泡沫电热合金抗氧化涂层制备及其对力学性能影响

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绿色单组元空间推力器以其无毒化、高性能的优势成为高性能宇航飞行器推进分系统的优选方案。绿色单组元推力器可以采用现有的单组元肼推力器的几乎全部配置,但绿色推进剂自身具有较高的稳定性,使发动机的启动温度较高。受限于整星功耗,目前考虑采用内加热器方案,而该方案的关键是研制出在高温高压强氧化环境下,依然具有可靠力学性能的电热材料。单组元电热肼推力器采用的电热材料泡沫镍铬合金可在900℃下保持良好性能,而ADN推进剂反应温度能达到1000℃,本文拟采用镍铬泡沫合金表面涂覆高温无机涂层以提高其耐热性能,以满足绿色推力器的技术要求。  本文采用泡沫NiCr20电热合金表面涂覆陶瓷涂层。选取了一种适合于在镍铬合金表面涂覆的陶瓷配方(B-1000陶瓷粉),重点对真空浸渍及高温熔烧的各种影响因素进行了探讨,获得真空浸渍和烧结工艺的最佳工艺参数。采用扫描电子显微镜(SEM/EDS)、体式显微镜和X射线衍射仪(XRD)对涂覆陶瓷涂层样品的成分、显微和宏观形貌进行了分析。并对样品的高温抗氧化性能,抗热震性能,孔隙率,比表面积,表观表观抗拉强度,承压能力等性能进行了表征。具体结论如下:  (1)施加陶瓷涂层的泡沫NiCr20合金,孔隙率保持在80%以上,比表面积也基本与涂覆陶瓷涂层之前相近,为207cm2/g。泡沫NiCr20电热合金的陶瓷涂层微观组织均匀、致密、薄且与电热合金基体结合良好,样品宏观表面平整光滑,并富有光泽。  (2)未施加陶瓷涂层的泡沫NiCr20合金在1000℃完全氧化,氧化过程是由界面反应控制的。泡沫NiCr20电热合金氧化后,合金上形成大量的孔洞。孔洞的形成主要由铬离子向外迁移造成的。泡沫NiCr20电热合金在1000℃高温氧化过程中,NiCr20电热合金首先与氧发生反应,生成NiO和Cr2O3混合氧化物层,部分NiO和Cr2O3发生固相反应生成NiCr2O4尖晶石。因合金较薄,无Cr2O3内氧化层生成。  (3)施加陶瓷涂层的泡沫NiCr20电热合金在1000℃氧化过程是由扩散控制的,在涂层与基体界面处生成一薄层Cr2O3保护膜。施加涂层的NiCr20合金试样的氧化增重大致是未施加涂层的合金的1/6,陶瓷涂层对基体起到了很好的防护效果。施加陶瓷涂层的泡沫NiCr20电热合金氧化前后物相组成基本没有变化,氧化后涂层和基体仍然有很好的结合,涂层中有孔洞形成,推测是羧甲基纤维素钠高温氧化造成的。  (4)材料经历室温至1000℃20次热震后,涂层没有发生明显的开裂和剥落。在涂层中靠近界面处发生Cr的富集,检测到微量Ni元素,表明陶瓷涂层与基体合金发生了微弱地互扩散。  (5)陶瓷涂层对拉伸过程影响较大,施加涂层后,由塑性断裂机制变为脆性断裂机制,压缩过程中,施加涂层前后均为塑性变形机制;高温氧化后,施加陶瓷涂层的泡沫NiCr20电热合金的表观表观抗拉强度与泡沫NiCr20电热合金相近,基本稳定在2Mpa;泡沫NiCr20电热合金的表观应力水平最低,施加陶瓷涂层的泡沫NiCr20电热合金的表观应力水平最高,其氧化后,表观应力水平下降,介于氧化前的施加陶瓷涂层的泡沫NiCr20电热合金及泡沫NiCr20电热合金之间。  (6)分别以未施加陶瓷涂层和施加陶瓷涂层的泡沫NiCr20作为发热体的内置式多孔加热器发热芯在大气环境下经历4000次快速寿命实验后的电阻分别增大5.31%和4.84%,满足考核要求。在相同功率下,发热芯表面温度相近,陶瓷涂层对泡沫合金的电热性能无明显影响。
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