利用电铸工艺制造液体火箭发动机推力室

已经证明电铸工艺是制造液体火箭发动机再生冷却推力室的一种极好的方法。NASA制订的工艺计划既研究了普通工艺,也研究了先进的工艺。利用普通工艺方法制造了几种可冷却的两端带法兰的圆柱段和推力室,并且热试车很成功。这些推力室装有带涂层的钨衬里、氧化钍弥散镍内壁和石墨衬里。两端带法兰的圆柱段装有耐热镍基合金-x和带涂层的镍内壁。由于电铸工艺具有多方面的适应性,使这种工艺不仅仅限于简单的几何形状,因此才使这些设计方案有可能实现。已经把先进的电铸工艺用于制造金属丝缠绕的组合式承受压力载荷的电铸结构。这种组合式结构大大提高了结构强度而仍旧保持了电铸的优点。利用电沉积弥散增强的镍来改善材料的强度也是可能的。可是,这种方法尚需进一步研究。电铸工艺是一种成熟的制造方法。可是,用来制造推力室,如果不细心按照一定的方法进行,仍然会产生诸如材料强度不均匀、气孔和分层等问题。这份报告讨论了路易斯研究中心所执行的各项电铸计划,在讨论中,把重点放在以前未曾报道过的实用方面。     

铬/镍镀层对甲烷发动机推力室再生冷却换热影响研究

采用三维整场求解的方法,对某甲烷发动机推力室身部进行流动/传热耦合计算,研究了内壁燃气侧铬/镍镀层对甲烷再生冷却身部换热的影响。研究结果表明,气壁镀铬/镍可以有效保护推力室喉部,降低室壁温度,当敷设0.05 mm镍镀层时,喉部壁温可降低24.4%,最大热流密度可减小20%;敷设0.05 mm铬镀层时,喉部壁温降低约23%,热流密度减小18.7%;气壁镀镍的热防护效果优于气壁镀铬,且镍镀层厚度越大,气壁温和液壁温降低越多,防护效果越好。     

电铸纳米晶镍锰合金的性能研究

对利用冲液装置和高频窄脉宽脉冲电流电铸所得到的镍锰合金试片进行了显微硬度的测试及拉伸试验,研究与分析了沉积电流密度对电铸层显微硬度和拉伸性能的影响。结果表明,随沉积电流密度的增大,由于电铸层锰含量升高和晶粒尺寸减小而使电铸镍锰合金的显微硬度和强度升高,延伸率降低。电铸纳米晶镍锰合金具有较高的显微硬度和强度。     

电铸镍药型罩时脉冲参数对组织与性能的影响

利用脉冲电铸法制备纯镍药型罩,研究脉冲参数对电铸镍微观组织和性能的影响规律。实验采用两种不同的电铸液配方,分别改变脉冲电源的占空比、频率、阴极电流密度,得出电铸镍硬度随电铸参数的变化规律。研究结果表明,在单向脉冲电铸条件下,增大正向电流的占空比能够使得电铸镍的硬度变小。在双向脉冲电铸条件下,连续增加正向电流的占空比可使得电铸镍的硬度先增大后减小。当占空比达到50%左右时,电铸镍的硬度达到最大值;频率增加使得电铸镍的硬度先缓慢增加,当频率增加到4 000 Hz以上时,电铸镍的硬度快速增加。随着阴极电流密度增加电铸镍的硬度会变小。与此同时,利用脉冲电流可以得到晶粒细小,晶粒形态为等轴晶的电铸镍。     

液氧/甲烷发动机推力室再生冷却耦合传热数值研究

为了解液氧/甲烷火箭发动机推力室再生冷却的换热特点,采用数值模拟的方法,对液体火箭发动机推力室身部燃气与室壁间的对流、辐射换热以及通过室壁的导热、冷却剂与冷却通道间的对流换热进行了三维耦合数值计算.在计算中,假定推力室内流动为冻结流动,考虑了跨临界甲烷物性随温度和压力的变化.针对某甲烷再生冷却推力室进行CFD计算,计算结果与实验数据吻合较好.     

电铸镍药型罩经退火处理后组织与性能的变化

在电铸液中加入添加剂可以使电铸镍药型罩的晶粒得到细化,通过适宜的热处理可以达到控制晶粒形状和大小 的目的。对加添加剂的电铸镍药型罩在不同的温度下进行了退火热处理,利用光学显微镜、扫描电子显微镜及显微硬度计 对退火热处理前后样品的微观组织及疑微硬度进行了系统的研究。试验结果表明,随着退火温度的升高电铸镍药型罩的 显微硬度明显降低,内部晶粒呈现等轴晶形态。     

小推力姿控轨控火箭发动机材料技术研究现状

概述了国内外小推力姿控轨控液体火箭发动机新材料的研究和应用进展.姿控轨控液体火箭发动机推力室已从高性能铌/硅化物材料体系向复合材料推力室技术发展,研制耐高温性能更好的新型材料体系和高温抗氧化涂层以及将他们应用于推力室身部的工艺研究是提高姿控轨控液体火箭发动机技术水平的有效途径.     

