一种用于adn基无毒推力器的推力室及其焊接工艺的制作方法
【专利摘要】一种用于ADN基无毒推力器的推力室及其焊接工艺，所述的用于ADN基无毒推力器的推力室，包括催化床前床、催化床后床、燃烧室、喷管，催化床后床与燃烧室及喷管采用一体化结构，催化床前床采用高温合金GH3128材料、催化床后床、燃烧室、喷管采用铂铑合金PtRh30材料，催化床前床与后床之间焊接在一起，焊接结构为环形锁底焊缝。
【专利说明】—种用于ADN基无毒推力器的推力室及其焊接工艺
【技术领域】
[0001]该技术直接应用于ADN基5N推力器燃烧室，满足推力器耐高温抗氧化特性。
【背景技术】
[0002]二硝酰胺铵(Ammonium Dinitramide,缩写为ADN)推力器是目前世界上研究较热门的无毒推进技术，其推进剂由氧化性组分硝酸羟铵或二硝酰胺铵、燃料及水组成，具有无毒、高密度、低冰点、低挥发性、稳定性高等特点，不但具有单组元推进的简单特性和而且具有较高的性能，在贮存、使用和维护过程无需特殊的防护措施，可实现空间动力系统的预包装，并采用普通的船运或飞机运送等方式运输，用于武器系统时可提高系统快速响应能力、提高武器的机动性，具有良好的应用前景。总之，无论是满足未来战时航天发射、测控的军事对抗环境需求，还是要提高应对各种突发自然灾害的快速响应能力，研究高性能无毒推进技术都有着十分重要的意义。
【发明内容】
[0003]本发明的技术解决问题是:克服现有技术的不足，提供一种用于ADN基无毒推力器的燃烧室及其焊接工艺。
[0004]本发明推力室的技术解决方案是:一种用于ADN基无毒推力器的推力室，包括催化床前床、催化床后床、燃烧室及喷管，催化床后床与燃烧室及喷管采用一体化结构，催化床前床采用高温合金GH3128材料、催化床后床与燃烧室及喷管采用钼铑合金PtRh30材料，催化床前床与后床之间焊接在一起，焊接结构为环形锁底焊缝。
[0005]本发明焊接工艺的技术解决方案是:一种用于ADN基无毒推力器的推力室焊接工艺，步骤如下:
[0006](I)将上述推力室中焊接前部件作为模拟件进行焊前工艺试验，按照表中工艺参数进行焊接，焊接后将焊接部位切开，检查焊缝深度是否满足图纸要求，若满足，则将当前工艺参数确定为最终焊接参数，若不满足，则对表中工艺参数进行调整，重新焊接，直至满足要求；
[0007]
I 电子束流I 聚焦电流焊接线速度束流偏iS距离 kV mA 丨 A m/min mm I_60__7.0 ?8.5 I 2,4 ?2.7 | 0.9 ?1,4__OJ 0-0.15
[0008](2)擦洗待焊接催化床前床和后床的焊缝处，去除油污及异物，并吹干；
[0009](3)将步骤(2)处理后的前床和后床安装在焊接平台上，并抽真空，保证真空度不大于 IXKT1Pa ；
[0010](4)利用步骤(I)确定的最终焊接参数进行焊接。
[0011]所述步骤(4)中的焊接过程中，电子束流向后床偏离，保证焊缝两侧材料熔化程度相当。
[0012]所述的偏离距离10?15丝。
[0013]本发明与现有技术相比有益效果为:
[0014](I)采用该技术的推力室能够满足耐高温抗氧化的需求，并且增加了燃烧室段，能够提高燃烧充分性，提高推力器性能。
[0015](2)在低温段采用高温合金，高温段采用钼铑合金，可以降低使用成本以及推力器自身重量，通过可靠的焊接工艺，能够保障的整个推力室焊接结构强度以及密封性。
[0016](3)本发明GH3128与PtRh30两种不同熔点材料电子束焊的工艺方法，解决了两种材料可靠连接问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为本发明剖视图；
[0018]图2为ADN热分解及燃烧反应的机理与路径；
[0019]图3为0.5MPa下ADN热分解及燃烧反应的轴向温度分布；
[0020]图4为本发明试验测试温度曲线；
[0021]图5为无燃烧室段推力室内温度曲线。
【具体实施方式】
