本發(fā)明涉及航天飛行器姿、軌控?zé)o毒空間單組元發(fā)動(dòng)機(jī)熱控設(shè)施技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于無(wú)毒空間單組元發(fā)動(dòng)機(jī)的蓄換熱器件及其制備方法。

背景技術(shù)：

我國(guó)自上世紀(jì)七十年代以來(lái)發(fā)射了兩百多顆人造衛(wèi)星和載人飛船等空間飛行器，其中大部分都采用單組元空間發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行姿態(tài)控制和軌道調(diào)整。單組元空間發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理是推進(jìn)劑經(jīng)噴注器噴射到被加熱的催化劑上，經(jīng)催化發(fā)生分解，產(chǎn)生大量氣體，由噴嘴高速噴出，從而產(chǎn)生推力。目前空間單組元發(fā)動(dòng)機(jī)常用的推進(jìn)劑為肼，這是一種劇毒的物質(zhì)，航天部門(mén)希望采用ADN推進(jìn)劑加以替代。相比于肼推進(jìn)劑，AND推進(jìn)劑具有無(wú)毒、體積效率高、比沖高、成本低、易儲(chǔ)存等一系列優(yōu)點(diǎn)，而且其能夠使用現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)的幾乎全部配置。但是ADN推進(jìn)劑的啟動(dòng)溫度較高，現(xiàn)有的熱控結(jié)構(gòu)無(wú)法滿足其啟動(dòng)要求，進(jìn)一步加大外置加熱器功率又受到衛(wèi)星上能量供給的限制，為此，提出在使用外置加熱器對(duì)催化床進(jìn)行熱控的同時(shí)，在催化劑前端放置一蓄換熱器件。蓄換熱器件主要由開(kāi)孔泡沫金屬制備而來(lái)，其具備空間三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，由連續(xù)中空的棱柱構(gòu)成，具有孔隙連通、比表面積大、密度低、比強(qiáng)度高等特點(diǎn)，在換熱領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)前，利用外置加熱器將催化劑和蓄換熱器件同時(shí)加熱到較高溫度，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，推進(jìn)劑首先與蓄換熱器件接觸，此時(shí)蓄換熱器件迅速將蓄積的熱量交換到冷的推進(jìn)劑中，使其溫度升高，然后再與催化劑接觸，從而提高了催化反應(yīng)的溫度，使發(fā)動(dòng)機(jī)能夠正常啟動(dòng)。此外，蓄換熱器件的多孔結(jié)構(gòu)還能起到分散推進(jìn)劑的作用，避免推進(jìn)劑與催化劑長(zhǎng)期在相同位置發(fā)生反應(yīng)，避免催化劑的毒化，從而提高催化劑的壽命。蓄換熱器件是無(wú)毒空間發(fā)動(dòng)機(jī)研制和延壽的關(guān)鍵零部件。

為了獲得良好的應(yīng)用效果，蓄換熱器件必須具備良好的蓄換熱性能，能夠?qū)⑼七M(jìn)劑加熱到盡量高的溫度，同時(shí)其流阻不能太大，否則會(huì)影響推進(jìn)劑的正常流動(dòng)，進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。ADN推進(jìn)劑分解后會(huì)產(chǎn)生高溫，且其產(chǎn)物具有氧化性，因此蓄換熱器件還必須具備優(yōu)良的高溫抗氧化性。此外，蓄換熱器件還必須具備一定的力學(xué)強(qiáng)度，能夠承受發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的高壓強(qiáng)，并耐受高溫高壓氣體的沖刷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種無(wú)毒空間單組元發(fā)動(dòng)機(jī)用蓄換熱器件及其制備方法，該方法制備出的蓄換熱器件具備良好蓄換熱性能、優(yōu)異高溫抗氧化性及一定力學(xué)強(qiáng)度，是無(wú)毒空間發(fā)動(dòng)機(jī)研制的關(guān)鍵零部件。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種用于無(wú)毒空間單組元發(fā)動(dòng)機(jī)的蓄換熱器件，所述蓄換熱器件為圓形片狀結(jié)構(gòu)，是由外側(cè)面的合金環(huán)和緊密嵌于合金環(huán)內(nèi)的泡沫材料組成；所述泡沫材料是由泡沫鎳依次經(jīng)滲鋁和預(yù)氧化后獲得，泡沫鎳經(jīng)滲鋁后其中鋁的重量百分含量為12～38％；所述合金環(huán)的壁厚為0.1～1mm，合金環(huán)是由環(huán)狀鎳基高溫合金經(jīng)滲鋁然后預(yù)氧化獲得。