有冷却槽的火箭发动机燃烧室的应力分析(报告Ⅰ:弹性应力分析)

在日本设计研制的原型LE-7助推火箭发动机中,已研制了四种制造推力室的方法:CIP(冷等静压制)成形法、镍电铸法、扩散焊接法和铜粉钎焊法。本报告的目的是要从推力室壁的最大弹性应力观点出发比较和评估这些方法。所分析的冷却槽式推力室是根据LE-7发动机的设计任务书设计的。在下面的分析中把推力室壁的压力和热载荷作为边界条件。作为第一步,为了简化起见,用轴对称薄壳模型进行分析,以评价整个燃烧室的应力场。然后用二维弹性分析法计算具有最大应力的喉部壁板。这些分析证明,四种加工方法中CIP成形法具有最低的应力场。进一步分析表明,CIP法还可以在CIP成形的外筒与外壳之间嵌入绝热层加以改进,这样,就能降低燃烧室壁的最大应力。     

完全用电铸法制造的低温火箭发动机的轻重量再生冷却推力室

对完全用电铸法制成的火箭发动机推力室已经成功地进行了验证。在这种推力室中,薄壁冷却夹套(通道)和用于承受全部推力室压力和推力载荷的推力室壁形成一个整体部件,它不采用钎焊工艺。冷却通道完全可以承受热膨胀。这种推力室与铣制的铜推力室相比,它的重量轻、生产价格低;与管束式推力室相比,它的价格低。为了验证试验压力,设计、生产、试验了1100磅氢氧发动机的海平面推力室。试验期间,该推力室不仅能在设计状态下,而且也在偏离设计条件很大的情况下,都能满意地工作。     

电铸镍药型罩的微观组织及力学特性研究

采用电铸法制备镍药型罩,利用X射线衍射仪、扫描电镜研究电铸镍药型罩的微观组织,通过拉伸试验研究电铸镍药型罩的力学特性。结果表明:在无添加剂时,随着电流密度的增大,晶粒尺寸变大;加入添加剂后,晶粒细化,可得到超细晶镍药型罩。脉冲电铸制备的药型罩表面光滑,晶粒尺寸约为500 nm。电铸镍药型罩中存在强烈的<100>丝织构,电铸参数的改变对镍药型罩织构影响较小。力学特性研究表明其屈服强度为256 MPa,伸长率可达7.4%。断口形貌观察发现电铸超细晶镍的断裂属于延性断裂。     

航天器件电铸镍焊接裂纹的研究

本工作以某些重要航天器件制造中遇到的实际问题为背景,对电铸镍与1Cr18Ni9Ti焊接接头电铸镍一侧近缝区的裂纹进行了深入研究。采用可变拘束裂纹试验法确定了电铸镍产生裂纹的最小临界应变量。采用Gleeble—1500试验机系统地研究了加热过程及以不同速度冷却过程中电铸镍的热塑性。运用扫描电镜、透射电镜及其能谱分析仪等于段对裂纹表面、热塑性试样断口以及薄膜试样的晶界区进行了系统分析。研究确定,电铸镍近缝区裂纹本质上是一种起裂于熔合区的特殊液化裂纹。研完了裂纹的形成温度与主要影响因素,并提出了控制措施。     

两种添加剂对氨基磺酸盐电铸镍塑性的影响

十二烷基硫酸钠和糖精是氨基磺酸镍电铸液中常用的添加剂。用含不同浓度添加剂的电铸液制备电铸镍,测定不同电铸工艺制备的电铸镍的延伸率,利用扫描电子显微镜观察拉伸试样的断面形貌并使用光学显微镜观察电铸镍的组织。试验结果表明:适量的十二烷基硫酸钠可以明显提高电铸镍的塑性,但随着添加量的进一步增加,塑性反而有所下降;适量的糖精可以进一步提高电铸镍的塑性,但糖精过多则会降低其塑性。     

Ni-Co合金电铸工艺及性能研究

通过 Ni- Co合金的电铸工艺试验 ,考察了电铸工艺对电铸合金层中钴含量的影响 ,并对电铸层进行了硬度、应力测试。实验结果表明 ,随镀液中钴含量和电铸温度的升高 ,合金电铸层中钴含量升高 ;随阴极电流密度的增大 ,合金电铸层中钴含量降低。合金电铸层硬度随电铸层中钴含量增加而升高 ;随电铸层中钴含量升高 ,合金电铸层中拉应力减小 ,有向压应力转化的趋势     

电铸镍药型罩的微观组织及织构分析

采用电铸方法制备纯镍药型罩 ,并用光学显微镜 (OM)、透射电镜 (TEM )、电子背散射衍射 (EBSD)技术对药型罩及爆炸变形后杵体进行观察分析。实验结果表明 ,电铸镍药型罩有良好的力学性能 ,在高速变形过程中发生动态再结晶。     

