C/C喉襯炭沉積形成機理及抑制方法研究①

徐開民，李 江，王 磊，陳 莎

(西北工業大學燃燒、熱結構與內流場重點實驗室，西安 710025)

0 引言

在發動機工作過程中，喉襯不僅承受高溫、高壓兩相流燃氣帶來的機械沖刷和化學侵蝕，而且還承受強烈的力學沖擊、振動和熱應力［1］。C/C復合材料具有高比強度、高比模量、耐高溫、抗熱震、抗沖擊、可預示性能好等一系列特點，是理想的固體火箭發動機喉襯用材料［2－4］。基于喉襯的重要性，國內外對喉襯燒蝕進行了大量的實驗研究，其中某些研究已經涉及到喉襯材料的微觀燒蝕形貌分析［5－6］。因此，獲得準確的喉襯微觀燒蝕形貌，對于現在的燒蝕機理研究及材料的抗燒蝕性能分析都很重要。

前期對全尺寸發動機C/C喉襯展開微觀燒蝕形貌分析時，發現喉襯材料表面出現球狀沉積層。而基于燒蝕發動機開展的燒蝕機理研究中，實驗后在對其噴管喉襯的微觀燒蝕形貌分析中也發現了同樣的球狀沉積層。由于喉襯表面整體被沉積層覆蓋，無法得到具體的微觀燒蝕形貌，阻礙了形貌的分析，進而導致基于微觀形貌的燒蝕機理研究無法開展，得到的某些燒蝕規律無微觀形貌的證實與支持，在一定程度上阻礙了燒蝕機理的研究與分析。因此，需明確沉積層的形成機理以及提出抑制該沉積層的方法。為進一步研究材料的燒蝕性能，本文針對多向編織C/C復合材料喉襯開展了燒蝕實驗研究。

1 炭沉積現象及其形成機理

噴管喉襯選用密度為1.93～1.94 g/cm3的多向編制C/C復合材料。其預制體編織結構為z向采用樹脂固化的纖維束炭棒，在 xy平面為0°、120°和240°方向都存在連續纖維。

1.1 沉積現象

圖1、圖2分別為全尺寸發動機與燒蝕發動機喉襯微觀燒蝕形貌，其中燒蝕發動機采用復合推進劑，其實驗工作平均壓強為7.12 MPa，流量為1.4 kg/s，噴管初始喉徑為18 mm。

全尺寸發動機喉襯表面經電鏡照片分析觀察到部分纖維，其上附著球狀沉積層。燒蝕發動機通過電鏡照片分析觀察不到單根的炭纖維，喉襯表面整體呈現為球狀沉積層，且沉積層表面存在細微的裂紋。

圖1 全尺寸發動機喉襯燒蝕微觀形貌Fig.1 Morphology of throat-insert for full-size SRM

圖2 燒蝕發動機喉襯燒蝕微觀形貌Fig.2 Morphology of throat-insert for ablation SRM

1.2 炭沉積層形成機理分析

圖3沉積的層狀結構表明沉積層是經多次沉積而成的。通過能譜分析后發現，表面球狀沉積層主要以碳元素為主(見表1)，而不是由于推進劑中鋁粒子燃燒而形成的Al2O3沉積。

圖4為某次實驗中沉積層部分脫落的電鏡照片，觀察到沉積層下纖維相對于原始纖維，已不再是初始形貌的圓柱形，而呈現筍尖狀，纖維端頭不規則，纖維與基體之間的縫隙較大。纖維已出現了一定的燒蝕形貌，分析原因在沉積形成之前，纖維與燃氣接觸發生燒蝕，進一步證明覆蓋于喉襯表面的沉積層形成于發動機工作末期。

圖3 C/C材料SEM(2 000×)Fig.3 SEM of C/C material

表1 組分元素Table 1 Components of deposition

圖4 炭沉積層片狀脫落Fig.4 Chip carbon deposition

根據文獻［7－8］，初步認為此類球狀沉積層不是由材料本身的物理或化學變化產生的，也不是一次形成的，而是在發動機工作末期層層附著在材料表面上形成的。分析其原因，可能是發動機工作的燃氣中含有可熱解的烷烴類分子，這些熱解的烷烴類分子主要來自于推進劑的包覆層和發動機絕熱層等的炭化，且此類烴烷類分子可在一定條件下分解形成碳。噴管工作末期氣流速度過慢，氣流溫度低于碳的升華溫度，喉襯較高的溫度易使這些烷烴類熱解的碳元素附著在材料表面形成炭沉積層。

