航天机构和私人发射供应商现在通常都瞄准可重复性、更高的有效载荷碎片以及更长的服务寿命。 实现这些目标需要能够经受超过1500°C的燃烧温度、快速热循环和腐蚀性排气环境的材料。 超合金 — — 一种为极端条件设计的金属合金 — — 已成为下一代运载火箭硬件不可或缺的条件。 最近在构成、制造和涂层技术方面的进步正在推动这些材料的性能界限,从而能够实现更宏伟的任务架构并降低运行成本。

超级合金在下一枚运载火箭中的关键作用

向可再使用的火箭的无情推进和推力对重量比率的提高,对结构和热量部分提出了前所未有的要求。 一级发动机,如SpaceX猛禽或蓝原BEQ4所使用的发动机,在压力和温度下运行,会导致常规钢或铝合金在几秒钟内失效。 超功率填补了空白,因为它们在800°C以上温度下保持高机械强度,抵抗氧化和热腐蚀,并在持续载荷下保持蠕动阻力。 这些特性使设计者能够降低壁厚度、轻度部件,并提高热效率,所有这些都对降低发射成本至关重要。

什么是超合金? ! ! ! ! 超合金是什么?

超合金是高性能合金,其基础通常是镍、钴或镍,其合金中含有铬、铝、钛、钨、钼和钽等元素,其特性在于能够在其熔点的很大一部分保持有用的强度,大多数超合金都是通过固态加固和降水强化相结合而获得其强度的,后者是通过微散的金属间相位(通常是γ质),与基质(γ)相接,并阻断运动,从历史上看,这些材料的开发是由航空用气态发动机驱动的,但同样的要求——高温、高压力、腐蚀环境——直接适用于火箭发动机。

镍基超合金在火箭工业中占主导地位,因为其顶级的蠕动和氧化阻力高达约1,100 °C。 钴基变体在热-芳基抗阻或热-腐蚀阻力至上的地方使用。 采用单晶铸造技术消除了高温下削弱材料的谷物界限,将可用温度范围再扩大50-100 °C。 例如,高性能液态-氧/氢发动机中的涡轮叶片往往使用单晶超合金,如CMS-Q4或René N5。

近期超合金技术创新

过去十年来,一些零散的进步将超合金的性能推向了一个新的制度。 这些创新跨越合金化学、加工和保护涂层。

高级组成:与反式金属微分

现代超合金吸收了更高水平的反相元素以提高γ ⁇ prime阶段的溶液温度,并提高高温强度。 红外、红外和钽现在是第三代和第四代单晶超合金中常见的添加物。 特别是,红外线减缓了扩散和稳定微观结构,但也增加了密度和成本。 因此,合金开发者正在优化平衡 — — 仅使用3-6 % 的红外线,而将其他元素替换为要求较低的组件。 美国航天局马歇尔航天中心()最近的研究侧重于成本减价的变体,这些变体在将红外线合金的性能降低90%,同时将材料成本降低一半。

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添加制造(AM)使超合金组件的生产发生了革命性的变化. 激光-粉末-床聚变和电子-束熔化现在允许近 ⁇ net-形状制造无法铸造或机器的部件. Rocket-engine制造商正在使用AM在燃烧室和喷嘴内制造复杂的冷却通道,减少部分计数并消除焊接. 例如, SpaceX 已公开披露,猛禽发动机中的许多Inconel 718部件是3D ⁇ 印刷的,将制造前期从数月缩短到数日,挑战在于控制在AM所固有的快速固化和冷却过程中形成诸如Laves或 ⁇ 等不理想阶段. Post-process hot-isonic pression(HIP)和热处理对于恢复目标微结构至关重要.

