Условия работы сопел РДТТ предъявляют к защитным покрытиям этого узла жесткие и многосторонние требования. Выбор материалов для элементов сопла определяется двумя основными факторами: распределением температуры вдоль сопла во время работы двигателя, химическим и эрозионным действием продуктов сгорания.
Материалы для сопел РДТТ должны:
-обладать жаростойкостью и жаропрочностью при температурах до
3500 К;
-достаточной конструктивной прочностью;
-эрозионной стойкостью в высокотемпературном сверхзвуковом потоке, насыщенном твердыми частицами;
-минимальной массой;
-совместимостью с окружающей и внутренней средой.
Достаточно легкое сопло может быть получено только при использовании в конструкции сопла принципа многослойности, когда каждый отдельный слой конструкции выполняет строго определенную функцию, а вся сборка в целом обеспечивает работоспособность при удовлетворительных характеристиках сопла.
Выбор материалов для изготовления вкладыша сопла РДТТ определяется назначением и условиями работы детали в двигателе. Назначением вкладыша является либо обеспечение стабильности величины диаметра минимального сечения сопла, либо заданного закона его изменения при условии воздействия на деталь химически активного двухфазного потока продуктов сгорания твердого топлива. В некоторых случаях, когда время работы РДТТ исчисляется секундами, возможно изготовление вкладыша критического сечения сопла из медных сплавов, обладающих большой теплоаккумулирующей способностью.
К материалу вкладыша предъявляются требования повышенной жаропрочности и жаростойкости, высокой эрозионной стойкости. В таблице 3.2. приведены основные типы материалов, используемые при тепловой защите критического сечения сопла.. В качестве материала для вкладышей сопел РДТТ с небольшими размерами критического сечения (до 300 мм) большое применение находил графит (главным образом специально обработанный) и жаропрочные металлы—молибден и вольфрам. Так, сопловые вкладыши РДТТ БРСД «Поларис А-1» изготавливаются из молибдена (из поковки, методом раскатки с утонением стенки), а сопла РДТТ одной из ступеней МБР «Минитмен» имеют вкладыши из графита повышенной плотности.
Для защиты сопловых вкладышей на их рабочие поверхности тем или иным способом наносят специальные покрытия. Наиболее распространенными покрытиями вкладышей из графита являются вольфрам и его сплавы, карбид вольфрама, молибден и его сплавы, окислы алюминия, тантала и некоторых других металлов, специальные графитокерамические покрытия (типа покрытия с составом: 50% графита, 25% борида титана, 24% дисилицида молибдена, 1% специальной связки), пиролитический графит и др.
Таблица 3.2.
Типичные характеристики материалов для сопел при Т=293 К
Характеристика | Теплопроводные жаростойкие материалы | ||||
Графит ATJ | Вольфрам (кованый) | Пиролитический графит | |||
Плотность, г/см3 Коэффициент теплопроводности, Вт/(м2*К): вдоль волокна или слоя основы поперек волокна или слоя основы Удельная теплоемкость Дж/(кг*К) Температурный коэффициент, К-1*106: вдоль волокна или слоя основы поперек волокна или слоя основы | 1,73 104…23,7* 59,4…22,3* 0,25…0,6** 2,7 4,0 | 19,0 142,5…89,1* - 0,033..0,047** 4,5 - | 1,80…2,26* 142,5…89,1* 1,78…0,45* 0,22…0,5** 2,4 | ||
Характеристика | Композиционные абляционные материалы | ||||
Угольная ткань МХ-4926 | Графитовая ткань FM-5064 | Кварцевая ткань МХ-2600 | |||
Плотность, г/см3 Коэффициент теплопроводности, Вт/(м2*К): Вдоль волокна или слоя основы Поперек волокна или слоя основы Удельная теплоемкость, Дж/(кг*К) Температурный коэффициент, К-1*106 Вдоль волокна или слоя основы Поперек волокна или слоя основы | 1,43 1,23..1,38*** 0,71..0,86*** 0,20..0,36*** 6,7 9,5..55,8*** | 1,45 3,40...4,31*** 1,02…1,36*** 0,24…0,39*** 9,5 31,7 | 1,75 0,52…0,56*** 0,45…0,48*** 0,24…0,30*** 7,0 29,7 | ||
* Наименьшее значение соответствует температуре 2473 К
** Наибольшее значение соответствует температуре 2473 К
*** Наибольшее значение соответствует температуре 673 К
Иногда вместо нанесения на графит защитных покрытий оказывается достаточным провести:
-рекристаллизацию поверхностного слоя графита с получением, так называемой, структуры суперграфита;
-специальную обработку детали, с целью получения на рабочей поверхности слоя повышенной жаропрочности из карбидов титана, циркония и т. д.;
-силицирование графита, в результате чего в поверхностном слое детали образуется структура, в которой графит оказывается связанным с карбидом кремния, что обеспечивает повышение его прочностных характеристик.
Весьма эффективным способом обеспечения эрозионной защиты графитовых вкладышей является нанесение на их рабочую поверхность защитного покрытия из вольфрама. Покрытие может наноситься газопламенным или плазменным напылением, электролитическим осаждением, спеканием в вакууме (для нанесения покрытий и для непосредственного изготовления вкладышей пиролитическим осаждением из газообразного состояния). Для исключения науглероживания вольфрама, приводящего к снижению его прочностных свойств, от контактирующего с ним в некоторых конструкциях пиролитического графита, между ними наносится подложка.
К материалам, применяемым для вкладышей сопел РДТТ, относится также пиролитический графит. Процесс его образования заключается и высокотемпературном пиролизе содержащих углерод газов и осаждении освобожденного углерода на технической графитовой оправке. Пирографит—это ориентированный кристаллический графит.
Интерес к пирографиту объясняется его исключительной анизотропией теплопроводности: в тонком слое можно реализовать перепад температур до 2000 К. Следует отметить ряд существенных недостатков пирографита, затрудняющих широкое использование этого материала в реальных конструкциях. К ним следует прежде всего отнести хрупкость, низкую прочность скрепления с другими материалами, применяющимися в конструкции сопел, склонность к расслоению в процессе хранения.
На рис.3.38. представлен пример осуществления тепловой защиты критического сечения сопла РДТТ.
Рис.3.38. Тепловая защита критического сечения сопла РДТТ:
1 – вольфрам; 2 – подложка; 3 – пиролитический графит;
4, 5 – низкотеплопроводные пластик и керамика; 6 – материал сопла