所述泡沫材料由相互連通的薄壁棱管形成的三維網(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu)，其孔隙相互連通、分布均勻，孔隙率為50～95％，孔密度為40～100PPI。

所述泡沫鎳和環(huán)狀鎳基高溫合金滲鋁后在表面形成NiAl層，預(yù)氧化時(shí)鋁會(huì)優(yōu)先氧化，在器件表面形成均勻的α-Al₂O₃膜。

所述蓄換熱器件用于航天飛行器姿、軌控?zé)o毒空間單組元發(fā)動(dòng)機(jī)熱控設(shè)施中。

所述用于無(wú)毒空間單組元發(fā)動(dòng)機(jī)的蓄換熱器件的制備方法為：首先將泡沫鎳加工為所需規(guī)格的圓片，置于環(huán)狀鎳基高溫合金內(nèi)；然后將泡沫鎳圓片與環(huán)狀鎳基高溫合金同時(shí)用氣相滲鋁法滲鋁，再經(jīng)預(yù)氧化后獲得所述蓄換熱器件。

所述泡沫鎳由聚氨酯泡沫經(jīng)過(guò)導(dǎo)電化處理、電鍍和還原燒結(jié)制成；根據(jù)無(wú)毒空間發(fā)動(dòng)機(jī)的尺寸、蓄換熱性能、流阻性能和力學(xué)性能要求，確定所需泡沫鎳的規(guī)格，包括孔密度、體密度、直徑和厚度等；其中：所述蓄換熱器件的直徑等于制備時(shí)所用環(huán)狀鎳基高溫合金的外徑，制備時(shí)選擇的泡沫鎳圓片的直徑為環(huán)狀鎳基高溫合金內(nèi)徑的92-98％；環(huán)狀鎳基高溫合金和泡沫鎳圓片經(jīng)氣相滲鋁法滲鋁后，泡沫鎳圓片宏觀體積膨脹，再經(jīng)預(yù)氧化后，所得蓄換熱器件的泡沫材料與其外側(cè)面的合金環(huán)緊密結(jié)合。

所述氣相滲鋁法在管式高溫爐中進(jìn)行，氣相滲鋁過(guò)程中：溫度850～1100℃，保溫時(shí)間20～60min；滲劑由鋁鎳合金粉和氯化銨混合后并經(jīng)充分研磨而成；滲劑中的鋁鎳合金粉(化學(xué)純)和氯化銨(分析純)的重量比例為(88～96):(4～12)，鋁鎳合金粉中鋁的重量百分含量為50-60％。

所述氣相滲鋁過(guò)程中，將滲劑和樣品(泡沫鎳圓片與環(huán)狀高溫合金)分別置于帶蓋剛玉坩堝中，然后將坩堝置于管式爐均溫區(qū)內(nèi)；利用機(jī)械泵抽真空，去除管式爐及管路內(nèi)的空氣，再通入流動(dòng)氬氣，進(jìn)行加熱。

所述預(yù)氧化在馬弗爐中進(jìn)行，將滲鋁后的樣品置于剛玉坩堝中，然后放入加熱到1100℃的馬弗爐中，氧化1小時(shí)后取出，空冷至室溫。

本發(fā)明的有益效果是：

1、無(wú)毒發(fā)動(dòng)機(jī)用蓄換熱器件將被放置于無(wú)毒單組元空間發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部催化劑前端，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)推進(jìn)劑首先與被加熱的蓄換熱器件接觸，迅速被加熱，然后再與催化劑接觸反應(yīng)。因此蓄換熱器件必須具備良好的蓄換熱性能、高溫抗氧化性能以及一定的強(qiáng)度和抗沖刷性能。本發(fā)明制備的無(wú)毒發(fā)動(dòng)機(jī)用蓄換熱器件能夠滿足無(wú)毒發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用要求。