脉冲电流对镍药型罩电铸速度的影响研究

为了制备纯镍药型罩,研究脉冲电铸时脉冲参数对电铸速度的影响规律。利用两种不同的镀液配方,分别改变占空比、频率、最大阴极电流密度,得出电铸速度随脉冲参数的变化规律。在单向脉冲或双向脉冲条件下,增大正向电流的占空比都能使电铸速度增加,但是随着占空比的增大,电铸速度增加幅度变小;频率的改变对电铸速度没有影响;阴极电流密度增加时电铸速度也均匀增加。     

电铸液中添加剂含量与电铸镍晶体组织和性能的关系研究

在电铸液中加入添加剂可以使电铸镍的晶粒得到细化,通过控制添加剂的添加量可以达到控制晶粒大小的目的。利用光学显微镜和扫描电子显微镜对采用含添加剂制备的电铸镍的微观组织和晶粒形貌进行观察,并进行维氏硬度和拉伸试验性能的测试。试验结果表明,随着电铸液中添加剂含量的增加电铸方法制备的金属镍的晶粒得到明显细化,显微硬度增加,抗拉强度和伸长率随着添加剂的增加而增加,达到一定极大值后,随着添加剂的增加而呈现减小趋势。     

辅助交变低气压-温度梯度微细电铸技术

具有超深或高深宽（径）比( HAR)微结构特征的高质量电铸,是制造金属微机械器件和半导体通孔金属化的技术关键之一。开发了一种新的电铸技术：辅助交变低气压一温度梯度微细电铸技术,并介绍了该技术的基础理论,分析了其作用机理,研制了实施该技术的专用装置,进行了微细电铸试验。分析了微细电铸镍元部件的形貌特征及其影响因素。研究结果表明,与常规电铸工艺相比,采用辅助交变低气压微细电铸工艺,能显著减少电铸件的气孔缺陷,增强电充填深铸能力,改善形貌质量。     

基于“回”型阴极屏蔽板的平面电铸件厚度分布均匀性研究

为进一步提高大面积平面电铸件厚度分布的均匀性,提出一种改进型电铸工艺——阴极加设“回”字型屏蔽板并做周向等幅平面运动,并对此进行了数值分析与实验研究。研究结果表明：“回”字型屏蔽板结构参数与位置参数对阴极电流密度分布有很大影响,采用改进型电铸工艺能显著改善电铸层厚度的分布特性,基于新工艺制备约为100 μm厚的电铸层（大小70 mm×70 mm） 的厚度差小于8%.     

阳极偏置法摩擦辅助硫酸盐电铸铜

为了将机械摩擦应用于药型罩的硫酸盐电铸铜,基于铜离子两步还原原理,提出了一种新摩擦辅助方式的电铸铜工艺。将阴极卧式放置,在阴极框内填充适量不导电游离微珠至芯模水平中线左右,同时阳极偏置于没有微珠的上部。电铸过程中,铜离子在正对阳极的较强电场区域先沉积,然后芯模的旋转使沉积层被微珠摩擦,从而改善了辅助摩擦的电沉积过程,避免毛刺的产生,提高电铸层质量。试验结果表明：在较低转速下可以更好地利用铜离子两步还原原理及阳极偏置法,让铜离子先沉积,再被硬质微珠摩擦,在无添加剂的硫酸盐溶液中得到表面平整的铜沉积层,同时电铸层的晶粒和微观组织得到细化和改善;当转速为5 r/min时,得到显微硬度为139 HV,抗拉强度为333 MPa的铜电铸层;当采用不溶性阳极时,可进一步增强电铸铜的机械性能,抗拉强度达到460 MPa. 为了将机械摩擦应用于药型罩的硫酸盐电铸铜,基于铜离子两步还原原理,提出了一种新摩擦辅助方式的电铸铜工艺。将阴极卧式放置,在阴极框内填充适量不导电游离微珠至芯模水平中线左右,同时阳极偏置于没有微珠的上部。电铸过程中,铜离子在正对阳极的较强电场区域先沉积,然后芯模的旋转使沉积层被微珠摩擦,从而改善了辅助摩擦的电沉积过程,避免毛刺的产生,提高电铸层质量。试验结果表明：在较低转速下可以更好地利用铜离子两步还原原理及阳极偏置法,让铜离子先沉积,再被硬质微珠摩擦,在无添加剂的硫酸盐溶液中得到表面平整的铜沉积层,同时电铸层的晶粒和微观组织得到细化和改善;当转速为5 r/min时,得到显微硬度为139 HV,抗拉强度为333 MPa的铜电铸层;当采用不溶性阳极时,可进一步增强电铸铜的机械性能,抗拉强度达到460 MPa.     

推力室气动加热及结构传热耦合分析

采用再生冷却技术的推力室具有能量利用率高等的优点,但在高超声速流动中,非工作状态下的气动加热作用会对内部推进剂造成影响,是结构设计中必须考虑的环节.通过仿真手段探讨的侧向放置的推力室在无喷流状态下的气动加热及结构传热问题,时该类推力室适用范围的拓展有着重要意义.