發動機工作過程中，喉襯溫度可達到3 000 K左右，工作末期喉襯溫度與氣流速度逐漸降低，當溫度和流速同時降低到滿足沉積條件的范圍時發生沉積。全尺寸發動機和燒蝕發動機喉襯直徑較大，工作結束后噴管降溫較慢，噴管處于沉積溫度范圍的時間較久，易形成沉積層。

2 炭沉積抑制實驗研究

2.1 實驗方案

鑒于沉積層形成機理判斷，本文提出2套實驗方案來研究炭沉積層形成機理及抑制沉積層的方法:

(1)采用固體火箭發動機，在其工作末期進行氮氣噴注實驗。該方法不僅可驗證沉積層形成機理，而且可驗證氮氣噴注是否抑制喉襯炭沉積。

(2)大尺寸喉襯其喉徑較大，工作末期降溫較慢，處于沉積溫度范圍持續較長，以產生沉積。而小尺度喉襯降溫較快，處于沉積溫度范圍時間較短，有可能抑制沉積。選用小尺度喉襯進行燒蝕實驗。

2.2 末期噴注氮氣實驗

2.2.1 實驗裝置

發動機工作末期噴注氮氣實驗裝置分為供氣系統和發動機工作系統以及控制系統，如圖5所示。

圖5 方案1實驗裝置Fig.5 Experimental device of case 1

氮氣供應系統主要有氮氣瓶、截止閥、過濾器、減壓閥、流量計和單向閥等組成。其工作原理是發動機工作前開啟氮氣瓶，管路中充滿氮氣，與發動機工作接口處由于電磁閥關閉無氣流供入。當控制系統得到信號激發，氣通過控制電磁閥開啟來供給氮氣。

實驗要求燒蝕發動機在工作末期開始后壓強下降到某一值時，在控制系統控制下，管路供氣系統從燒蝕發動機進氣孔充入氮氣，以隔離燃氣與喉襯的接觸，并提高燃氣流速，從溫度和速度兩個方面來抑制碳沉積。

設定供氣持續時間為10 s，10 s后發動機已完全熄火。供氣系統與發動機工作系統使用四氟塞密封墊進行密封，發動機側壁面供氣管路為碳酚醛。供氣系統噴注口定在距離噴管法蘭端面120 mm處，噴注角度水平。氮氣流量設定為0.2 kg/s。設定監控壓強為5 MPa，考慮到延遲時間，設定壓強相應增高。

2.2.2 噴管宏觀形貌分析

實驗后噴管如圖6所示，發動機工作后噴管喉部呈現不規則輪廓，供氮氣的一側相對于無氮氣的一側，氣輪廓更顯圓整，表面相對較為粗糙，未出現明顯的沉積現象。

圖6 實驗后噴管Fig.6 The nozzle after experiment

實驗采用復合推進劑，其平均工作壓強為11.82 MPa，發動機流量為0.42 kg/s，噴管初始喉徑為8.79 mm。發動機實驗工作時間為9.45 s，線燒蝕率為0.049 mm/s。

高溫狀態下的噴管在噴入相對低溫的氮氣后未出現裂紋和脫落，形貌變化不大，噴管完整。說明此C/C材料的驟冷效應并不明顯，抗溫度驟變性能較強。

2.2.3 喉襯微觀形貌分析

根據文獻［9－10］的研究，位于纖維束和基體之間的界面首先被燒蝕掉，而基體炭的燒蝕速率大于纖維燒蝕速率，于是基體退移速度比纖維束快，隨著燒蝕的進行，纖維邊緣的縫隙逐漸加深，纖維本身也逐漸凸現，最終出現露頭現象。而纖維根部和頭部的溫度、濃度差異，將造成纖維呈筍尖狀結構。圖7為氮氣供給后喉襯收斂段電鏡照片，材料表面無球狀層。

圖7 實驗喉襯收斂段電鏡照片Fig.7 Electron micrograph of nozzle convergence

從圖7可看到，喉襯材料已有燒蝕，明顯看到纖維單絲呈現筍尖狀，而且整個纖維束結構不平整，纖維束中的纖維單絲與纖維間基體也沒有保持在同一個平面上。以上種種現象說明，喉襯收斂段在發動機工作過程中受到高溫兩相流作用下，發生了燒蝕過程，并形成典型的微觀燒蝕形貌。

圖8為實驗噴管喉襯炭纖維束，可看到纖維單絲為平頭結構，并且纖維間散落著一些斷裂纖維。未出現筍尖狀單絲，分析原因為氮氣經過收斂段進入喉襯后，速度劇增，燒尖的纖維單絲不能抵抗高速冷流氮氣的剪切應力，尖頭斷裂，此種形貌以垂直于氣流方向的纖維束最為明顯。而收斂段的纖維單絲尖頭存在，是由于冷流氮氣的速度較低，已呈現尖頭的纖維單絲仍能抵抗氮氣的剪切應力。該實驗方法下，氮氣的速度是決定C/C材料在高溫驟冷情況下微觀形貌的主要因素之一。