2、本發(fā)明以孔隙率高、比表面積大的泡沫鎳為基礎(chǔ)，通過(guò)氣相滲鋁和預(yù)氧化的方法，得到了大比表面積的蓄換熱器件，具備優(yōu)良的蓄換熱性能。

3、器件滲鋁后會(huì)在表面形成NiAl層，高溫氧化條件下鋁會(huì)優(yōu)先氧化，在表面形成均勻的α-Al₂O₃膜，阻止進(jìn)一步氧化的發(fā)生，使得器件具備優(yōu)異的高溫抗氧化性。

4、泡沫鎳滲鋁后宏觀體積會(huì)發(fā)生膨脹，通過(guò)控制外側(cè)高溫合金環(huán)的尺寸，一方面能夠獲得外徑尺寸滿足要求的器件，另一方面，泡沫鎳滲鋁后會(huì)在體積膨脹效應(yīng)的作用下與高溫合金環(huán)有良好的結(jié)合力。

5、泡沫鎳滲鋁后，其力學(xué)性能會(huì)呈現(xiàn)明顯的脆性，但經(jīng)過(guò)預(yù)氧化后，部分鋁形成氧化鋁膜，蓄換熱材料的金屬基體內(nèi)部鋁含量降低，并呈多相結(jié)構(gòu)，力學(xué)性能得到了明顯的提升。

6、經(jīng)過(guò)1100℃預(yù)氧化后，蓄換熱材器件表面形成了均勻的α-Al₂O₃膜，性質(zhì)穩(wěn)定，能夠很好的保護(hù)器件，同時(shí)與發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的各種氣氛具備優(yōu)良的相容性。

7、采用氣相滲鋁和氧化的方法制備無(wú)毒發(fā)動(dòng)機(jī)用蓄換熱器件，所需設(shè)備簡(jiǎn)單，工藝方法成熟，成本較為低廉。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明蓄換熱器件結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為泡沫鎳滲鋁后體積膨脹的示意圖。

圖3為本發(fā)明無(wú)毒發(fā)動(dòng)機(jī)用蓄換熱器件的制備工藝流程。

圖中：1-合金環(huán)；2-泡沫材料。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖詳述本發(fā)明。

本發(fā)明無(wú)毒空間單組元發(fā)動(dòng)機(jī)用蓄換熱器件的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其為圓形片狀結(jié)構(gòu)，是由外側(cè)面的合金環(huán)1和緊密嵌于合金環(huán)內(nèi)的泡沫材料2組成；所述泡沫材料是由泡沫鎳依次經(jīng)滲鋁和預(yù)氧化后獲得，泡沫鎳經(jīng)滲鋁后其中鋁的重量百分含量為12～38％；所述合金環(huán)的壁厚為0.1～1mm，合金環(huán)是由環(huán)狀鎳基高溫合金經(jīng)滲鋁然后預(yù)氧化獲得。所述泡沫材料由相互連通的薄壁棱管形成的三維網(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu)，其孔隙相互連通、分布均勻，孔隙率為50～95％，孔密度為40～100PPI。所述泡沫鎳和環(huán)狀鎳基高溫合金滲鋁后在表面形成NiAl層，預(yù)氧化時(shí)鋁會(huì)優(yōu)先氧化，在器件表面形成均勻的α-Al₂O₃膜。

