一种基于梯度材料的一体化复合喷管

摘要

本发明公开了一种基于梯度材料的一体化复合喷管，该喷管的材料成分从喷管的外壁向内壁呈梯度变化，且喷管包括沿该喷管外壁向内壁依次分布并相连的支撑层、隔热层和耐烧蚀层。将耐烧蚀层的陶瓷基复合材料、隔热层的低导热的隔热材料以及支撑层的金属基复合材料的功能有机地集合，消除各层材料间的拼装的弱界面，增强各层材料之间的相互耦合作用，使得喷管的设计重量将最大限度地得到发挥，从而实现轻量化，同时，各层之间拼接的宏观界面的消除也大幅提高了喷管结构的可靠性。

权利要求

1.一种基于梯度材料的一体化复合喷管，其特征在于，该喷管(1)的材料成分从所述喷管(1)的外壁向内壁呈梯度变化，且所述喷管(1)包括沿该喷管(1)外壁向内壁依次分布并相连的支撑层(10)、隔热层(11)和耐烧蚀层(12)；

其中，所述支撑层(10)采用金属基复合材料、所述隔热层(11)采用低导热的隔热材料、所述耐烧蚀层(12)采用陶瓷基复合材料；

所述支撑层(10)和隔热层(11)所采用的材料部分相同，所述支撑层(10)与所述隔热层(11)界面处的材料的组分和含量均相同；

所述隔热层(11)和耐烧蚀层(12)所采用的材料部分相同，所述隔热层(11)与所述耐烧蚀层(12)界面处的材料的组分和含量均相同。

2.如权利要求1所述的一体化复合喷管，其特征在于，所述支撑层(10)和隔热层(11)界面处所采用的材料中均包括氧化锆和硼化钛。

3.如权利要求1所述的一体化复合喷管，其特征在于，所述隔热层(11)和耐烧蚀层(12)界面处所采用的材料中均包括氧化锆和硼化钛。

4.如权利要求1所述的一体化复合喷管，其特征在于，该喷管(1)还包括过渡层(13)，所述过渡层(13)的两侧分别与所述隔热层(11)和所述耐烧蚀层(12)相连。

5.如权利要求4所述的一体化复合喷管，其特征在于，所述过渡层(13)与所述隔热层(11)所采用的材料部分相同，所述过渡层(13)与所述隔热层(11)界面处的材料的组分和含量均相同。

6.如权利要求4所述的一体化复合喷管，其特征在于，所述过渡层(13)与所述耐烧蚀层(12)所采用的材料部分相同，所述过渡层(13)与所述耐烧蚀层(12)界面处的材料的组分和含量均相同。

7.如权利要求6所述的一体化复合喷管，其特征在于，所述过渡层(13)与所述耐烧蚀层(12)界面处所采用的材料中均包括氧化锆、碳化锆和钼。

8.如权利要求1所述的一体化复合喷管，其特征在于，所述耐烧蚀层(12)的材料的含量从所述喷管(1)的入口向所述喷管(1)的出口呈梯度变化。

说明书

一种基于梯度材料的一体化复合喷管

技术领域

[0001] 本发明涉及固体火箭发动机制造技术领域，具体涉及一种基于梯度材料的一体化复合喷管。

背景技术

[0002] 追求高质量比、高比冲、高可靠性是航天动力技术发展的必然趋势。喷管作为固体火箭发动机的关键部件，喉衬的烧蚀率是影响发动机比冲的关键因素，烧蚀率越低则发动机比冲越高；喷管的全部重量都是惰性质量，在满足使用要求的情况下，喷管越轻则发动机质量比越高。传统喷管按照功能组成分为烧蚀绝热结构和支承结构两部分，烧蚀绝热结构的主要任务是构成喷管的内型面，在发动机工作期间，承受高温燃气对喷管壁面的加热及侵蚀作用，确保发动机工作过程热防护的安全可靠；支承结构是支承喷管的烧蚀绝热结构，并承受发动机工作过程中的各种强度载荷，不同的功能结构采用不同的原材料及工艺，依靠粘接及组装形成喷管整体结构，制造流程复杂，且不同功能结构之间的装配界面不可避免的存在界面缝隙，界面缝隙是造成发动机工作失败的关键因素，给喷管结构的可靠性带来较大隐患。