保护热和环境屏障

即使是最好的超合金也无法无限地承受最严重的燃烧环境. 基于ytria 稳定 ⁇ (YSZ)的热屏障涂层(TBC)将金属温度降低150 °C,而基于稀土硅酸盐的环境屏障涂层(EBC)则提供氧化阻力和粘附性. 涂层建筑采用分级接口或柱状微结构来提高菌株耐性. NASA Glenn研究中心的研究人员 正在开发多层的TBC/EBC系统,能够经受高压,高密度排气量氧 ⁇ 的排气量,Axiocrich 级燃气发动机,邦德涂层,主要是NiCrAlY或Pt ⁇ aluminide,可以提供氧化阻力和粘合性. 涂层与底层之间的相互作用至关重要:涂层溅射可导致迅速局部衰竭,因此涂层成分越来越适合底部超合金的热膨胀系数.

空间运载火箭中的应用

超合金部署在运载火箭的多个子系统中,以下各节详细介绍了其主要用途和最近创新所产生的惠益。

涡轮和涡轮机

在液态火箭发动机中,涡轮增压涡轮机在受热、部分燃烧气体驱动时必须以几万RPM旋转,涡轮机叶片和磁盘面临极重离心负载和高温,单晶镍基超合金(如René N4、PWA 1480)已成为刀片的标准,而René 88DT或LSHR等粉末冶金超合金则用于硬盘,因为其抗抗抗抗抗拉强度和疲劳性,最新设计采用了双晶体结构磁盘——一个精细的耐力型和粗细的耐蠕动型。

燃烧室和喷嘴

燃烧室的热通量是任何一个部件中最高的。 室内衬线往往由铜合金制成,用于热导,但热气墙需要超合金结构夹克或衬线。 在许多引擎中,室内内衬是铜合金,外壳为镍合金。 喷嘴延伸在低温下运行,但仍很紧张,利用了Inconel 625或Haynes 230等超合金。 加第维制造使整体冷却通道成为可能,减少了受压关节的数量,提高了可靠性。 例如,RL10发动机的喷嘴采用了一个加固的超合金管构造,但新的设计正在转向印刷的单体超合金结构。

热盾和热保护

尽管许多热屏蔽都是可燃材料,但某些可重复使用的航天器需要金属热防护。 航天飞机的鼻盖和翼前缘使用了加固碳碳,但下一代翼翼车辆,如梦追车,正在评估涂有TBC的超合金板。 这些板必须承受多次重返周期,而不会过度氧化或扭曲。 Inconel 718和Haynes 214等超合金已经在NASA的超音速材料环境测试计划中进行了测试。 关键是维持1200°C的温度下氧化阻力,同时保持质量低。

当前的挑战和研究前沿

尽管取得了令人印象深刻的进展,但仍存在若干障碍。成本是一个长期存在的问题:柠檬、 ⁇ 和钽价格昂贵,一些特制超合金每公斤成本可超过1 000美元。添加剂制造的规模也面临质量控制障碍,特别是在孔隙性和微结构一致性方面。在性能方面,超合金接近其内在的熔融极限;即使是最好的镍基合金在长时间内也不可能超过1,150°C。 这促使人们研究高温替代品,如可逆金属合金(如:钼、 ⁇ 或钨基)和陶瓷基复合材料(CMCs)。 然而,这些替代品带来了自身的挑战,即反式金属氧化灾难性,CMCs是脆的,难以加入。

数据驱动方法正在加速发现新的超合金。在热力学和机械特性大数据库方面训练的机器学习模型可以在进行昂贵的实验之前预测出有希望的成分。美国航天局和工业伙伴正在使用框架模拟超合金组件的整个生命周期,从通过热循环铸造到失败,从而减少开发时间。

未来展望

正在进行的研究旨在将超合金的操作温度再提高50-100°C,同时降低成本,提高制造能力。 新的制造技术,如超合金粉的粘合器喷射和定向能量沉积,正在不断完善,以处理更大的部件和更复杂的几何元。 与此同时,回收废超合金的战略正在变得经济上可行,因为像氦这样的珍贵元素的价值使得回收具有吸引力。 目标是使多个飞行任务能够完全重新使用、成本高效的空间飞行器,而无需大修 — — 如果人类要在低地球轨道及以后建立永久存在,那么超合金创新仍将是这一努力的基石,因为对更高性能的追求将推动冶金和制造的界限。