不銹鋼管-鋁型材復(fù)合熱沉性能研究

閆 格，張英明，劉偉成，路正瑤

（蘭州真空設(shè)備有限責(zé)任公司華宇分公司，蘭州 730000）

0 引言

航天器在運行過程中會經(jīng)歷真空、冷黑、太陽輻照和電磁輻射等復(fù)雜空間環(huán)境，這些空間環(huán)境會對航天器的正常工作產(chǎn)生重大影響。因此，航天器研制過程中必須在地面進行充分的環(huán)境模擬試驗，其中，在模擬空間熱環(huán)境條件下進行的真空熱試驗是重要的試驗項目之一，熱沉裝置是真空熱試驗設(shè)備中模擬熱環(huán)境的最主要的部件。

熱沉工作在高低溫交變的真空環(huán)境中，熱沉材料必須具備真空出氣率低、低溫強度和延展性好、焊接性能和耐腐蝕性能優(yōu)良等特性。奧氏體不銹鋼、紫銅、鋁及其合金為面心立方晶格結(jié)構(gòu)，低溫延展性好，真空出氣率低，是制造熱沉常用的材料。3種材料的比較情況如表1所列[1]。

表1 3種材料性能比較表Tab.1 Properties comparison of three materials

從表1中可以看出，用鋁材制造熱沉，成本低、質(zhì)量輕；銅的密度約為鋁的3倍，其主要優(yōu)點是導(dǎo)熱性能好，耐腐蝕性能較鋁高，但價格較高。鋁可以制造各種形狀的型材，因此，用鋁作為大型熱沉的材料較銅有明顯的優(yōu)勢。國內(nèi)外用于制造鋁熱沉的材料主要為 1060（L2）、1100（L5-1）、5083（LF4）、6063（LD31）[2-4]等。但是，用鋁材制造熱沉的缺點是材料的耐腐蝕性能差、壽命短，焊接性能較差。美國SS/Loral公司的直徑11.9 m的熱真空環(huán)模設(shè)備的鋁熱沉曾發(fā)生過疲勞破壞[5]。國內(nèi)KM4熱沉曾發(fā)生鋁熱沉汞腐蝕問題[6]。

不銹鋼的真空出氣率、低溫強度、耐腐蝕性能和焊接性能等均優(yōu)于鋁和銅[7]。目前國內(nèi)外航天發(fā)動機高空點火模擬試驗中，必須采用實際工況用的有毒、有腐蝕性的燃料作為試驗介質(zhì)，該類介質(zhì)對銅和鋁都有很強的腐蝕作用，因而只能選用不銹鋼作高空點火試車模擬設(shè)備的熱沉材料。1986年歐空局研制的直徑10 m的熱沉選用了304L（022Cr19Ni10）不銹鋼材料。國內(nèi)的KM8設(shè)備也選用不銹鋼材料制作熱沉[8]。然而，不銹鋼最大的缺點是熱導(dǎo)率低，應(yīng)用時大部分須制成夾層式結(jié)構(gòu)以彌補其熱導(dǎo)率低的不足，這使得熱沉的可靠性受限[9]。目前，國內(nèi)熱沉如KM6、ZM4300都采用由不銹鋼管和銅翅片焊接而成的管翅式結(jié)構(gòu)[1]，由于銅與不銹鋼的焊接難度較大，導(dǎo)致生產(chǎn)工藝復(fù)雜，同時由于銅的價格相對較高，造成熱沉整體成本較高。

綜上所述，3種材料在熱沉應(yīng)用上各有優(yōu)劣。基于鋁、不銹鋼的材料性能及環(huán)模設(shè)備熱沉的研制和使用經(jīng)驗，本文研制了一種不銹鋼管-鋁型材復(fù)合熱沉，即以鋁型材翅片管內(nèi)襯304不銹鋼管作為復(fù)合翅片管，其中304不銹鋼管為熱沉支管，承載載冷介質(zhì)流通，鋁型材翅片管的翅片作為熱沉輻射壁板。載冷介質(zhì)不與鋁接觸，使鋁和不銹鋼在熱沉的制造上揚長避短，充分利用了鋁的高熱導(dǎo)率和不銹鋼材料耐腐蝕、強度高的優(yōu)點；另外，制造過程不涉及異種金屬的焊接。為熱沉制造提供了新的選擇。