发明内容

[0003] 针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于梯度材料的一体化复合喷管，消除了不同功能结构之间的装配界面，大幅提高喷管结构的可靠性。

[0004] 为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

[0005] 一种基于梯度材料的一体化复合喷管，该喷管的材料成分从所述喷管的外壁向内壁呈梯度变化，且所述喷管包括沿该喷管外壁向内壁依次分布并相连的支撑层、隔热层和耐烧蚀层。

[0006] 在上述技术方案的基础上，所述支撑层和隔热层所采用的材料部分相同，所述支撑层与所述隔热层界面处的材料的组分和含量均相同。

[0007] 在上述技术方案的基础上，所述支撑层和隔热层界面处所采用的材料中均包括氧化锆和硼化钛。

[0008] 在上述技术方案的基础上，所述隔热层和耐烧蚀层所采用的材料部分相同，所述隔热层与所述耐烧蚀层界面处的材料的组分和含量均相同。

[0009] 在上述技术方案的基础上，所述隔热层和耐烧蚀层界面处所采用的材料中均包括氧化锆和硼化钛。

[0010] 在上述技术方案的基础上，该喷管还包括过渡层，所述过渡层的两侧分别与所述隔热层和所述耐烧蚀层相连。

[0011] 在上述技术方案的基础上，所述过渡层与所述隔热层所采用的材料部分相同，所述过渡层与所述隔热层界面处的材料的组分和含量均相同。

[0012] 在上述技术方案的基础上，所述过渡层与所述耐烧蚀层所采用的材料部分相同，所述过渡层与所述耐烧蚀层界面处的材料的组分和含量均相同。

[0013] 在上述技术方案的基础上，所述过渡层与所述耐烧蚀层界面处所采用的材料中均包括氧化锆、碳化锆和钼。

[0014] 在上述技术方案的基础上，所述耐烧蚀层的材料的含量从所述喷管的入口向所述喷管的出口呈梯度变化。

[0015] 与现有技术相比，本发明的优点在于：

[0016] 本发明的基于梯度材料的一体化复合喷管采用梯度功能材料，从喷管的外壁向内壁呈梯度变化，将耐烧蚀层的陶瓷基复合材料、隔热层的低导热的隔热材料以及支撑层的金属基复合材料的功能有机地集合，消除各层材料间的拼装的弱界面，增强各层材料之间的相互耦合作用，使得喷管的设计重量将最大限度地得到发挥，从而实现轻量化，同时，各层之间拼接的宏观界面的消除也大幅提高了喷管结构的可靠性。

附图说明

[0017] 图1为本发明实施例中一种基于梯度材料的一体化复合喷管的结构示意图；

[0018] 图2为图1中A处的局部放大图。

[0019] 图中：1-喷管，10-支撑层，11-隔热层，12-耐烧蚀层，13-过渡层。

具体实施方式

[0020] 以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

[0021] 实施例1：

[0022] 参见图1和图2所示，本发明实施例1提供一种基于梯度材料的一体化复合喷管，该喷管1的材料成分从喷管1的外壁向内壁呈梯度变化，且喷管1包括沿该喷管1外壁向内壁依次分布并相连的支撑层10、隔热层11和耐烧蚀层12。本发明实施例1中的支撑层10为承载层，支撑层10是喷管1的主要受力部件，并且通过支撑层10与发动机燃烧室的连接，因此支撑层10采用金属基复合材料实现承载的作用；隔热层11采用低导热的隔热材料，起到热防护的作用；耐烧蚀层12采用陶瓷基复合材料，使喷管1在高温两相流燃气的烧蚀和冲刷下表面氧化形成具有高温稳定性的致密氧化膜的特性，阻止氧化反应的进一步进行，同时陶瓷材料的高硬度也能有效地抵御燃气中固相颗粒对耐烧蚀层12的内壁的冲刷损伤，从而降低喷管1的烧蚀率实现近零烧蚀。