本發(fā)明無(wú)毒空間單組元發(fā)動(dòng)機(jī)用蓄換熱器件的具制備工藝如下(參見(jiàn)圖3)：

1、泡沫鎳的準(zhǔn)備與處理：

根據(jù)無(wú)毒空間單組元發(fā)動(dòng)機(jī)的尺寸，蓄換熱性能、流阻性能和力學(xué)性能要求，確定所需泡沫鎳圓片的規(guī)格，包括孔密度、體密度、直徑、厚度等，其中直徑和厚度應(yīng)略小于所用環(huán)狀鎳基高溫合金的直徑和厚度。選用質(zhì)量?jī)?yōu)良、孔徑和密度均勻的泡沫鎳，采用數(shù)控線切割機(jī)床將其加工為所需形狀。加工完成后將泡沫鎳加入到含金屬洗滌劑的水中煮沸清洗30min，隨后用清水超聲清洗10min，然后分別再用酒精和石油醚超聲清洗10min，最后將樣品在烘箱中烘干，放置在干燥箱中備用。

2、環(huán)狀鎳基高溫合金的準(zhǔn)備與處理：

根據(jù)無(wú)毒空間單組元發(fā)動(dòng)機(jī)的尺寸，選擇合適外徑和壁厚的優(yōu)質(zhì)鎳基高溫合金管，采用數(shù)控線切割機(jī)床將其加工為所需厚度，隨后用石油醚超聲清洗兩次，每次10min，干燥備用。

3、配置滲鋁劑：

氣相滲鋁所用滲劑由化學(xué)純鋁鎳合金粉和分析純的氯化銨混合并充分研磨而成，其質(zhì)量配比為(88～96)：(4～12)(如88:12或96:4等)，充分研磨混合均勻后在烘箱中烘干，然后放置于干燥箱中備用。

4、氣相滲鋁：

取一大小合適的帶蓋剛玉坩堝，將配置好的滲劑分別置于坩堝的底部和頂部(使用特制容器)，泡沫鎳置于鎳基高溫合金環(huán)內(nèi)，二者一起放置于坩堝中部由鎳鉻絲編織成的網(wǎng)上，然后蓋好蓋子，將坩堝置于管式爐的均溫區(qū)內(nèi)。利用機(jī)械真空泵抽干管式爐和管路內(nèi)的空氣，然后通入氬氣，待達(dá)到大氣壓后再抽真空，反復(fù)多次直至完全清除管式爐和管路內(nèi)的空氣，隨后持續(xù)通入氬氣，保持爐內(nèi)為流動(dòng)的氬氣環(huán)境。以10℃/min的升溫速率升到250℃，保溫30min，去除滲劑中的水分；然后仍以10℃/min的升溫速度升到850～1100℃，保溫20～60min；加熱結(jié)束后隨爐冷卻至200℃后關(guān)閉氬氣，冷卻至室溫后將樣品取出，稱量并計(jì)算滲鋁量。滲鋁后泡沫鎳的宏觀體積將發(fā)生明顯膨脹，并在應(yīng)力作用下與高溫合金環(huán)內(nèi)壁結(jié)合良好(圖2)。

5、預(yù)氧化

將滲鋁后的樣品置于剛玉坩堝中，然后放入加熱到1100℃的馬弗爐中，氧化一小時(shí)，隨后取出，空冷至室溫，即可獲得蓄換熱性能和高溫抗氧化性能優(yōu)良，同時(shí)具備良好力學(xué)性能和抗沖刷性能的蓄換熱器件。

實(shí)施例1

本實(shí)施例為70PPI蓄換熱器的制備：

某型無(wú)毒單組元空間發(fā)動(dòng)機(jī)為蓄換熱器件提供的空間為Φ13×4mm，根據(jù)蓄換熱性能和流阻性能要求，選擇孔密度為70PPI，體密度為0.5～1.2g/cm³的泡沫鎳，采用數(shù)控線切割機(jī)床加工為Φ12×3.8mm的圓片，清洗干燥。選擇外徑為13mm，壁厚為0.2mm的GH4169高溫合金管，采用數(shù)控線切割機(jī)床加工為4mm厚的圓環(huán)，清洗干燥。