[0022]为了合理配置结构，合理利用材料自身特性，降低成本以及推力器自身成本及重量，选择了米用高温合金与钼错合金相结合的方式作为推力室制备材料。同时，为了更进一步提高推力器的自身性能，提高推进剂燃烧充分性，增加燃烧增强结构。
[0023]1、新型推力室设计
[0024]催化床的设计主要是确定床内径和长度，国内外研究对于ADN推力器没有催化床设计准则的指导，ADN推进剂催化分解及燃烧反应机理尚无研究定论，因此，ADN推力器床载和催化床前期的催化分解与单组元推力器相似，根据单组元推力器设计方法，进行催化床和床载设计，需通过仿真手段分析，并最终通过热试车试验不断进行完善。
[0025]火箭研究公司经过大量试验，获得了大批数据，从中归纳出一套适用于壳牌405催化剂的设计准则，可以计算出催化剂床结构、氨分解度、催化剂床压降、燃烧室反应时间，并在推力为2.23N?445N的推力器上得到了验证。在此只讨论催化剂床长设计。(量纲为英制):
[0026]催化剂床长:
T n , 47.75G0'554
[0027]Lb =0.5+....................p,- A(3)
[0028]其中:Lb催化剂床长
[0029]G 单位面积质量流量(g/ (cm2.s))
[0030]Pc燃烧室压力(kPa)
[0031]As 比表面积(cm2/cm3)
[0032]上述参数中，比表面积As是催化剂重要的物理参数，催化剂堆密度(g/cm3)为
1.56，表面积(m2/g)为100，计算得As为156。对于长寿命的推力器，单位面积质量流量G取9kg/m2.sec,燃压Pc取IMPa。由此计算得床径为:Db = 20mm,床长为15mm。
[0033]ADN的燃烧反应过程大致可以分为两个阶段。第一阶段是ADN的热分解阶段，在这一阶段，ADN分解成为具有较小分子量的基团，其中一些具有氧化性，一些具有还原性，按照化学当量比计算，中间产物的氧化剂多于还原剂。第二阶段是燃烧阶段，在这一阶段，ADN分解产生的这些中间产物和添入的燃料共同反应，大量放热，完成燃烧的整个过程。
[0034]ADN热分解及燃烧反应的可能机理及路径可以归纳为两个分支。第一，作为一种络合物盐，ADN的分解开始于解离成相应的碱性基团和酸，可以写作
[0035]NH4N(NO2)2 — HN (NO2) 2+NH3 (4-5)
[0036]其中，HN(NO2)2会进一步分解成为具有更小分子量的基团，
[0037]HN(NO2)2 — Ν02+ΗΝΝ02 — 0H+N20 (4-6)
[0038]ADN热分解的第二条路径开始于NH4NO3以及N2O的生成，可以写作
[0039]NH4N(NO2)2 — ΝΗ4Ν03+Ν20 (4-7)
[0040]其中，NH4NO3在较高的温度下也会很快分解，生成具有更小分子量的基团，
[0041]NH4NO3 — ΗΝ03+ΝΗ3 (4-8)
[0042]通过分析这些ADN热分解的中间产物，可以看出，其中的NH3具有还原性，而ΗΝ03、以及一些氮氧化物都具有氧化性，因此，这些ADN热分解的中间产物就成为了进一步燃烧反应发生的基础，由于ADN热分解生成的氧化性中间产物多于还原性中间产物，因此，通过额外在反应体系中添加燃料的方法，获得更高的反应效率，提高推进系统的整体性能。图2表征了 ADN热分解及燃烧反应的主要反应路径及阶段。可以看出，就ADN本身的热分解及燃烧而言，可以明显地区分为热分解阶段和燃烧阶段，而其他燃料的加入，事实上强化了燃烧阶段的反应。燃烧阶段的反应物，除了添入的燃料外，其余都是ADN热分解的中间产物。正是由于这种反应路径的存在，使得整个反应区内的轴向温度分布呈现明显的阶梯状，如图3所示。从图3中可以看出，在热分解阶段，整个反应区的温度维持在800°C左右，此后逐渐进入燃烧区，具有氧化性和还原性的热分解中间产物发生进一步的燃烧反应，释放热量，使得燃烧区的温度接近1400°C (以上针对于高能量ADN推进剂而言)。