[0023] 本发明实施例1中的喷管1采用梯度功能材料，从喷管1的外壁向内壁呈梯度变化，将耐烧蚀层12的陶瓷基复合材料、隔热层11的低导热的隔热材料以及支撑层10的金属基复合材料的功能有机地集合，消除各层材料间的拼装的弱界面，增强各层材料之间的相互耦合作用，使得喷管1的设计重量将最大限度地得到发挥，从而实现轻量化，同时，各层之间拼接的宏观界面的消除也大幅提高了喷管1结构的可靠性。

[0024] 可选的，支撑层10和隔热层11所采用的材料的种类部分相同，选取支撑层10与隔热层11相同种类的材料作为支撑层10和隔热层11界面处的材料，且制作的时候使支撑层10与隔热层11界面处的材料的组分相同，组分的含量也相同。

[0025] 具体的，支撑层10采用钛、氧化锆和硼化钛中的至少一种，隔热层11采用氧化铝、氧化锆和硼化钛中的至少一种，或者采用纤维增强树脂基复合材料。本发明实施例1选取氧化锆和硼化钛为支撑层10和隔热层11界面处的材料，从支撑层10的外壁向支撑层10与隔热层11的界面处，支撑层10的材料组分从钛金属材料过渡到氧化锆/硼化钛复合材料；隔热层11的材料采用氧化锆/硼化钛复合材料，从隔热层11与支撑层10相连的界面处向隔热层11与耐烧蚀层12相连的界面处，隔热层11的材料的含量呈梯度变化。

[0026] 可选的，隔热层11和耐烧蚀层12所采用的材料的种类部分相同，选取隔热层11和耐烧蚀层12相同种类的材料作为隔热层11和耐烧蚀层12界面处的材料，且制作的时候使隔热层11和耐烧蚀层12界面处的材料的组分相同，组分的含量也相同。

[0027] 优选的，隔热层11采用氧化铝、氧化锆和硼化钛中的至少一种，或者采用纤维增强树脂基复合材料，耐烧蚀层12采用碳化锆、氧化锆、碳化钽、碳化铪和硼化钛中的至少两种。

[0028] 本发明实施例1选取氧化锆和硼化钛为隔热层11和耐烧蚀层12界面处的材料，隔热层11的材料采用氧化锆/硼化钛复合材料，从隔热层11与支撑层10相连的界面处向隔热层11与耐烧蚀层12相连的界面处，隔热层11的材料的含量呈梯度变化；从耐烧蚀层12与隔热层11的界面处向耐烧蚀层12的内壁，耐烧蚀层12的材料组分从氧化锆/硼化钛复合材料过渡到碳化锆/氧化锆/钼复合材料。

[0029] 本发明实施例1中喷管1的具体的材料组分为：

[0030] 从支撑层10的外壁向支撑层10与隔热层11的界面处，支撑层10的材料组分钛金属材料过渡到氧化锆/硼化钛复合材料；隔热层11的材料采用氧化锆/硼化钛复合材料，从隔热层11与支撑层10的界面处向隔热层11与耐烧蚀层12的界面处，隔热层11采用的氧化锆/硼化钛复合材料的含量呈梯度变化，且由20％的氧化锆和80％硼化钛的组分梯度变化至80％的氧化锆和20％硼化钛；从耐烧蚀层12与隔热层11的界面处向耐烧蚀层12的内壁，耐烧蚀层12的材料组分从80％的氧化锆和20％硼化钛复合材料过渡到80％碳化锆、10％氧化锆和10％钼复合材料。而且由于喷管的内型面的温度从入口至出口温度由大变小，因此耐烧蚀层12的材料的含量从喷管1的入口向喷管1的出口呈梯度变化，耐烧蚀层12从入口处的
80％的碳化锆、20％的氧化锆和0％的钼过渡至出口处的20％的碳化锆、20％的氧化锆和
60％的钼。

[0031] 本发明实施例1中支撑层10、隔热层11和耐烧蚀层12均采用梯度材料并通过材料组分的渐变来将承载材料、隔热材料和陶瓷材料的功能有机地集成在一起，实现各层的功能过渡，消除传统喷管不同功能结构之间的装配界面，材料间的相互耦合作用增强，材料的有效组分的综合性能得到充分利用，有效减轻喷管重量20％～30％，大幅提高喷管结构的可靠性，从而达到喷管低烧蚀、轻质化、高可靠的目的。

