一种火箭发动机燃烧室内衬用的高温铜合金制造技术

本发明专利技术公开了一种火箭发动机燃烧室内衬用的高温铜合金，高温铜合金由加强筋形成的三维空间结构与包裹在所述三维空间结构外部形成表面层的铜基合金组成，高温铜合金的制备方法为：S1、将三个圆环状加强筋与八个圆棒状加强筋焊接成所述三维空间结构；S2、在呈三维空间结构的加强筋表面涂覆涂层，S3、将步骤S2所得的有涂层的加强筋放入浇铸模具中，用熔融的铜基合金作为浇铸材料，在保护气氛下对加强筋进行浇铸；S4、将步骤S3浇铸后的铜基合金随炉冷却，冷却到495～505℃保温1.5～2.5h后继续随炉冷却，直至冷却到室温后取出进行机加工得到高温铜合金；本发明专利技术所制备的高温铜合金的高温强度与服役温度明显提高。温强度与服役温度明显提高。温强度与服役温度明显提高。

【技术实现步骤摘要】
一种火箭发动机燃烧室内衬用的高温铜合金


[0001]本专利技术涉及合金内衬
，具体是涉及一种火箭发动机燃烧室内衬用的高温铜合金。

技术介绍

[0002]液氢液氧发动机作为运载火箭的动力部件正在获得广泛的应用，这种液体火箭发动机燃烧室内壁经受高温高压、高速气流的作用，承受由于压力载荷和内壁两侧温度梯度引起的很高的热应力。发动机燃烧室是保证火箭正常运行的核心部件，工作条件非常恶劣。如果发动机在使用过程中超温，就会引起承热部件出现过热、过烧现象，导致材料内部结构晶粒粗大或晶粒边界出现氧化或熔化，进而引起材料的塑性、冲击韧度、疲劳性能、断裂韧度及抗腐蚀能力大大下降，引起热端部分的烧蚀、裂纹、断裂故障，因此提高燃烧室内衬材料的高温强度显得尤为重要。
[0003]铜基合金及铜基复合材料之所以能够用于制作液体火箭发动机部件的内衬材料，是因为它具有比其它工程材料更高的热导率。燃烧室内侧暴漏在燃气中，温度高达数千度，巨大的热流要通过燃烧室内壁传导出去。
[0004]采用高导热材料是显著降低内壁温度及其梯度、提高寿命的有效途径。然而尽管纯铜具有较高的热导率，但是其强度不高，特别是其高温强度低限制了它的使用。
[0005]因此，本专利技术制备了一种高温铜合金来用于火箭发动机燃烧室内衬的良好使用。