1 熱沉結(jié)構(gòu)及成型

在鋁型材翅片管中穿入無縫不銹鋼管后進行脹接，得到不銹鋼管-鋁型材復(fù)合翅片管，如圖1所示。復(fù)合翅片管采用液壓脹管，穿管間隙0.3 mm，過盈脹管量0.1 mm。鋁型材翅片管材質(zhì)為6063鋁合金，不銹鋼管為304材質(zhì)。不銹鋼管-鋁型材復(fù)合翅片管實物及斷面圖如圖1所示。

圖1 不銹鋼管-鋁型材復(fù)合翅片管實物圖及斷面圖Fig.1 Physical drawing and cross-section of stainless steel tube-aluminum composite finned tube

不銹鋼管-鋁型材復(fù)合翅片管可根據(jù)熱沉結(jié)構(gòu)需要制備成各種形狀，復(fù)合翅片管中的不銹鋼管可作為熱沉的不銹鋼支管通過與不銹鋼主管焊接而形成形狀各異的熱沉。載冷介質(zhì)在不銹鋼支管和不銹鋼主管內(nèi)流通。

圓形魚骨式熱沉是一種常見的熱沉結(jié)構(gòu)形式。利用特制工裝將不銹鋼管-鋁型材復(fù)合翅片管卷圓，通過不銹鋼支管與不銹鋼主管焊接制備尺寸為D900 mm×800 mm的圓形魚骨式熱沉。熱沉不銹鋼支管間距為180 mm，不銹鋼主管為D32 mm×2.5 mm，不銹鋼支管為D19 mm×2 mm，鋁型材翅片管翅片厚度為2.5 mm。熱沉的壁板形式及結(jié)構(gòu)示意分別如圖2、3所示。

圖2 熱沉壁板示意圖Fig.2 Wall board of thermal shroud

圖3 圓形魚骨式熱沉結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structural diagram of circular fish bone thermal shroud

2 熱沉性能測試

2.1 測試裝置

將熱沉裝入環(huán)模試驗真空容器中進行性能測試。真空容器尺寸為D1 000 mm×1 400 mm；配置的真空機組為：FF-250/2000分子泵1臺，WAU251羅茨泵1臺，SC30D渦旋干泵1臺。熱沉控溫流程冷源配置為5P機械制冷機組，載冷介質(zhì)為導(dǎo)熱硅油，流程中加熱器功率為5 kW，控溫范圍-35～70℃。

2.2 測試內(nèi)容

對熱沉進行了真空度和溫度性能測試。測溫點布置如圖4所示，整個熱沉共布置19個測溫點（每個測溫點測得的數(shù)據(jù)為1個系列）。

圖4 熱沉溫度測試點布置示意圖Fig.4 Schematic diagram of temperature measuring point arrangement on thermal shroud

復(fù)合翅片管上不同位置如圖5所示。圖4中T1、T19分別為熱沉進口和出口不銹鋼主管上的測溫點；T2、T3、T6、T10、T11、T14、T15、T16、T17、T18為復(fù)合翅片管支管根部測溫點；T4、T7、T8、T12為翅片邊緣測溫點；T5、T9、T13為翅片中間測溫點。

圖5 不銹鋼管-鋁型材復(fù)合翅片管上不同位置示意圖Fig.5 Schematic diagram of different position on stainless steel pipe-aluminum profile composite finned tube

2.3 相關(guān)理論計算

當(dāng)熱沉內(nèi)空間沒有熱輻射負載時，熱沉只與常溫真空容器壁進行輻射換熱，根據(jù)式（1）計算該情況下熱沉翅片邊緣與不銹鋼支管之間的溫差。

式中：ΔT為熱沉翅片邊緣與支管的溫差（如圖5所示，以支管根部溫度表示支管溫度），℃；q為輻射熱流密度，W/m2；L為支管間距離，m；b為翅片厚度，m；λ為翅片熱導(dǎo)率，W/（m·K）。

輻射熱流密度q用式（2）計算：

式中：A1為熱沉外表面積，m2；A2為真空容器內(nèi)表面積，m2；ε1為熱沉外表面發(fā)射率；ε2為真空容器內(nèi)表面發(fā)射率；T1為熱沉溫度，K；T2為真空容器壁溫度，K，文中按300 K計算。