[0032] 且本发明实施例1中是以致密的高温陶瓷复合材料作为喷管的内型面，不同于已往提出的陶瓷涂层方式和现有传统喷管喉衬材料方案。高致密陶瓷是现有的耐高温烧蚀、冲刷的最佳选择，而涂层或气相沉积材料由于大量的气孔和弱界面的存在，导致陶瓷的本征抗烧蚀、冲刷特性难以发挥，而本发明实施例1中的喷管的耐烧蚀层12采用陶瓷基梯度功能材料，消除气孔和界面的影响，实现喷管喉部的近零烧蚀，提高发动机比冲。

[0033] 实施例2：

[0034] 参见图1和图2所示，本发明实施例2提供一种基于梯度材料的一体化复合喷管，该喷管1的材料成分从喷管1的外壁向内壁呈梯度变化，且喷管1包括沿该喷管1外壁向内壁依次分布并相连的支撑层10、隔热层11、过渡层13和耐烧蚀层12。本发明实施例2中的支撑层10为承载层，支撑层10是喷管1的主要受力部件，并且通过支撑层10与发动机燃烧室的连接，因此支撑层10采用金属基复合材料实现承载的作用；隔热层11采用低导热的隔热材料，起到热防护的作用；过渡层13采用强韧性金属材料或者纤维增强材料，实现隔热层11和耐烧蚀层12之间的过渡，当过渡层13采用强韧性金属材料时，设计厚度1～2mm；采用过渡层13纤维增强材料时，设计厚度5～10mm；耐烧蚀层12采用陶瓷基复合材料，耐烧蚀层12设计厚度为2～4mm，使喷管1在高温两相流燃气的烧蚀和冲刷下表面氧化形成具有高温稳定性的致密氧化膜的特性，阻止氧化反应的进一步进行，同时陶瓷材料的高硬度也能有效地抵御燃气中固相颗粒对耐烧蚀层12的内壁的冲刷损伤，从而降低喷管1的烧蚀率实现近零烧蚀。

[0035] 本发明实施例2中的喷管1采用梯度功能材料，从喷管1的外壁向内壁呈梯度变化，将耐烧蚀层12的陶瓷基复合材料、过渡层13的强韧性材料、隔热层11的低导热的隔热材料以及支撑层10的金属基复合材料的功能有机地集合，消除各层材料间的拼装的弱界面，增强各层材料之间的相互耦合作用，使得喷管1的设计重量将最大限度地得到发挥，从而实现轻量化，同时，各层之间拼接的宏观界面的消除也大幅提高了喷管1结构的可靠性。

[0036] 可选的，支撑层10和隔热层11所采用的材料的种类部分相同，选取支撑层10与隔热层11相同种类的材料作为支撑层10和隔热层11界面处的材料，且制作的时候使支撑层10与隔热层11界面处的材料的组分相同，组分的含量也相同。

[0037] 具体的，支撑层10采用钛、氧化锆和硼化钛中的至少一种，隔热层11采用氧化铝、氧化锆和硼化钛中的至少一种，或者采用纤维增强树脂基复合材料。本发明实施例1选取氧化锆和硼化钛为支撑层10和隔热层11界面处的材料，从支撑层10的外壁向支撑层10与隔热层11的界面处，支撑层10的材料组分从钛金属材料过渡到氧化锆/硼化钛复合材料；隔热层11的材料采用氧化锆/硼化钛复合材料，从隔热层11与支撑层10相连的界面处向隔热层11与耐烧蚀层12相连的界面处，隔热层11的材料的含量呈梯度变化。

[0038] 可选的，过渡层13与隔热层11所采用的材料的种类部分相同，选取过渡层13与隔热层11相同种类的材料作为过渡层13与隔热层11界面处的材料，且制作时使过渡层13与隔热层11界面处的材料的组分相同，组分的含量也相同。

