发动机壳体回收防护技术研究

0引言

目前,退役火箭发动机的处理方式主要包括高压水倒药、水力空化倒药和点火销毁等,其中,高压水倒药和水力空化倒药对发动机几乎无损伤,但效率低,仅适用于小批量、高附加值产品;而点火销毁方式对发动机有一定损伤,但其效率高,适用于大批量、低附加值产品[1]。

研究聚焦点火销毁方式下的发动机回收再利用技术,点火销毁过程中,发动机两端点火泄压,在绝热层保护下,发动机壳体内壁损伤较小,主要损伤集中于两端螺纹部位。若通过有效防护避免高温烧蚀,使回收壳体满足原指标要求,将产生显著经济效益和社会效益,有效减少含能有机材料和稀土资源的浪费。

目前,国内针对点火销毁工况的发动机回收技术的研究成果较少,尚未形成成熟可靠的技术体系,设计专用螺纹保护装置并应用高温隔热涂层技术能够有效填补国内此项技术空白。

1保护装置和工装结构设计

1.1螺纹保护装置结构设计

发动机火焰的高温对螺纹的烧蚀很严重,必须装配螺纹保护装置,因前后两端螺纹尺寸不同,对前、后保护装置分别进行了设计。设计完成的螺纹保护装置如图1所示。

1.2 隔热涂层的选择

螺纹保护装置本身材质为中碳钢,强度高,有较为良好的加工性,但在高温环境下的强度下降十分明显。为提升保护装置的耐高温、抗烧蚀性能,同时兼顾费效比,遂决定在未保护装置表面增加钽涂层和热障涂层。钽涂层基于电弧离子镀技术,在基体表面沉积纯钽(Ta)涂层,涂层中的钽元素大多以体心立方(BCC)结构α—Ta相存在,主体含量≥97wt%[2]。热障涂层是在基材上喷涂的多层复合结构涂层,其中金属粘结层:抗氧化并增强结合力;陶瓷面层:低热导率隔离高温燃气,降低基体温度。钽涂层在力学性能上具备一定优势,可适用于中低温高应力环境;热障涂层以隔热防护为导向,专为超高温燃气环境设计,多用于燃气轮机和航空发动机扇叶,涂层元素物相稳定,具备良好的抗烧结能力。两者在材料选择、工艺路径及适用场景上形成互补,可进一步增强螺纹保护装置的抗高温性能。

1.2.1钽涂层

采用电弧离子镀技术制备的钽涂层螺纹保护装置如图2所示。具有体心立方结构的钽比铬等涂层元素延展性好,对裂纹形成不敏感,有效增加了涂层的抗剥落性[3]。

1.2.2热障涂层

采用大气等离子喷涂技术制备热障涂层的螺纹保护装置如图3所示,其中陶瓷面层为7wt%~8wt%Y203稳定的zr02,金属粘结层为MCrAlY。钇稳定二氧化锆陶瓷能够隔离高温燃气,降低基体温度,金属粘结层可生成热生长氧化物,强化涂层和基材抗高温氧化能力并增强结合力,同时粘结层的存在亦能防止涂层与基材间的元素渗透[4]。

1.3 雨淋保护装置的结构设计

为降低壳体温度,设计了如图4所示的雨淋保护装置,其基本原理是通过物理降温减少火焰烧蚀的损伤,即过滤水充满管网后,从常开喷头同时喷洒,通过流体介质热传导实现快速、大面积冷却。

1.4水压强度试验工装设计

为确认壳体是否满足水压强度指标,设计了水压强度试验工装,工装整体结构和各部分组件如图5所示。

2保护装置和工装使用方法

2.1保护装置使用方法

将螺纹保护装置的螺纹部位涂抹硅橡胶密封后旋入发动机两端,将发动机装到点火工作台上,压紧两侧扣盖,连接雨淋系统与给水系统,将起爆导线引入防爆工事,带点火头的药包塞入发动机药柱孔内,连接点火头与起爆线,雨淋系统给水,待全员进入到防爆工事后点火。

2.2水压强度试验工装使用方法

先将打压工装安装到工作台上,发动机壳体装入打压工装中,旋紧两侧螺母,与气液增压系统连接,打开增压系统向壳体内部注满水,注满水后加压。所有接头不允许漏水,如有漏水现象,应停止加压,旋紧后再进行加压。

3检测结果对比分析

3.1指标检测

对两种不同年份的回收壳体(壳体年份分别为2005年和2007年)进行了外径尺寸、同轴度、水压强度、磁粉探伤、抗拉强度、断后延长率等检测,检测结果如表1所示。

外径和同轴度的测量数值都在中位数范围左右,偏差不超过指标的5%。磁粉探伤结果表明储存期在15年以内 (2022年试验)的壳体表面未出现裂纹、夹杂、分层、白点、疏松、气孔等缺陷磁痕。抗拉强度和断后延长率系对取自圆柱部、定心部、两端螺纹部位的样条进行拉伸试验获得。

截至检测时间(2022年),两种壳体储存时间分别为17年和15年。17年的壳体绝热层火焰烧蚀严重,15年的壳体绝热层经火焰烧蚀后保持完整状态。综合分析表1的试验结果,储存期超过15年且无防护的壳体因绝热层老化,不适合点火销毁回收。储存期在15年内的壳体在有防护状态时性能达标,防护效果显著。

3.2验证检测

为了进一步验证保护装置的防护效果,对储存期在15年内有防护的壳体和高压水倒药壳体进行显微组织观察,对比分析防护效果。

图6为发动机壳体金相组织,表2为金相显微观察结果,两种状态的壳体内表面金相组织基本一致,壳体内表面的晶粒组织呈现拉长状态,晶粒延展方向与发动机壳体成型过程中金属剧烈塑性流动变形方向相同,晶界清晰,组织中未出现明显的孪晶和滑移带。

以上观测结果表明两种不同的销毁处理方式对其内部组织影响很小。

为定量分析火焰对内表面金属的侵蚀量,表2给出了壳体各个部位的厚度,相同部位的厚度几乎一致,可见火焰并未对壳体内表面造成明显侵蚀。

4 结论

针对发动机点火销毁回收技术的中高温侵蚀问题,开发了点火销毁过程中发动机壳体的防护技术,该技术主要由热防护工装和雨淋冷却装置组成,经试验验证在该防护技术下回收的发动机壳体性能指标符合原指标要求,防护技术可靠高效。但此保护装置仅适用于储存期在15年内的发动机,储存期超过15年的发动机内部绝热层老化,火焰对绝热层的侵蚀非常严重,无法进行防护。

[参考文献]

[1]周红梅,李国林,田燕妮,等.固体火箭发动机退役处理方法与技术途径研究[J].飞航导弹,2014(3):68-71.

[2]毕强,张平则,黄俊,等.双辉等离子渗Ta改性层的组织及耐蚀性[J].中国腐蚀与防护学报,2012,32(5):364-368.

[3]刘怡飞,宋启萌,李助军,等.电弧离子镀制备TiN/Ti5iN多层涂层及其性能研究[J].润滑与密封,2022,47 (6):116-122.

[4]徐鹏,宋仁国,王超.大气等离子喷涂氧化锆热障涂层研究进展[J].热加工工艺,2011,40(12):114-117.

《机电信息》2025年第20期第20篇