用于无毒空间单组元发动机的蓄换热器件及其制备方法与流程

本发明涉及航天飞行器姿、轨控无毒空间单组元发动机热控设施技术领域，具体涉及一种用于无毒空间单组元发动机的蓄换热器件及其制备方法。

背景技术：

我国自上世纪七十年代以来发射了两百多颗人造卫星和载人飞船等空间飞行器，其中大部分都采用单组元空间发动机进行姿态控制和轨道调整。单组元空间发动机的工作原理是推进剂经喷注器喷射到被加热的催化剂上，经催化发生分解，产生大量气体，由喷嘴高速喷出，从而产生推力。目前空间单组元发动机常用的推进剂为肼，这是一种剧毒的物质，航天部门希望采用ADN推进剂加以替代。相比于肼推进剂，AND推进剂具有无毒、体积效率高、比冲高、成本低、易储存等一系列优点，而且其能够使用现有发动机的几乎全部配置。但是ADN推进剂的启动温度较高，现有的热控结构无法满足其启动要求，进一步加大外置加热器功率又受到卫星上能量供给的限制，为此，提出在使用外置加热器对催化床进行热控的同时，在催化剂前端放置一蓄换热器件。蓄换热器件主要由开孔泡沫金属制备而来，其具备空间三维网状结构，由连续中空的棱柱构成，具有孔隙连通、比表面积大、密度低、比强度高等特点，在换热领域获得了广泛应用。在发动机启动前，利用外置加热器将催化剂和蓄换热器件同时加热到较高温度，发动机启动时，推进剂首先与蓄换热器件接触，此时蓄换热器件迅速将蓄积的热量交换到冷的推进剂中，使其温度升高，然后再与催化剂接触，从而提高了催化反应的温度，使发动机能够正常启动。此外，蓄换热器件的多孔结构还能起到分散推进剂的作用，避免推进剂与催化剂长期在相同位置发生反应，避免催化剂的毒化，从而提高催化剂的寿命。蓄换热器件是无毒空间发动机研制和延寿的关键零部件。

为了获得良好的应用效果，蓄换热器件必须具备良好的蓄换热性能，能够将推进剂加热到尽量高的温度，同时其流阻不能太大，否则会影响推进剂的正常流动，进而影响发动机的性能。ADN推进剂分解后会产生高温，且其产物具有氧化性，因此蓄换热器件还必须具备优良的高温抗氧化性。此外，蓄换热器件还必须具备一定的力学强度，能够承受发动机内的高压强，并耐受高温高压气体的冲刷。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种无毒空间单组元发动机用蓄换热器件及其制备方法，该方法制备出的蓄换热器件具备良好蓄换热性能、优异高温抗氧化性及一定力学强度，是无毒空间发动机研制的关键零部件。

本发明的技术方案是：

一种用于无毒空间单组元发动机的蓄换热器件，所述蓄换热器件为圆形片状结构，是由外侧面的合金环和紧密嵌于合金环内的泡沫材料组成；所述泡沫材料是由泡沫镍依次经渗铝和预氧化后获得，泡沫镍经渗铝后其中铝的重量百分含量为12～38％；所述合金环的壁厚为0.1～1mm，合金环是由环状镍基高温合金经渗铝然后预氧化获得。

所述泡沫材料由相互连通的薄壁棱管形成的三维网状多孔结构，其孔隙相互连通、分布均匀，孔隙率为50～95％，孔密度为40～100PPI。

所述泡沫镍和环状镍基高温合金渗铝后在表面形成NiAl层，预氧化时铝会优先氧化，在器件表面形成均匀的α-Al₂O₃膜。

所述蓄换热器件用于航天飞行器姿、轨控无毒空间单组元发动机热控设施中。

所述用于无毒空间单组元发动机的蓄换热器件的制备方法为：首先将泡沫镍加工为所需规格的圆片，置于环状镍基高温合金内；然后将泡沫镍圆片与环状镍基高温合金同时用气相渗铝法渗铝，再经预氧化后获得所述蓄换热器件。

所述泡沫镍由聚氨酯泡沫经过导电化处理、电镀和还原烧结制成；根据无毒空间发动机的尺寸、蓄换热性能、流阻性能和力学性能要求，确定所需泡沫镍的规格，包括孔密度、体密度、直径和厚度等；其中：所述蓄换热器件的直径等于制备时所用环状镍基高温合金的外径，制备时选择的泡沫镍圆片的直径为环状镍基高温合金内径的92-98％；环状镍基高温合金和泡沫镍圆片经气相渗铝法渗铝后，泡沫镍圆片宏观体积膨胀，再经预氧化后，所得蓄换热器件的泡沫材料与其外侧面的合金环紧密结合。

所述气相渗铝法在管式高温炉中进行，气相渗铝过程中：温度850～1100℃，保温时间20～60min；渗剂由铝镍合金粉和氯化铵混合后并经充分研磨而成；渗剂中的铝镍合金粉(化学纯)和氯化铵(分析纯)的重量比例为(88～96):(4～12)，铝镍合金粉中铝的重量百分含量为50-60％。

