)抽取真空，真空表压≤1.33×10^-2Pa以下开始沉积；根据实际情况，弧电流为50～70A，线圈电流1～10A；沉积时间为240min，保证铱涂层的厚度在80μm以上；

4)铱涂层沉积完成后，芯模随真空室冷却至50℃以下后，打开真空室取出芯模。

(d)化学气相沉积毫米厚铼层

化学气相沉积工艺沉积铼层选用的前躯体为五氯化铼，采用如下步骤在镀铱芯模外表面沉积毫米厚铼层：

1)将镀铱芯模除油，烘干后放在石英反应室内样品台上；

2)抽取真空，真空表压≤10Pa以下后依次设置载气氩气流量300-500sccm、蝶阀开度8.2％-10.2％，使反应室气压值稳定在100-150mbar、加热芯模至1200-1350℃、加热输气管道至200-300℃、加热前躯体升华瓶至180-300℃，待上述各参数达到预设值后开始沉积铼层；

3)连续沉积铼层的时间不超过4～5小时，然后依次关闭前躯体升华瓶加热、关闭输气管道加热、关闭芯模加热、关闭氩气输入、调节蝶阀开度至0，使反应腔压强≤10Pa，芯模随石英腔冷却至50℃以下后，打开石英腔取出芯模；

4)对芯模外表面的铼层进行表面处理；

5)重复步骤1)-4)，直到芯模各部位铼层厚度达到设定值，结束化学气相沉积工艺沉积铼层，得到含铱、铼的芯模。

(e)芯模去除

将芯模两端在沉积过程中形成的无效铼、铱层去除，裸露出芯模，选择机械加工的方式去除芯模。

(f)铼铱燃烧室外型面加工

机械加工工艺加工燃烧室外型面，切除预留量，使燃烧室各部位的尺寸、涂层厚度达到设定值，燃烧室具有良好外观。

实施例2

(a)机械加工芯模

根据发动机燃烧室的内型面，设计芯模的加工尺寸，采用机械加工工艺加工钼芯模。

(b)沉积预处理

钼芯模经热处理消除加工应力后，酸洗除油待沉积铱涂层。

(c)电弧沉积工艺沉积高温抗氧化铱涂层；

采用如下步骤在芯模外表面沉积铱涂层：

1)根据图纸采用锻造或铸造工艺加工铱(99.9at.％)阴极靶材，除油后安装在电弧沉积设备上，作为阴极；

2)将预处理后的芯模烘干后放在真空室支架上，芯模作为阳极；

3)抽取真空，真空表压≤1.33×10^-2Pa以下开始沉积；根据实际情况，弧电流为50～70A，线圈电流1～10A；沉积时间为240min，保证铱涂层的厚度在80μm以上；

4)铱涂层沉积完成后，芯模随真空室冷却至50℃以下后，打开真空室取出芯模。

(d)化学气相沉积毫米厚铼层；

化学气相沉积工艺沉积铼层选用的前躯体为五氯化铼，采用如下步骤在镀铱芯模外表面沉积毫米厚铼层：

1)将镀铱芯模除油，烘干后放在石英反应室内样品台上；

2)抽取真空，真空表压≤10Pa以下后依次设置载气氩气流量300-500sccm、蝶阀开度8.2％-10.2％，使反应腔气压值稳定在100-150mbar、加热芯模至1200-1350℃、加热输气管道至200-300℃、加热前躯体升华瓶至180-300℃，待上述各参数达到预设值后开始沉积铼层；

3)根据实际情况，连续沉积铼层的时间不超过4～5小时，然后依次关闭前躯体升华瓶加热、关闭输气管道加热、关闭芯模加热、关闭氩气输入、调节蝶阀开度至0，使反应室压强≤10Pa，芯模随石英腔冷却至50℃以下后，打开反应室取出芯模；

4)对芯模外表面的铼层进行表面处理；

5)重复步骤1)—4)，直到芯模各部位铼层厚度达到设定值，结束化学气相沉积工艺沉积铼层，得到含铱、铼的芯模。

(e)芯模去除

将芯模两端在沉积过程中形成的无效铼、铱层去除，裸露出芯模，选择酸铣的方式去除芯模。

(f)铼铱燃烧室外型面加工

机械加工工艺加工燃烧室外型面，切除预留量，使燃烧室各部位的尺寸、涂层厚度达到设定值，燃烧室具有良好外观。