Fracture morphology and microstructure analysis of Mo–La nozzles for solid rocket motor
-
摘要: 通过固体火箭发动机地面热试车实验获得烧蚀后的钼镧喷管试样，对比分析了烧蚀前后试样的金相组织，在常温和1000 ℃条件下进行了钼镧材料的力学性能实验。结果表明：对于工作时间2.1 s的固体火箭发动机中搭载使用的钼镧喷管，内型面形状完整，尺寸无明显变化，抗烧蚀性能表现良好；烧蚀前后金相组织对比显示晶粒发生再结晶，特别是喷口及喷管中部工作温度高的位置，形貌变化明显，由细长的纤维状变为等轴晶趋势。镧的氧化物粒子对钼起到了韧化作用，合金试样1000 ℃高温和常温下断口出现颈缩和韧窝，高温下韧窝深浅差异更大，抗拉强度和伸长率有所下降。Abstract: The ablated Mo–La nozzle samples were obtained through the ground thermal test of solid rocket motor. The metallographic structures of the samples before and after ablation was compared and analyzed. The mechanical properties of Mo–La materials were tested at room temperature and 1000 ℃. The results show that the Mo–La nozzles used in solid rocket motor with working time of 2.1 s have the complete inner profile shape, no significant change in size, and good ablation resistance. The metallographic structure before and after ablation reminds the grain recrystallization, especially at the high working temperature position in the middle of nozzle and nozzle, and the morphology changes obviously from the slender fiber to the equiaxed grain. The molybdenum is toughened by the lanthanum oxide particles, the necking and dimple appear on the fracture surface of alloy samples at 1000 ℃ and room temperature, the dimple depth is greater at high temperature, and the tensile strength and elongation decrease.
-
钼是高熔点、高强度金属，具有优良的导电导热性能，是重要的高温合金基体材料。在钼粉中添加适量的稀土元素，如钛、锆、镧等，可以显著提高合金化钼合金的高温性能。近年来的研究表明，在钼中加入少量氧化镧形成钼镧合金，可提高材料的强度，改善材料塑性，具有较高的再结晶温度和高温强度，使材料具有良好的高温力学和工艺性能，可作为高温结构件、舟皿等，被广泛应用于航空航天、电子和能源工业领域。
固体火箭发动机工作时，喷管不仅要承受超高过载冲击，而且还要承受高能推进剂产生的高温、高压和高速燃气所携带的固体颗粒的冲刷烧蚀，因此要求喷管喉衬材料具备良好的耐高温烧蚀性能和耐冲刷烧蚀性能。目前对钨渗铜、C/C作喷管材料的研究比较多[1–4]，钼镧合金用作喷管材料的研究很少。本文以某型号固体火箭短时发动机用钼镧合金喷管作为研究对象，通过小型固体火箭发动机地面试验平台，结合钼镧合金喷管表面形貌，对比分析了试样不同位置的金相组织和力学性能测试结果，为后续喷管选择钼镧合金应用提供一定的参考和依据。
1. 实验材料及方法
1.1 制备方法
钼镧合金粉末作为原料，粉末扫描电镜（scanning electron microscope，SEM）形貌如图1所示。采用粉末冶金工艺制备钼镧合金棒料，经过粉末合批处理→冷等静压→高温烧结→锻造处理→机械加工→棒料成品的工艺流程，对棒材的主要化学成分检测结果如表1所示。
表 1 钼镧合金的化学成分（质量分数）Table 1. Chemical composition of the Mo–La alloys% La2O3 Fe Ni Si Ca Mg Al Mo 0.6200 0.0025 0.0015 ≤0.0020 ≤0.0020 ≤0.0020 ≤0.0020 余量 棒料经超声波探伤检验，内部无孔洞、裂纹等明显缺陷。加工完成的喷管成品扩张段的结构示意图见图2，其中绝热层选用高硅氧/酚醛复合材料，喉衬背壁为C/C复合材料，使用高温胶粘接固定，整体结构件作为固体火箭发动机被动热防护喷管进行地面发动机热试车实验。
![]()
图 2 钼镧喷管扩张段结构示意图（单位：mm）Figure 2. Schematic diagram of the Mo–La nozzles as the expansion section (unit: mm)1.2 实验方法
