某飛行器鼻錐熱防護(hù)結(jié)構(gòu)制備加工與氧化燒蝕性能研究.pdf

1、隨著高超聲速飛行器飛行速度的不斷提升，服役環(huán)境也越來越惡劣，為保證航天飛行器安全穩(wěn)定飛行，必須開展飛行器鼻錐等關(guān)鍵熱端部件的熱防護(hù)問題的研究。作為高超聲速飛行器關(guān)鍵熱端結(jié)構(gòu)件，鼻錐在飛行時(shí)將面臨非常嚴(yán)重的氣動(dòng)加熱，為保證高超聲速飛行器的整體性能，飛行器鼻錐不允許有較大變形，因此，飛行器鼻錐熱防護(hù)結(jié)構(gòu)材料必須滿足長時(shí)間抗氧化和耐燒蝕等性能要求。超高溫陶瓷復(fù)合材料因具有耐高溫、抗氧化燒蝕等優(yōu)異特性，是飛行器鼻錐等關(guān)鍵熱端部件的首選材料之一，

2、但超高溫陶瓷材料難以燒結(jié)致密化以及本征脆性等特點(diǎn)加大了高性能鼻錐熱防護(hù)結(jié)構(gòu)材料的制備和加工難度。因此，開展鼻錐熱防護(hù)結(jié)構(gòu)超高溫陶瓷材料的制備、加工以及相關(guān)性能考核具有重要的意義。
　　本文根據(jù)飛行器鼻錐熱防護(hù)結(jié)構(gòu)需求，結(jié)合飛行器鼻錐的服役特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了前端呈半球狀后端呈圓柱狀的組合式鼻錐熱防護(hù)結(jié)構(gòu)，并采用ANSYS軟件建立了模型，對建立的鼻錐熱防護(hù)結(jié)構(gòu)件模型進(jìn)行了溫度場分析。分析結(jié)果表明鼻尖部溫度最高，并依據(jù)溫度場分析結(jié)果選取鼻錐熱

3、防護(hù)材料。
　　本文選擇ZrB2-SiC-G超高溫陶瓷材料作為鼻錐熱防護(hù)結(jié)構(gòu)材料的制備體系。采用熱壓燒結(jié)工藝制備材料，與以前研究不同，本次制備出了綜合性能優(yōu)異的大尺寸鼻錐熱防護(hù)結(jié)構(gòu)材料，并通過組分優(yōu)化和工藝優(yōu)化保證材料的致密性，以及良好的力學(xué)性能。研究了不同參數(shù)對ZrB2-20vol.％SiC-G陶瓷材料的致密度、彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性等性能的影響，如石墨含量、燒結(jié)溫度等。試驗(yàn)結(jié)果表明：1900℃、30MPa和1h條件下熱壓燒結(jié)的Zr

4、B2-20vol.％SiC-10vol.％G材料綜合性能較為優(yōu)異，其中彎曲強(qiáng)度為487MPa，斷裂韌性為6.2MPa.m1/2，致密度為99.7%。
　　本文采用了ELID磨削技術(shù)對該超高溫陶瓷燒結(jié)，然后對材料進(jìn)行加工成型，并對該熱結(jié)構(gòu)件磨削表面粗糙度進(jìn)行正交試驗(yàn)，同時(shí)分析了磨削工藝參數(shù)與表面粗糙度之間的關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果表明最佳磨削工藝組合為：粒度w40＃、砂輪線速度26.2m/s、磨削深度0.005mm、工件轉(zhuǎn)速35r/min。同

5、時(shí)采用超聲檢測（UT）和X射線檢測（RT）相結(jié)合的方法對鼻錐熱防護(hù)結(jié)構(gòu)超高溫陶瓷材料進(jìn)行無損檢測，檢測結(jié)果表明陶瓷材料內(nèi)部和表面的微觀孔隙含量比較少，表明該鼻錐熱結(jié)構(gòu)件材料具有優(yōu)異的綜合性能。
　　研究了ZrB2-20vol.%SiC-10vol.％G鼻錐熱防護(hù)結(jié)構(gòu)超高溫陶瓷材料的抗氧化燒蝕行為。地面考核實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該鼻錐熱防護(hù)結(jié)構(gòu)材料的宏觀形貌相對完好，能保持良好的完整性；且沒有出現(xiàn)微裂紋，表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗氧化燒蝕能力。同時(shí)結(jié)合鼻