所述气相渗铝过程中，将渗剂和样品(泡沫镍圆片与环状高温合金)分别置于带盖刚玉坩埚中，然后将坩埚置于管式炉均温区内；利用机械泵抽真空，去除管式炉及管路内的空气，再通入流动氩气，进行加热。

所述预氧化在马弗炉中进行，将渗铝后的样品置于刚玉坩埚中，然后放入加热到1100℃的马弗炉中，氧化1小时后取出，空冷至室温。

本发明的有益效果是：

1、无毒发动机用蓄换热器件将被放置于无毒单组元空间发动机内部催化剂前端，发动机启动时推进剂首先与被加热的蓄换热器件接触，迅速被加热，然后再与催化剂接触反应。因此蓄换热器件必须具备良好的蓄换热性能、高温抗氧化性能以及一定的强度和抗冲刷性能。本发明制备的无毒发动机用蓄换热器件能够满足无毒发动机的应用要求。

2、本发明以孔隙率高、比表面积大的泡沫镍为基础，通过气相渗铝和预氧化的方法，得到了大比表面积的蓄换热器件，具备优良的蓄换热性能。

3、器件渗铝后会在表面形成NiAl层，高温氧化条件下铝会优先氧化，在表面形成均匀的α-Al₂O₃膜，阻止进一步氧化的发生，使得器件具备优异的高温抗氧化性。

4、泡沫镍渗铝后宏观体积会发生膨胀，通过控制外侧高温合金环的尺寸，一方面能够获得外径尺寸满足要求的器件，另一方面，泡沫镍渗铝后会在体积膨胀效应的作用下与高温合金环有良好的结合力。

5、泡沫镍渗铝后，其力学性能会呈现明显的脆性，但经过预氧化后，部分铝形成氧化铝膜，蓄换热材料的金属基体内部铝含量降低，并呈多相结构，力学性能得到了明显的提升。

6、经过1100℃预氧化后，蓄换热材器件表面形成了均匀的α-Al₂O₃膜，性质稳定，能够很好的保护器件，同时与发动机内的各种气氛具备优良的相容性。

7、采用气相渗铝和氧化的方法制备无毒发动机用蓄换热器件，所需设备简单，工艺方法成熟，成本较为低廉。

附图说明

图1为本发明蓄换热器件结构示意图。

图2为泡沫镍渗铝后体积膨胀的示意图。

图3为本发明无毒发动机用蓄换热器件的制备工艺流程。

图中：1-合金环；2-泡沫材料。

具体实施方式

以下结合附图详述本发明。

本发明无毒空间单组元发动机用蓄换热器件的结构如图1所示，其为圆形片状结构，是由外侧面的合金环1和紧密嵌于合金环内的泡沫材料2组成；所述泡沫材料是由泡沫镍依次经渗铝和预氧化后获得，泡沫镍经渗铝后其中铝的重量百分含量为12～38％；所述合金环的壁厚为0.1～1mm，合金环是由环状镍基高温合金经渗铝然后预氧化获得。所述泡沫材料由相互连通的薄壁棱管形成的三维网状多孔结构，其孔隙相互连通、分布均匀，孔隙率为50～95％，孔密度为40～100PPI。所述泡沫镍和环状镍基高温合金渗铝后在表面形成NiAl层，预氧化时铝会优先氧化，在器件表面形成均匀的α-Al₂O₃膜。

本发明无毒空间单组元发动机用蓄换热器件的具制备工艺如下(参见图3)：

1、泡沫镍的准备与处理：

根据无毒空间单组元发动机的尺寸，蓄换热性能、流阻性能和力学性能要求，确定所需泡沫镍圆片的规格，包括孔密度、体密度、直径、厚度等，其中直径和厚度应略小于所用环状镍基高温合金的直径和厚度。选用质量优良、孔径和密度均匀的泡沫镍，采用数控线切割机床将其加工为所需形状。加工完成后将泡沫镍加入到含金属洗涤剂的水中煮沸清洗30min，随后用清水超声清洗10min，然后分别再用酒精和石油醚超声清洗10min，最后将样品在烘箱中烘干，放置在干燥箱中备用。

2、环状镍基高温合金的准备与处理：

根据无毒空间单组元发动机的尺寸，选择合适外径和壁厚的优质镍基高温合金管，采用数控线切割机床将其加工为所需厚度，随后用石油醚超声清洗两次，每次10min，干燥备用。

3、配置渗铝剂：

气相渗铝所用渗剂由化学纯铝镍合金粉和分析纯的氯化铵混合并充分研磨而成，其质量配比为(88～96)：(4～12)(如88:12或96:4等)，充分研磨混合均匀后在烘箱中烘干，然后放置于干燥箱中备用。