[0039] 优选的，隔热层11采用氧化铝、氧化锆和硼化钛中的至少一种，或者采用纤维增强树脂基复合材料，过渡层13采用碳化锆、氧化锆、硼化钛、钼中的至少两种。

[0040] 本发明实施例2选取氧化锆和硼化钛为隔热层11和过渡层13界面处的材料，隔热层11的材料采用氧化锆/硼化钛复合材料，从隔热层11与支撑层10相连的界面处向隔热层11与过渡层13相连的界面处，隔热层11的材料的含量呈梯度变化；从过渡层13与隔热层11的界面处向过渡层13与耐烧蚀层12的界面处，过渡层13的材料组分从氧化锆/硼化钛复合材料过渡到碳化锆/氧化锆/钼复合材料。

[0041] 可选的，过渡层13与耐烧蚀层12所采用的材料的种类部分相同，选取过渡层13与耐烧蚀层12相同种类的材料作为过渡层13与耐烧蚀层12界面处的材料，且制作时使过渡层13与耐烧蚀层12界面处的材料的组分相同，组分的含量也相同。

[0042] 优选的，过渡层13采用碳化锆、氧化锆、硼化钛、钼中的至少两种，耐烧蚀层12采用碳化锆、氧化锆、碳化钽、碳化铪和硼化钛中的至少两种。

[0043] 本发明实施例2选取碳化锆、氧化锆和钼为耐烧蚀层12和过渡层13界面处的材料，从过渡层13与隔热层11的界面处向过渡层13与耐烧蚀层12的界面处，过渡层13的材料组分从氧化锆/硼化钛复合材料过渡到碳化锆/氧化锆/钼复合材料；耐烧蚀层12的材料采用碳化锆/氧化锆/钼复合材料，从耐烧蚀层12与过渡层13的界面处向耐烧蚀层12与的内壁，耐烧蚀层12的材料组分为氧化锆/硼化钛复合材料呈梯度变化。

[0044] 本发明实施例2中喷管1的具体的材料组分为：

[0045] 从支撑层10的外壁向支撑层10与隔热层11的界面处，支撑层10的材料组分钛金属材料过渡到氧化锆/硼化钛复合材料；隔热层11的材料采用氧化锆/硼化钛复合材料，从隔热层11与支撑层10的界面处向隔热层11与过渡层13的界面处，隔热层11采用的氧化锆/硼化钛复合材料的含量呈梯度变化，且由20％的氧化锆和80％硼化钛的组分梯度变化至80％的氧化锆和20％硼化钛；从过渡层13与隔热层11的界面处向过渡层13与耐烧蚀层12的界面处，过渡层13的材料组分从80％的氧化锆和20％硼化钛复合材料过渡到20％碳化锆、20％氧化锆和60％钼复合材料；从耐烧蚀层12与过渡层13的界面处向耐烧蚀层12的内壁，耐烧蚀层12的材料组分从20％碳化锆、20％氧化锆和60％钼复合材料过渡到80％碳化锆、10％氧化锆和10％钼复合材料。而且由于喷管的内型面的温度从入口至出口温度由大变小，因此耐烧蚀层12的材料的含量从喷管1的入口向喷管1的出口呈梯度变化，耐烧蚀层12从入口处的80％的碳化锆、20％的氧化锆和0％的钼过渡至出口处的20％的碳化锆、20％的氧化锆和60％的钼。

[0046] 本发明实施例2中支撑层10、隔热层11、过渡层13和耐烧蚀层12均采用梯度材料并通过材料组分的渐变来将承载材料、隔热材料、强韧性材料和陶瓷材料的功能有机地集成在一起，实现各层的功能过渡，消除传统喷管不同功能结构之间的装配界面，材料间的相互耦合作用增强，材料的有效组分的综合性能得到充分利用，有效减轻喷管重量20％～30％，大幅提高喷管结构的可靠性，从而达到喷管低烧蚀、轻质化、高可靠的目的。

[0047] 且本发明实施例2中是以致密的高温陶瓷复合材料作为喷管的内型面，不同于已往提出的陶瓷涂层方式和现有传统喷管喉衬材料方案。高致密陶瓷是现有的耐高温烧蚀、冲刷的最佳选择，而涂层或气相沉积材料由于大量的气孔和弱界面的存在，导致陶瓷的本征抗烧蚀、冲刷特性难以发挥，而本发明实施例1中的喷管的耐烧蚀层12采用陶瓷基梯度功能材料，消除气孔和界面的影响，实现喷管喉部的近零烧蚀，提高发动机比冲。

[0048] 本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。