不同溫度下熱沉翅片邊緣與支管之間計算溫差如表2所列。可以看出，溫差較小，在-35～70℃范圍內(nèi)，溫差ΔT≤0.39℃。

表2 各溫度下熱沉翅片邊緣與支管間計算溫差Tab.2 Calculation temperature difference between thermal shroud fin edge and branch pipe at each temperature

3 測試結(jié)果與討論

3.1 熱沉對真空容器壓力的影響

對裝入熱沉前后的真空容器進行了抽氣對比測試，如表3所列。可以看出，能達到的空載壓力相當(dāng)，說明熱沉帶來的氣體負荷即熱沉的漏放氣率很小。但獲得空載壓力的平均時間延長了58 min。

表3 真空容器裝入熱沉前后抽氣情況對比Tab.3 Comparison of gas extraction of vacuum chamber before and after installing thermal shroud

影響空載壓力的因素有分子泵的極限壓力、真空容器及熱沉的表面出氣，以及兩者的漏率。分析計算表明，漏率產(chǎn)生的分壓約為10-8Pa量級，對總壓影響很小，可以忽略不計。影響空載壓力的只有分子泵的極限壓力和出氣兩種因素，即pj=p0+Q/S（pj為空載壓力，p0為分子泵極限壓力，Q為材料表面出氣量，S為分子泵有效抽速）。依據(jù)此公式，選擇抽氣1 h后材料的出氣率來計算空載壓力，計算結(jié)果約為6×10-6Pa。但裝入熱沉后實際結(jié)果達不到，只有延長抽氣時間，才能達到空載真空容器的壓力水平。初步分析認為是鋁型材翅片管與不銹鋼管之間貼合不夠緊密，存在微小夾縫，引起虛漏所致。

但對此種配置規(guī)格的環(huán)模設(shè)備而言，空載壓力的獲取時間在預(yù)期范圍內(nèi)。說明采用復(fù)合翅片管制備的熱沉不影響要求的空載壓力。

3.2 熱沉溫度均勻性

對熱沉進行了升降溫和不同設(shè)定溫度下的溫度均勻性測試，升降溫測試曲線如圖6所示，不同設(shè)定溫度下的溫度均勻性分析如表4所列。可以看出，在-35～70℃范圍內(nèi)，熱沉整體溫度不均勻性為-2.3～2.5℃，基本滿足環(huán)模試驗要求。熱沉的溫度偏差隨其輻射熱負荷的增大而增大，低溫下的偏差高于高溫下的偏差，這與熱沉進出口溫差隨設(shè)定溫度變化趨勢一致，只是前者相對較大。分析認為部分原因是由低溫下載冷介質(zhì)黏度增大、流量減小所致。

圖6 熱沉升降溫曲線Fig.6 Temperature measurement curve of thermal shroud

表4 各設(shè)定溫度下熱沉的溫度均勻性Tab.4 Temperature uniformity of the thermal shroud at each set temperature

載冷介質(zhì)在熱沉的不銹鋼管內(nèi)流動，通過對流換熱將熱量傳遞給不銹鋼管，不銹鋼管通過傳導(dǎo)換熱將熱量傳遞給鋁型材翅片管，并傳導(dǎo)到翅片邊緣。不銹鋼管與鋁型材翅片管的穿脹質(zhì)量決定了兩者之間的接觸熱阻，決定著載冷介質(zhì)能否順利將熱量傳遞給熱沉的翅片，這也是影響熱沉溫度均勻性的因素之一。支管根部溫度可以反映熱接觸狀態(tài)，其測溫結(jié)果如表5所列。可以看出，在-35～70℃范圍內(nèi)，根部溫度偏差為-2.0～2.4℃。在輻射熱負荷較小的情況下，不同設(shè)定溫度下的溫度偏差較小，說明不同測溫點溫度傳感器的安裝狀態(tài)基本相同。

表5 支管根部不同測溫點溫度測試結(jié)果Tab.5 The temperature test results of different temperature measuring points at the root of branch pipe

從表5中還可以看出，隨著熱負荷增大，不同測溫點的溫度差異變大，低溫下更甚。觀察支管根部各點溫度對比圖（圖7）發(fā)現(xiàn)，相近熱負荷條件下，高溫時溫度偏差很小的測溫點在低溫時出現(xiàn)溫度異常（如T18）。