滲鋁劑由化學(xué)純鋁鎳合金粉和分析純氯化銨充分混合研磨配制而成，所用滲劑質(zhì)量分別為20g和2.5g。將混合好的滲劑分別置于剛玉坩堝底部和頂部由不銹鋼帶制成的容器中，泡沫鎳置于高溫合金環(huán)內(nèi)，然后將二者一起放置于坩堝中部由鎳鉻絲編織而成的網(wǎng)上，隨后蓋上蓋子，將坩堝置于管式高溫爐的均溫區(qū)內(nèi)。利用機(jī)械真空泵抽干管式爐和管路內(nèi)的空氣，然后通入氬氣，待達(dá)到大氣壓后再抽真空，反復(fù)多次直至完全清除管式爐和管路內(nèi)的空氣，隨后持續(xù)通入氬氣，保持爐內(nèi)為流動(dòng)的氬氣環(huán)境。以10℃/min的升溫速率升到250℃，保溫30min，然后仍以10℃/min的升溫速度升到1024℃，保溫60min；加熱結(jié)束后隨爐冷卻至200℃后關(guān)閉氬氣，冷卻至室溫取出樣品。此時(shí)泡沫鎳滲鋁后體積膨脹，在應(yīng)力的作用下與高溫合金環(huán)內(nèi)壁結(jié)合良好。

將滲鋁后的樣品置于剛玉坩堝中，然后放入加熱到1100℃的馬弗爐中，氧化一小時(shí)，隨后取出，空冷至室溫，即可獲得蓄換熱性能和高溫抗氧化性能優(yōu)良，同時(shí)具備良好力學(xué)性能和抗沖刷性能的70PPI蓄換熱器件。

實(shí)施例2

本實(shí)施例為75PPI蓄換熱器的制備：

某型無(wú)毒單組元空間發(fā)動(dòng)機(jī)為蓄換熱器件提供的空間為Φ13×4mm，根據(jù)蓄換熱性能和流阻性能要求，選擇孔密度為75PPI，體密度為0.14～0.5g/cm³的泡沫鎳，采用數(shù)控線切割機(jī)床加工為Φ12×3.8mm的圓片，清洗干燥。選擇外徑為13mm，壁厚為0.2mm的GH4169高溫合金管，采用數(shù)控線切割機(jī)床加工為4mm厚的圓環(huán)，清洗干燥。

滲鋁劑由化學(xué)純鋁鎳合金粉和分析純氯化銨充分混合研磨配制而成，所用滲劑質(zhì)量分別為20g和0.8g。將混合好的滲劑分別置于剛玉坩堝底部和頂部由不銹鋼帶制成的容器中，泡沫鎳置于高溫合金環(huán)內(nèi)，然后將二者一起放置于坩堝中部由鎳鉻絲編織而成的網(wǎng)上，隨后蓋上蓋子，將坩堝置于管式高溫爐的均溫區(qū)內(nèi)。利用機(jī)械真空泵抽干管式爐和管路內(nèi)的空氣，然后通入氬氣，待達(dá)到大氣壓后再抽真空，反復(fù)多次直至完全清除管式爐和管路內(nèi)的空氣，隨后持續(xù)通入氬氣，保持爐內(nèi)為流動(dòng)的氬氣環(huán)境。以10℃/min的升溫速率升到250℃，保溫30min，去除滲劑中的水分；然后仍以10℃/min的升溫速度升到1024℃，保溫30min；加熱結(jié)束后隨爐冷卻至200℃后關(guān)閉氬氣，冷卻至室溫取出樣品。此時(shí)泡沫鎳滲鋁后體積膨脹，在應(yīng)力的作用下與高溫合金環(huán)內(nèi)壁結(jié)合良好。

將滲鋁后的樣品置于剛玉坩堝中，然后放入加熱到1100℃的馬弗爐中，氧化一小時(shí)，隨后取出，空冷至室溫，即可獲得蓄換熱性能和高溫抗氧化性能優(yōu)良，同時(shí)具備良好力學(xué)性能和抗沖刷性能的75PPI蓄換熱器件。