難熔金屬

難熔金屬包括鎢、鉬、鉭、铌、錸，憑借其優異的高溫力學性能，在航天領域有著廣泛的應用，其中雙組元液體火箭發動機推力室是其主要應用方向之一。發動機推力室燃料燃燒溫度可達2700℃，雖然在內壁采用了液膜冷卻技術，但壁麵溫度仍然高於1000℃，難熔金屬在此環境下易發生氧化，如铌合金在600℃以上就會發生災難性氧化。因此，難熔金屬表麵必須塗覆高溫抗氧化塗層進行防護。到目前為止，取得了廣泛應用的高溫抗氧化塗層主要有矽化物和貴金屬塗層。

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  • 難熔金屬的表麵抗氧化塗層

    一.矽化物塗層

    難熔金屬的矽化物塗層應用於(yu) 高溫氧化環境下，對基材起到良好的防護作用。抗氧化的並非是矽化物本身，而是矽化物氧化時在塗層表麵形成的致密SiO2層，其阻擋了氧向內(nei) 擴散。除此之外，矽化物形成的SiO2為(wei) 玻璃相，在高溫下具有流動性，能夠彌補塗層氧化過程中產(chan) 生的裂紋、孔洞等缺陷，進一步提高了矽化物在高溫氧化環境下的防護能力，即所謂的“自愈合”能力。矽化物塗層在使用過程中，SiO2的形成和 Si元素的損耗同時進行，隨著時間延長，當生成的SiO2不足以形成完整致密的表麵層或者無法彌補塗層中不斷增多的缺陷，氧就會(hui) 滲透至基材導致其氧化，並失效破壞。

    矽化物塗層是目前應用較為(wei) 廣泛的塗層，以美國的R512A和俄羅斯的MoSi2為(wei) 代表。R512A的主要成分為(wei) Si-20Cr-5Ti，采用料漿燒結法製備於(yu) 铌鉿合金表麵，80~150μm的塗層防護壽命在1371℃下為(wei) 100 h。此塗層應用R-4D等發動機上，成功應用於(yu) “阿波羅”登月計劃登月艙和服務艙上的姿態控製。

    二.Re(錸)基材/Ir(銥)塗層體(ti) 係。

    理論計算表明，難熔金屬的Ir 塗層是Re 表麵抗氧化防護的理想塗層，壽命可完全滿足使用需求。Re/Ir 推力室是目前使用溫度較高並具發展潛力的材料體(ti) 係，這個(ge) 體(ti) 係抗氧化主要依靠其高熔點以及低氧滲透率，屬於(yu) 無化學反應的純物理防護。其防護性能取決(jue) 於(yu) 材料熔點、揮發性氧化物生成的耗損速率及塗層與(yu) 基材的互擴散速率。Re/Ir材料的應用可行性來自兩(liang) 個(ge) 方麵:一是Ir的熔點為(wei) 2447℃，1200℃以上無氧化物生成，且2200℃下，氧滲透率僅(jin) 有10-14q·cm-1?s-1;二是Re與(yu) Ir熱線膨脹係數接近，Re為(wei) 6.63x10-6/K，Ir為(wei)
    6.4x10-6/K，保證了高溫應用時二者之間的結合強度。對Re基材/Ir塗層的結構體(ti) 係而言，其材料失效主要取決(jue) 於(yu) 二者的互擴散。由於(yu) Re 抗氧化能力差，當Re擴散至Ir塗層表麵並且原子百分比超過20%時，Ir塗層將迅速失效。我國航天材料及工藝研究所的粉末冶金/電弧沉積Re/Ir推力室技術目前已具備短噴管製備能力，並通過300s地麵試車，試車高溫度為(wei) 2090℃，塗層完好。試樣性能目前已達到2000℃下壽命不低於(yu) 7h，2000℃到室溫熱震次數不低於(yu) 500次。

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