圖7 支管根部各測溫點溫度對比圖Fig.7 The temperature comparison of measuring points at the root of branch pipe

結(jié)合圖4中測溫點與熱沉進出口的相對位置可以看到，部分測溫點溫度異常，例如T16與其他點的溫差較大。分析認為是不銹鋼管和鋁型材翅片管材料的線脹系數(shù)不同，冷熱交變引起兩者之間的接觸熱阻變化所致。可見高低溫交變會影響不銹鋼管與鋁型材翅片管的緊密貼合，進而影響導(dǎo)熱，使熱沉的溫度均勻性變差。

以熱沉支管2所在的復(fù)合翅片管（見圖4）為考察對象，支管根部與翅片邊緣測溫結(jié)果如表6所列。可以看出，在-35～70℃范圍內(nèi)，計算溫差均較小，實測溫差值略大于計算值。對于T8、T10測溫點，在-20～-35℃范圍內(nèi)，支管根部實測溫度略高于翅片邊緣溫度，這可能也是由于此處鋁型材翅片管與不銹鋼管在低溫下接觸熱阻的變化所引起的。

表6 熱沉支管根部與翅片邊緣溫差Tab.6 Temperature difference between the root of branch pipe and the edge of the fin

3.3 熱沉升降溫速率

由圖6計算可知，熱沉在10～70℃范圍內(nèi)升溫速率為2.73℃/min，在20～-35℃范圍內(nèi)降溫速率為1.82℃/min。為了與不銹鋼管-紫銅翅片熱沉及不銹鋼夾層式熱沉對比，根據(jù)式（1），按照支管與翅片邊緣計算溫差相等的原則，計算出當(dāng)紫銅翅片厚度為1 mm時，支管間距約為150 mm。3種材料的熱沉參數(shù)如表7所列。可以看出，不銹鋼管-鋁型材復(fù)合熱沉質(zhì)量較紫銅翅片熱沉減輕了24%，較不銹鋼熱沉減輕了39%，熱沉更輕便，便于結(jié)構(gòu)設(shè)計和安裝。但是，與紫銅翅片熱沉相比，由于不銹鋼管-鋁型材復(fù)合熱沉熱容較大，升降溫速率較后者降低了43%。總體上，與紫銅及不銹鋼熱沉相比，不銹鋼管-鋁型材復(fù)合熱沉質(zhì)量輕，而升降溫速率或會有所降低。

表7 3種材料熱沉參數(shù)比較Tab.7 Comparison of thermal shroud parameters for the three materials

4 結(jié)論

對研制的不銹鋼管-鋁型材復(fù)合熱沉進行了抽氣和溫度性能測試，結(jié)論如下：

（1）復(fù)合熱沉的氣體負荷很小，當(dāng)鋁型材翅片管與不銹鋼管貼合不緊密時，會存在微小夾縫，其中的氣體不易抽除，但不影響真空容器空載壓力的獲得，只是延長了空載壓力的獲取時間，該時間仍在預(yù)期范圍內(nèi)，說明熱沉制備中的穿脹工藝對獲取空載壓力的影響不大。

（2）在-35～70℃范圍內(nèi)，熱沉整體溫度不均勻性為-2.3～2.5℃，基本滿足環(huán)模試驗要求。在-35～70℃范圍內(nèi)，根部溫度偏差為-2.0～2.4℃。表明不銹鋼管與鋁型材翅片管之間的接觸熱阻沒有造成大的溫度差異。

（3）熱沉冷熱交變中，由于不銹鋼管和鋁型材翅片管的線脹系數(shù)不同，可能會導(dǎo)致二者之間的接觸熱阻產(chǎn)生變化，影響導(dǎo)熱，進而影響到熱沉的溫度均勻性。不銹鋼管-鋁型材復(fù)合熱沉可以使鋁合金和不銹鋼材質(zhì)在熱沉應(yīng)用上發(fā)揮各自的優(yōu)點，提高熱沉長期運行的可靠性，降低成本，方便加工，美觀整潔，為熱沉制備提供了一種新的途徑。

下一步我們將深入研究不銹鋼管與鋁型材翅片管的穿脹工藝，避免二者之間產(chǎn)生微小夾縫及在冷熱交變溫度下貼合不緊密的情況發(fā)生，盡可能減小接觸熱阻。