成果簡介：

7A04-T6輕質(zhì)超高強鋁合金是制備新型航空動力用固體火箭發(fā)動機燃燒室殼體的優(yōu)選材料，該材料具備加工塑形好、比強度高及散熱性能優(yōu)異等優(yōu)勢特征，但該材料的熱強度低，在發(fā)動機燃燒室高頻熱流的持續(xù)沖刷作用下，鋁合金制殼體易發(fā)生鼓包、變形等壁面缺陷。采用等離子噴涂技術(shù)在新型航空動力固體火箭發(fā)動機燃燒室鋁合金制殼體內(nèi)壁制備的熱防護涂層，顯著提升了發(fā)動機殼體的熱防護效果，解決了傳統(tǒng)固體火箭發(fā)動機用消融材料燃燒產(chǎn)生的凝相粒子高頻熱沖擊及煙霧燒蝕問題，進一步提升了新型航空動力的安全性能，因此等離子噴涂技術(shù)被認為是一種提升固體火箭發(fā)動機燃燒室殼體熱防護性能的新型防護工藝手段。采用等離子噴涂技術(shù)在鋁合金制殼體內(nèi)壁制備熱防護涂層需突破兩個關(guān)鍵技術(shù)：其一，熱防護涂層的陶瓷面層材料的熱導(dǎo)率及熱膨脹系數(shù)小，而鋁合金材料的熱導(dǎo)率及熱膨脹系數(shù)大。由于基材與陶瓷面層材料的熱物理性能參數(shù)差異過大，這就導(dǎo)致了在熱防護涂層的制備過程中，一方面會在涂層與鋁合金基材的界面形成過大的溫度梯度及層間熱應(yīng)力，另一方面會因鋁合金基材與陶瓷面層材料的膨脹、收縮變形不協(xié)調(diào)導(dǎo)致涂層系統(tǒng)產(chǎn)生過大的熱應(yīng)力，這均會影響等離子噴涂制備的涂層的可靠性。其二，新型航空動力發(fā)動機鋁合金制殼體存在小內(nèi)孔、深圓筒的結(jié)構(gòu)特征，殼體內(nèi)壁涂層容易形成具有自身特殊性的非典型缺陷。在殼體內(nèi)壁開展噴涂作業(yè)時，喂料粉末的沉積效率降低，容易形成大量未沉積的浮粉;而深筒內(nèi)部的低對流特性并不利于浮粉的排出;在噴涂過程中筒體高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力將迫使浮粉吸附于筒體內(nèi)壁，被裹挾入持續(xù)沉積的涂層中，形成大量的“假沉積”缺陷，進而降低涂層的抗熱震性能。本研究的主要工作有：首先，調(diào)控等離子噴涂參數(shù)對噴涂Mo涂層微觀特性及力學(xué)性能影響的優(yōu)化研究。其次，優(yōu)化等離子噴涂8YSZ涂層參數(shù)。

最后，基于復(fù)合涂層綜合性能調(diào)控基礎(chǔ)上，優(yōu)化了基于Mo粘結(jié)底層及8YSZ陶瓷面層復(fù)合涂層的力學(xué)性能，并通過力學(xué)性能實驗、抗燃氣沖刷實驗、抗熱震實驗考核，并在新型航空動力用固體火箭發(fā)動機鋁合金制殼體內(nèi)壁成功制備了Mo/8YSZ復(fù)合熱防護涂層，涂層表現(xiàn)出優(yōu)良的綜合力學(xué)性能及熱強度。

應(yīng)用案例 ：

采用優(yōu)化的方法已經(jīng)在新型航空動力用固體火箭發(fā)動機燃燒室殼體上進行了應(yīng)用性驗證。

研發(fā)背景

新型航空動力系統(tǒng)是一種執(zhí)行短程飛行作業(yè)的動力裝置，設(shè)計具有體積小、質(zhì)量輕、速度快及瞬時推進能力強的特點。7A04-T6輕質(zhì)超高強鋁合金是制備新型航空動力用固體火箭發(fā)動機燃燒室殼體的優(yōu)選材料，該材料具備加工塑形好、比強度高及散熱性能優(yōu)異等優(yōu)勢特征，但該材料的熱強度低，在發(fā)動機燃燒室高頻熱流的持續(xù)沖刷作用下，鋁合金制殼體易發(fā)生鼓包、變形等壁面缺陷。。采用等離子噴涂技術(shù)在新型航空動力固體火箭發(fā)動機燃燒室鋁合金制殼體內(nèi)壁制備的熱防護涂層，顯著提升了發(fā)動機殼體的熱防護效果，解決了傳統(tǒng)固體火箭發(fā)動機用消融材料燃燒產(chǎn)生的凝相粒子高頻熱沖擊及煙霧燒蝕問題，進一步提升了新型航空動力的安全性能。

作用原理

新型航空動力系統(tǒng)用固體推進劑材料燃燒將造成固體火箭發(fā)動機燃燒室面臨瞬時爆燃的高溫、高壓沖擊載荷，且這種爆燃效果將在極短的時間內(nèi)(通常僅為數(shù)秒)產(chǎn)生極高的熱能，故在熱防護涂層粘結(jié)底層的選擇上不傾向于使用熔點低于1300 ℃的MCrAlY系合金粉體作為粘結(jié)底層材料，為了實現(xiàn)更好的熱防護效果，粘結(jié)底層選用熔點高達2620 ℃的純鉬金屬(Mo)。除此之外，純鉬金屬的熱導(dǎo)率(110~140 W·m-1·k-1)與鋁合金基材適配性程度較高，能夠進一步降低涂層系統(tǒng)的溫度梯度及層間熱應(yīng)力。與此同時，純鉬金屬優(yōu)越的自粘結(jié)特性也使得涂層結(jié)構(gòu)的力學(xué)強度得以提升。8YSZ陶瓷面層材料具備高熔點、高硬度、低導(dǎo)熱系數(shù)及優(yōu)異的高溫?zé)岱€(wěn)定性。為了指導(dǎo)新型航空動力固體火箭發(fā)動機鋁合金制殼體內(nèi)壁熱防護涂層的工程量產(chǎn)，從涂層的制備成本、涂層的實用性及涂層的熱防護性能等方面綜合考量，選定現(xiàn)階段廣泛采用的8wt%Y2O3部分穩(wěn)定ZrO2(8YSZ)做為熱防護涂層的面層材料。

市場分析

伴隨航空航天新型動力技術(shù)進一步發(fā)展，其受熱件熱負荷將進一步提升，高可靠性的熱防護涂層的研制成功其市場潛力巨大。