[0043]由图3可以看出，ADN推力器的催化床和燃烧室总长度应控制在21?22.5mm，此时ADN推进剂分解完全，并且能够达到完全燃烧，因此确定燃烧段长度为6?7.5mm，本设计取 7 mm η
[0044]2、推力室可靠连接方法
[0045]前床温度较低，最高温度低于1100°C，采用GH3128能够满足要求，因此为了降低成本以及推力器重量，前床采用GH3128，GH3128在1100°C时，大于70MPa。而后床采用PtRh30，温度为1400°C，拉伸强度为45MPa，温度为1500°C，拉伸强度为35MPa，温度达到1600°C时，拉伸强度为25MPa，能够满足使用要求。
[0046]焊接设备为CVE CW606型电子束焊机，焊接现场环境可控制为:温度15°C?35°C，湿度彡75%，按照GJB1718A-2005相关要求。
[0047]5N推力器前床、前床焊接结构为环形锁底焊缝，见图1所示。前床、后床的原材料分别采用高温合金GH3128、钼铑合金PtRh30。高温合金GH3128的主要化学成分为Ni，此外还含有Cr、W、Mo等成分，钼铑合金PtRh30的主要化学成分为Pt，此外还含有Rh等元素。
[0048]Ni具有优良的塑性和韧性，在高温中比较稳定，有一定的热强性。Ni为面心立方晶格，其熔点为1435°C -1453°C，密度8.6g/cm3-8.9g/cm3，线胀系数为13 X KT1 °C ―1，比热为
0.44J/(g°C )。Pt是密度最大、熔点高、塑性最好的一种可焊金属，也为面心立方晶格，其熔点为 1769°C，20°C 时比热为 0.131J/(g°C )，密度为 21.45g/cm3，线胀系数为 8.9 X 1^6oC -1。
[0049]由上可以看出N1、Pt均为面心立方晶格，且均具有较好的塑性，高温合金GH3128里的成分N1、W均可与Pt形成合金，因此高温合金GH3128与钼铑合金PtRh30应具有较好的可焊性。但是，由于两种合金在密度、熔点、比热等方面又存在较大差异，焊接时焊缝两侧所需热输入不同，需采取适当措施进行控制:一般可将电子束流向钼铑合金一侧偏置适当距离(10丝?15丝)，以保证焊缝两侧材料熔化程度相当。
[0050]5N推力器前床和后床电子束焊操作步骤如下:
[0051]I)在相同材料、相同结构的模拟件上进行焊前工艺试验:参考表I工艺参数预设值，对结构模拟件进行焊接；将焊缝部位剖切成两半；使用金相砂纸打磨工件剖面，强酸腐蚀后使用清水冲洗干净；测量焊缝深度，如焊缝深度不满足图纸要求(1.4?1.8_)，微调焊接参数，重新焊接模拟件并测量焊缝深度，直至满足图纸要求，此焊接参数即为正式工件的焊接参数。
[0052]表I工艺参数预设值
[0053]
I电压I电子束流聚焦电流焊接鐵速度^束流偏置距离
kVmAAm/minmm
|607.0-8.5......2:4:2:7 0.9:1.4 0.10-0.15
[0054]2)使用无尘布蘸丙酮或无水乙醇擦洗工件焊缝处，去除油污及异物，高纯氮气吹干。
[0055]3)通过专用工装将工件装夹在工作室转台之上，打表找正焊缝部位，保证径向跳动不大于0.05mm。(找正是调整前床和后床，保证端面平行)
[0056]4)抽真空，保证真空度不大于I X ΙΟ-lPa，使用经工艺试验确认好的参数焊接前床与燃烧室之间的焊缝。
[0057]5)打开工作室，取出工件，将工件平稳放置在产品盒中，注意避免磕碰划伤。
[0058]6)目视自检工件焊缝外观质量，应满足GJB1718A中的I级要求。
[0059]3试验验证
[0060](I)增加燃烧室结构，提高燃烧充分性
[0061]ADN基推进剂为三元推进剂，在催化床发生分解反应生成NH4N03、N2O和H2O,进一步的生成产物为Ν02、Ν0、ΝΗ3、Ν2和O2，在催化床内发生氧化产物与燃料发生燃烧反应，为了进一步提高完全燃烧程度，在催化床后段部分增加了燃烧室段，提高燃料与氧化产物燃烧充分性。经过带燃烧与无燃烧室结构的推力室进行点火试验对比(见图4、5)，带燃烧室结构的推力器温度要高出140°C以上。因此，基于上述分析，本发明一种用于ADN基无毒推力器的推力室结构如图1所示，包括催化床前床1、催化床后床2、燃烧室3，催化床后床2与燃烧室3及喷管4采用一体化结构，催化床前床I采用高温合金GH3128材料、催化床后床2、燃烧室3及喷管4采用钼铑合金PtRh30材料，催化床前床I与后床2之间采用电子束焊5焊接在一起，焊接结构为环形锁底焊缝。
