姿轨控发动机推力室Re身部与喷注器连接技术研究

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高性能姿/轨控发动机Re/Ir推力室具有高工作温度、高比冲且长寿命的特点,实现推力室Re基体与钛合金喷注器的可靠连接是Re/Ir姿轨控液体火箭发动机工程应用中的关键技术。分别实现推力室Re基体直接与钛合金(TC4)喷注器钎焊,以及Re基体与喷注器Nb过渡段钎焊的连接可满足推力室在不同工作温度环境下的应用需求。本文采用真空钎焊法对Re与TC4、Re与Nb进行了连接,采用SEM、EDS和抗剪强度测试等手段对接头界面组织和力学性能进行了分析,优化了钎焊工艺,获得了可靠的连接强度,在此基础上完成了对Re/Ir推力室实际构件与TC4和Nb的过渡环的连接。采用TiZrCuNi非晶钎料箔对Re与TC4进行了钎焊连接,分析了钎缝组织形成过程和钎焊工艺参数对接头力学性能的影响。接头的界面结构从Re至TC4侧可表示为:Re/固溶体扩散层/初晶α-Ti+金属间化合物/共析组织+金属间化合物/TC4。接头抗剪强度随钎焊温度的升高和保温时间的延长表现出逐渐下降的趋势,随钎料用量的增加呈现先升后降的趋势。在钎焊温度为910℃、保温时间为10min和钎料用量为8层钎料箔的工艺参数下接头室温强度达到了205MPa,400-600℃下接头高温力学性能仍十分优异,与室温性能基本持平。接头的断裂发生在靠近Re基体一侧的固溶体扩散层与钎缝组织的界面处,断口较为平直,断裂模式为脆性断裂。采用Ti-Ni复合箔对Re与Nb进行了钎焊连接,研究了钎焊工艺参数对接头界面组织和力学性能的影响。接头的界面结构从Re到Nb侧可以表示为:Re/(Nb)固溶体/(Ti,Nb)2Ni化合物层/(Nb)固溶体/Nb。实验结果表明接头力学性能主要受到(Nb)晶粒的长大以及焊缝中心(Ti,Nb)2Ni化合物的析出的影响。接头抗剪强度随钎焊温度的升高和保温时间的延长总体表现出逐渐下降的趋势。在钎焊温度为1160℃、保温时间为10min的工艺参数下接头强度达到了261MPa。接头在1000℃的高温力学性能达到了75MPa,超过母材Nb强度近34%。接头的断裂发生在焊缝中心的(Ti,Nb)2Ni化合物层处,接头以解理断裂和沿晶断裂为主,断裂模式为脆性断裂。对Re/Ir推力室与TC4和Nb喷注器过渡段进行了钎焊连接,结果表明采用本文优化后的Re/TC4和Re/Nb钎焊工艺,可实现Re/Ir推力室与TC4或Nb喷注器过渡段的可靠连接。其中,Re/TC4连接件接头质量良好,接头未发现焊漏、裂纹和孔洞等缺陷的存在;Re/Nb连接件宏观接头质量较好,但接头内部存在一定数量的微观焊接缺陷。Re/TC4和Re/Nb接头均通过了打压试验的测试,接头气密性良好,为下一步开展Re/Ir推力室奠定了良好的技术基础。此外,还针对轻量化的Re/Ir-C/C复合材料推力室与钛合金喷注器的连接问题,开展了C/C复合材料表明Re金属化的工作,初步探索了钎焊工艺。
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