4、气相渗铝：

取一大小合适的带盖刚玉坩埚，将配置好的渗剂分别置于坩埚的底部和顶部(使用特制容器)，泡沫镍置于镍基高温合金环内，二者一起放置于坩埚中部由镍铬丝编织成的网上，然后盖好盖子，将坩埚置于管式炉的均温区内。利用机械真空泵抽干管式炉和管路内的空气，然后通入氩气，待达到大气压后再抽真空，反复多次直至完全清除管式炉和管路内的空气，随后持续通入氩气，保持炉内为流动的氩气环境。以10℃/min的升温速率升到250℃，保温30min，去除渗剂中的水分；然后仍以10℃/min的升温速度升到850～1100℃，保温20～60min；加热结束后随炉冷却至200℃后关闭氩气，冷却至室温后将样品取出，称量并计算渗铝量。渗铝后泡沫镍的宏观体积将发生明显膨胀，并在应力作用下与高温合金环内壁结合良好(图2)。

5、预氧化

将渗铝后的样品置于刚玉坩埚中，然后放入加热到1100℃的马弗炉中，氧化一小时，随后取出，空冷至室温，即可获得蓄换热性能和高温抗氧化性能优良，同时具备良好力学性能和抗冲刷性能的蓄换热器件。

实施例1

本实施例为70PPI蓄换热器的制备：

某型无毒单组元空间发动机为蓄换热器件提供的空间为Φ13×4mm，根据蓄换热性能和流阻性能要求，选择孔密度为70PPI，体密度为0.5～1.2g/cm³的泡沫镍，采用数控线切割机床加工为Φ12×3.8mm的圆片，清洗干燥。选择外径为13mm，壁厚为0.2mm的GH4169高温合金管，采用数控线切割机床加工为4mm厚的圆环，清洗干燥。

渗铝剂由化学纯铝镍合金粉和分析纯氯化铵充分混合研磨配制而成，所用渗剂质量分别为20g和2.5g。将混合好的渗剂分别置于刚玉坩埚底部和顶部由不锈钢带制成的容器中，泡沫镍置于高温合金环内，然后将二者一起放置于坩埚中部由镍铬丝编织而成的网上，随后盖上盖子，将坩埚置于管式高温炉的均温区内。利用机械真空泵抽干管式炉和管路内的空气，然后通入氩气，待达到大气压后再抽真空，反复多次直至完全清除管式炉和管路内的空气，随后持续通入氩气，保持炉内为流动的氩气环境。以10℃/min的升温速率升到250℃，保温30min，然后仍以10℃/min的升温速度升到1024℃，保温60min；加热结束后随炉冷却至200℃后关闭氩气，冷却至室温取出样品。此时泡沫镍渗铝后体积膨胀，在应力的作用下与高温合金环内壁结合良好。

将渗铝后的样品置于刚玉坩埚中，然后放入加热到1100℃的马弗炉中，氧化一小时，随后取出，空冷至室温，即可获得蓄换热性能和高温抗氧化性能优良，同时具备良好力学性能和抗冲刷性能的70PPI蓄换热器件。

实施例2

本实施例为75PPI蓄换热器的制备：

某型无毒单组元空间发动机为蓄换热器件提供的空间为Φ13×4mm，根据蓄换热性能和流阻性能要求，选择孔密度为75PPI，体密度为0.14～0.5g/cm³的泡沫镍，采用数控线切割机床加工为Φ12×3.8mm的圆片，清洗干燥。选择外径为13mm，壁厚为0.2mm的GH4169高温合金管，采用数控线切割机床加工为4mm厚的圆环，清洗干燥。

渗铝剂由化学纯铝镍合金粉和分析纯氯化铵充分混合研磨配制而成，所用渗剂质量分别为20g和0.8g。将混合好的渗剂分别置于刚玉坩埚底部和顶部由不锈钢带制成的容器中，泡沫镍置于高温合金环内，然后将二者一起放置于坩埚中部由镍铬丝编织而成的网上，随后盖上盖子，将坩埚置于管式高温炉的均温区内。利用机械真空泵抽干管式炉和管路内的空气，然后通入氩气，待达到大气压后再抽真空，反复多次直至完全清除管式炉和管路内的空气，随后持续通入氩气，保持炉内为流动的氩气环境。以10℃/min的升温速率升到250℃，保温30min，去除渗剂中的水分；然后仍以10℃/min的升温速度升到1024℃，保温30min；加热结束后随炉冷却至200℃后关闭氩气，冷却至室温取出样品。此时泡沫镍渗铝后体积膨胀，在应力的作用下与高温合金环内壁结合良好。

将渗铝后的样品置于刚玉坩埚中，然后放入加热到1100℃的马弗炉中，氧化一小时，随后取出，空冷至室温，即可获得蓄换热性能和高温抗氧化性能优良，同时具备良好力学性能和抗冲刷性能的75PPI蓄换热器件。