技术实现思路

[0006]为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种火箭发动机燃烧室内衬用的高温铜合金。
[0007]本专利技术的技术方案是：一种火箭发动机燃烧室内衬用的高温铜合金，所述高温铜合金由加强筋形成的三维空间结构与包裹在所述三维空间结构外部形成表面层的铜基合金组成，所述三维空间结构为三个圆环状加强筋与八个圆棒状加强筋焊接组成的上部为空心圆筒、下部为空心圆台的三维空间结构；
[0008]所述高温铜合金的制备方法为：
[0009]S1、将三个圆环状加强筋与八个圆棒状加强筋焊接成所述三维空间结构；
[0010]S2、在步骤S1所得的呈三维空间结构的加强筋表面涂覆涂层；
[0011]S3、将步骤S2所得的有涂层的加强筋放入浇铸模具中，用熔融的铜基合金作为浇铸材料，在保护气氛下对三维空间结构进行浇铸，所述熔融的铜基合金呈液态且温度＞1100℃；
[0012]S4、将步骤S3浇铸后的铜基合金随炉冷却，冷却到495～505℃保温1.5～2.5h后继续随炉冷却，直至冷却到室温后取出进行机加工得到高温铜合金。
[0013]进一步地，所述加强筋的材料为镍基合金、钴基合金、钼基合金中的任意一种。
[0014]说明：镍基合金在高温下也可以保持一定的强度，且抗变形性也很好，与一般的合
金材料相比更加抗疲劳，而且也不会氧化，具有一定的可塑性；钴基合金是一种能耐各种类型磨损和腐蚀以及高温氧化的硬质合金；钼基合金是一种具有高强韧性并且耐高温的合金；三种合金均在高温下具有良好的强度和良好的热疲劳性能以及抗氧化性能良好，并在长期使用下组织稳定，还具有良好的冷成形性和焊接性能。
[0015]进一步地，步骤S2中，保护气氛为纯度＞99.9％的氮气。
[0016]说明：选用高纯氮气作为保护性气氛，可以防止铜基合金和加强筋在高温状态下氧化脱碳。
[0017]进一步地，所述涂层为氮化钛、氮化铝、碳化钛中的任意一种陶瓷涂层。
[0018]说明：氮化钛熔点高、硬度大、化学稳定性好，是相当稳定的化合物，在高温下不与铁、铬、钙和镁等金属反应；氮化铝在惰性气氛中的高温下稳定，具有高导热性和良好的电绝缘性能；碳化钛具有高熔点、高硬度和高弹性模量，良好的抗热震性和化学稳定性；三种材料熔点高，是良好的耐热冲击材料，抗熔融金属侵蚀能力强。
[0019]进一步地，步骤S2中，所述涂覆涂层的方法为：将呈三维空间结构的加强筋放入磁控溅射镀膜机中的旋转平台上，所述磁控溅射镀膜机的参数为：靶材数量为2、真空度为0.5～1.5
×
10
‑4pa、平台旋转速度为0.4～0.6r/min、单靶材功率为1.5～2.5kW、制备时间为0.2～0.8h，沉积得到厚度为1～3μm的涂层。
[0020]说明：真空度的大小会影响漏气点较大范围的气场扰动和气压的大小；当溅射功率过低时，沉积速率低，溅射原子到达衬底能量也低；溅射功率过高时，沉积速度过快，影响成膜质量，且会损伤靶材；平台旋转速度会影响沉积膜层的厚度。
[0021]进一步地，所述圆环状加强筋的截面直径与圆棒状加强筋的直径均为2～10mm。
[0022]说明：加强筋的直径大小随燃烧室内衬的尺寸大小而进行调整
[0023]进一步地，步骤S4中，所述机加工的方式包括车削加工、铣削加工以及刨削加工。
[0024]说明：机械加工不需要开模，自由度高；且机械加工的精度非常高，有利于提高工件质量；车削加工一次装夹可完成多种表面加工；铣削加工对零件加工的适应性强、灵活性好；刨削加工通用性好，可加工垂直、水平的平面，还可加工T型槽、V型槽，燕尾槽等。
[0025]进一步地，在进行步骤S4之前，先对S3所得浇铸后的铜基合金进行表面处理，包括以下步骤：
[0026]将温度升至1050～1100℃后对浇铸后的铜基合金进行锻造，在锻造温度每降低80～90℃后利用超音速微粒轰击铜基合金表面5～8s，保温10～15min，重复轰击2～3次，所述微粒为陶瓷微粒。
[0027]说明：在高温下对铜基合金进行锻造，可以提高铜基合金的疲劳强度，并通过在锻造的降温过程中穿插超音速微粒轰击来辅助细化铜基合金表面的晶粒结构，加强铜基合金表面的强度，陶瓷微粒具有特耐磨、物理性质稳定等优点，再通过保温使铜基合金内部温度均匀化，从而使铜基合金表面的高温强度分布均匀。
[0028]进一步地，超音速微粒轰击距离铜基合金250～280mm，轰击速度为600～800m/s，微粒粒度为30～40μm。
[0029]说明：采用上述参数进行超音速微粒轰击，防止轰击程度过重，破坏原本的铜基合金表面，并避免轰击程度过轻，达不到表面强化的效果。
[0030]本专利技术的有益效果是：
[0031](1)本专利技术高温铜合金以铜基合金为基础合金，加强筋为加强合金，加强筋的材料选用高熔点、高强度合金形成三维结构，铜基合金包裹加强筋；明显提高了高温铜合金的高温强度与服役温度，而且铜基合金依然具有良好的导热性。
[0032](2)本专利技术高温铜合金通过采用物理沉积技术在加强筋表面覆盖有致密的陶瓷涂层，该陶瓷涂层可将加强筋与铜基合金隔离、防止接触，从而有效避免加强筋与铜基合金接触发生反应。
[0033](3)本专利技术高温铜合金的制备方法采用浇铸技术制备内部有加强筋的高温铜合金，所制备出的高温铜合金的高温(700℃)拉伸强度能达到150MPa以上。
附图说明
[0034]图1是本专利技术高温铜合金的正视剖面图；
[0035]图2是本专利技术高温铜合金的加强筋结构图；
[0036]其中，1
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种火箭发动机燃烧室内衬用的高温铜合金，其特征在于，所述高温铜合金由加强筋(1)形成的三维空间结构与包裹在所述三维空间结构外部形成表面层的铜基合金(2)组成，所述三维空间结构为三个圆环状加强筋(11)与八个圆棒状加强筋(12)焊接组成的上部为空心圆筒、下部为空心圆台的三维空间结构；所述高温铜合金的制备方法为：S1、将三个圆环状加强筋(11)与八个圆棒状加强筋(12)焊接成所述三维空间结构；S2、在步骤S1所得的呈三维空间结构的加强筋(1)表面涂覆涂层；S3、将步骤S2所得的有涂层的加强筋(1)放入浇铸模具中，用熔融的铜基合金(2)作为浇铸材料，在保护气氛下对三维空间结构进行浇铸，所述熔融的铜基合金(2)呈液态且温度＞1100℃；S4、将步骤S3浇铸后的铜基合金(2)随炉冷却，冷却到495～505℃保温1.5～2.5h后继续随炉冷却，直至冷却到室温后取出进行机加工得到高温铜合金。2.如权利要求1所述的一种火箭发动机燃烧室内衬用的高温铜合金，其特征在于，所述加强筋(1)的材料为镍基合金、钴基合金、钼基合金中的任意一种。3.如权利要求1所述的一种火箭发动机燃烧室内衬用的高温铜合金，其特征在于，步骤S3中，保护气氛为纯度＞99.9％的氮气。4.如权利要求1所述的一种火箭发动机燃烧室内衬用的高温铜合金，其特征在于，所述涂层为氮化钛、氮化铝、碳化钛中的任意一种陶瓷涂层。5.如权利要求1所述的一种火箭发动机燃烧室内...

【专利技术属性】
技术研发人员：庾高峰，薛雨杰，马明月，张航，王文斌，
申请(专利权)人：陕西斯瑞新材料股份有限公司，
类型：发明
国别省市：