[0062]ADN催化分解反应机制:
[0063]NH4N (NO2) 2 — ΝΗ4Ν03+Ν20 ΔΗ = -136kJ/mol
[0064]随后，AN会继续热分解为N2O和水或NO2、N2和水(分解路线与温度有关)。
[0065]NH4NO3 — N2CHH2O ΔΗ = -37kJ/mol
[0066]NH4NO3 — 3/4Ν2+1/2Ν02+Η20 ΔΗ = -102kJ/mol
[0067]总反应式为:
[0068]94H20+33NH4N(NO2)2+22CH30H — 22C02+204H20+66N3 ΔΗ = -136kJ/mol
[0069]经过27次温启动、1000次脉冲点火后，推力室材料未发生损坏及变形，试验过程中也未发生泄漏问题，表明钼铑合金燃烧室能够满足ADN5N推力器需求，也表明高温合金与钼铑合金连接可靠，能够满足5N推力器工况需求。
[0070]后期试验，为了测定内部温度，采用了钎焊内置管，放置钼铑热偶。测得最高温度为1290°C，如图5所示。
[0071]推广应用前景
[0072]在我国国内铼铱合金生产制备具有一定瓶颈的前提下，采用钼铑合金能够满足现阶段ADN推力器的发展需要。5N推力器催化床前床温度< 1100°C，后床及燃烧室内温度最高为1300°C左右，采用高温合金与钼铑合金相结合的方法，可以满足前床温度1200°C，后床及燃烧室内温度最高为1600°C的推力器工作需求，可以推广到后续发展的10N、22N、100N等其他推力量级的无毒ADN、HAN等高性能推力器上。
[0073]本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。
【权利要求】
1.一种用于ADN基无毒推力器的推力室,其特征在于:包括催化床前床、催化床后床、燃烧室，催化床后床与燃烧室及喷管采用一体化结构，催化床前床采用高温合金GH3128材料、催化床后床、燃烧室及喷管采用钼铑合金PtRh30材料，催化床前床与后床之间焊接在一起，焊接结构为环形锁底焊缝。
2.一种用于ADN基无毒推力器的推力室焊接工艺，其特征在于步骤如下: (1)将权利要求1焊接前部件作为模拟件进行焊前工艺试验，按照表中工艺参数进行焊接，焊接后将焊接部位切开，检查焊缝深度是否满足要求，若满足，则将当前工艺参数确定为最终焊接参数，若不满足，则对表中工艺参数进行调整，重新焊接，直至满足要求；电压电子束流I 聚焦电流焊接线速度 束流偏置距离 _k￥__mA I_A I_m'minmm I_60__7,0 ?8.5 I 2.4-2.? | 0.9-1.4__0.10-0.1S (2)擦洗待焊接催化床前床和后床的焊缝处，去除油污及异物，并吹干； (3)将步骤(2)处理后的前床和后床安装在焊接平台上，并抽真空，保证真空度不大于I X KT1Pa ； (4)利用步骤(I)确定的最终焊接参数进行焊接。
3.根据权利要求2所述的一种用于ADN基无毒推力器的推力室焊接工艺，其特征在于:所述步骤(4)中的焊接过程中，电子束流向后床偏离，保证焊缝两侧材料熔化程度相当。
4.根据权利要求3所述的一种用于ADN基无毒推力器的推力室焊接工艺，其特征在于:所述的偏离距离10?15丝。
【文档编号】B23K15/06GK104153914SQ201410353751
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年7月23日 优先权日:2014年7月23日
【发明者】刘旭辉, 陈君, 王梦, 张志伟, 王永钢, 刘瀛龙, 付拓取, 孙民, 于金盈 申请人:北京控制工程研究所