圖8 實驗噴管喉襯電鏡照片Fig.8 Electron micrograph of nozzle throat-insert

前期研究中開展過噴管初始喉徑為14.76 mm的氮氣供給實驗，其平均工作壓強為10.39 MPa，發動機實驗工作時間為11.81 s，線燒蝕率為0.076 mm/s。通過對電鏡照片的分析證明，發動機工作末期注入氮氣可很好地抑制沉積的形成。

結合前期的研究以及通過對電鏡照片比較分析發現，噴管材料表面已無碳層沉積，由于發動機工作末期氮氣噴入，促使尾氣以較高速度排出，致使本應沉積的碳元素都被排出了發動機，減少其在噴管喉襯的停留時間。相對噴管溫度較低的氮氣在一定程度上也降低了噴管壁面溫度，抑制了炭沉積層的出現。實驗證明了炭沉積是可去除的，氮氣在一定程度上抑制了沉積的形成。

氮氣噴注實驗裝置中，氮氣對喉襯壁面的保護完成于發動機工作末期，通過微觀形貌的分析發現，在氮氣保護下的喉襯表面無沉積層，在一定程度上證明了之前對炭層沉積機理的假設:噴管喉襯表面的沉積層是在發動機工作末期由于烷烴類熱解形成的。

氮氣噴注后和燃氣混合排出，氮氣會降低喉襯處的燃氣溫度，加速喉部處的燃氣速度。溫度下降后會使熱化學燒蝕減緩，所以喉部的燒蝕率會降低。但是喉襯驟然冷卻，熱應力和剪切力使喉襯表面露頭的纖維被破壞，從而再次改變材料的形貌。

2.3 小喉徑燒蝕實驗

小喉徑燒蝕實驗裝置分為發動機工作系統及控制系統，圖9展示了燒蝕發動機。

圖9 方案2實驗裝置Fig.9 Experimental device of case 2

實驗裝置相對工作末期噴注氮氣的實驗裝置較為簡單，只有控制采集系統與燒蝕發動機，其中燒蝕發動機主要由前封頭、燃燒室、后封頭以及噴管構成。

2.4 噴管宏觀形貌分析

實驗后噴管如圖10所示，喉襯表面較為圓整，喉部無明顯的Al2O3沉積現象出現。

圖10 實驗后噴管Fig.10 Nozzle after tested

實驗采用復合推進劑，其平均工作壓強為9.00 MPa，發動機流量為0.50 kg/s，噴管初始喉徑為 9.17 mm。

圖11為小喉徑喉襯收斂段電鏡照片，材料表面無球狀沉積層。噴管材料呈現燒蝕形貌，整個纖維束結構不平整，纖維束中的纖維單絲與纖維間基體沒有保持在同一個平面上，可觀察到纖維單絲部分呈現尖頭結構。以上現象說明，喉襯收斂段在發動機工作過程中發生了燒蝕過程，并形成了典型的微觀燒蝕形貌。

圖12為實驗噴管喉部炭纖維束，可看到纖維單絲為尖頭結構。對比喉部與收斂段微觀形貌，喉部纖維尖角更為明顯。

實驗結果證明，小喉徑噴管燒蝕實驗后，喉襯不存在炭沉積。主要原因是小喉徑噴管降溫快，喉襯處于沉積溫度范圍內的時間較短，在一定程度上抑制了因烴類和烷類熱解產生沉積層的問題。

圖11 實驗收斂段電鏡照片Fig.11 Electron micrograph of nozzle convergence

圖12 實驗喉部電鏡照片Fig.12 Electron micrograph of nozzle throat-insert

3 結論

(1)燒蝕發動機氮氣噴注實驗研究結果表明，該方法可去除喉襯炭沉積層，并驗證了沉積層是由氧化性燃氣中的烴類和烷類在發動機工作末期因溫度和流速下降而分解形成的沉積機理。

(2)供氣起到了抑止沉積的效應，但是驟然冷卻，熱應力和剪切力使表面露頭的纖維被破壞。該方法有待進一步完善。在后續的研究工作中，應減小氮氣的流量，避免氮氣對材料表面造成的微觀形貌破壞。

(3)由于小尺寸噴管喉襯降溫較快，處于沉積溫度范圍時間較短，減小喉徑可很好地抑制沉積。為了避免沉積，可選擇小尺度噴管發動機進行微觀燒蝕形貌的研究。

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