钼镧合金喷管扩张段搭载固体火箭发动机进行地面试车实验，采用丁羟复合固体推进剂，在5300 N的平均推力下，理论燃烧室最大压强达10 MPa，燃气温度为3400 K，工作时长2.1 s，发动机药柱设计为内孔及端面燃烧方式。
对试车后的试样进行外观形貌分析和微观组织分析。通过金相法在GX51型光学显微镜下观察烧蚀前后微观组织变化。利用拉伸试验对比常温和1000 ℃下试样的力学性能，分析温度对材料使用的影响。采用FEI vanano450扫描电子显微镜进行材料组织形貌观测及断口分析，对试样进行室温和1000 ℃高温环境下的力学性能测试，进一步获得钼材料的抗烧蚀性能分析。
2. 结果与分析
2.1 宏观形貌分析
经过发动机地面实验后的钼镧喷管扩张段外形如图3所示，材料表面无明显裂纹等破坏现象。经测量，实验后钼镧喷管扩张段各项尺寸均无明显变化，内型面形状比较完整，无烧蚀异常，说明在该发动机工况下，试样抗烧蚀性能良好，满足使用需求。
![]()
图 3 试车后钼镧喷管宏观形貌Figure 3. Macro morphology of the molybdenum lanthanum nozzle after commissioning2.2 金相形貌分析
发动机地面实验前钼镧合金喷管扩张段原始金相组织如图4所示，可以看出钼镧合金经锻造变形后，烧结状态的等轴晶粒逐渐沿其材料变形方向伸长，呈纤维状分布，晶粒互相并存，晶粒间的结合面积增大，从而增强了晶间结合力，同时减少和消除了材料中的孔隙。单位体积内的晶粒数量越多，变形分布的晶粒就越多，晶粒之间的结合力增强，晶粒内部和晶界附近的变形较均匀，应变程度相差较小，所引起的应力集中程度减弱，对裂纹的敏感性大幅度降低，表现出较好的室温韧性[5–9]。
钼镧合金喷管扩张段试验烧蚀后金相照片如图5所示，图中分别显示了喷管喷口、中部、尾部三个部位的金相组织。由图5可以看出，喷管尾部仍呈变形态纤维状组织，喷管口和中部发生了再结晶，晶粒呈现等轴晶趋势，形貌明显区别于烧蚀前原始形貌。
![]()
图 4 试验前钼镧合金原始金相组织Figure 4. Original metallographic microstructure of the Mo–La alloys before test![]()
图 5 烧蚀后喷管不同部位金相组织：（a）、（b）喷口；（c）、（d）喷管中部；（e）、（f）喷管尾部Figure 5. Metallographic microstructures of the nozzles in different parts after ablation: (a), (b) nozzle; (c), (d) the middle of nozzle; (e), (f) the tail of nozzle烧蚀过程温度不断升高，尾部气流温度相较于喷口和中部的位置，存在一定温差，升温幅度不同，金相组织有明显差异。受温度影响，晶粒长度方向变短，宽度方向变长，长宽比减小，其形状沿加工方向有变为椭圆的趋势。掺杂的镧元素和基体粉末在高温下扩散速率差异较大，容易造成不均匀扩散，从而形成孔隙；另一方面，基体内存在的气体元素也以孔隙形式存在于坯料内[6–12]。
2.3 力学性能分析
从样品中取样并各加工两根拉伸试样，如图6所示。采用万能电子试验机对试样进行室温和1000 ℃高温环境下的抗拉强度测试，结果见表2。
表 2 力学性能参数表Table 2. Mechanical properties试样编号 密度 / (g·cm−3) 硬度，HV10 室温抗拉强度 / MPa 室温伸长率 / % 1000 ℃抗拉强度 / MPa 1000 ℃伸长率 / % ML 10.18 228 675 49 210 17 图7为钼镧合金室温拉伸断口形貌，可以看出断口呈塑性断裂，有颈缩和韧窝出现。1000 ℃的高温断口形貌见图8，图中可以看出，与常温断口形貌相比，高温拉伸断口呈颈缩状，表面起伏较大，是典型的等轴韧窝断裂，韧窝深浅差异较大。
钼镧合金室温下的力学性能表现良好，可能是镧的氧化物粒子周围的微孔松弛机制以及对晶界净化机制的共同作用，达到了对钼的韧化效果。镧的氧化物粒子分布均匀，颗粒细化，使晶界得到净化，提高了晶界强度。位错网的存在使位错分布和塑性变形更均匀，从而缩短了位错滑移面的有效长度，减轻了晶界附近位错塞积，降低了晶界和滑移带附近的位错密度，延缓了裂纹形核的过程，提高了抗拉强度[13–16]。1000 ℃条件下力学性能有所下降，因为当温度升高、晶粒尺寸变大，位错运动的距离也随之变大，位错塞积加强，内部容易产生应力集中，使抗拉强度有所下降。同时位错滑移对变形的控制减弱，滑移面的长度增加，钼镧合金的变形以晶界滑移为主，伸长率降低，塑性有所下降[12–18]。
3. 结论
（1）在时长2.1 s，平均推力5300 N，最大压强为10 MPa的固体火箭发动机试验中，钼镧喷管各部分外形尺寸及宏观形貌保持较好，表现出良好的抗烧蚀性能，充分证明钼镧材料可以满足短时固体火箭发动机的使用要求。
（2）试验前后钼镧喷管金相组织发生变化，特别是喷管口和中部区域变化更明显，晶粒发生再结晶变化，由原来细长的变形态纤维状组织转变为等轴晶趋势。
（3）室温和1000 ℃高温下的断口均有颈缩和韧窝现象，室温下表现出更好的力学性能，高温断口下起伏不平，韧窝深浅差异更大。
-
![]()
图 2 钼镧喷管扩张段结构示意图（单位：mm）
Figure 2. Schematic diagram of the Mo–La nozzles as the expansion section (unit: mm)
![]()
图 3 试车后钼镧喷管宏观形貌
Figure 3. Macro morphology of the molybdenum lanthanum nozzle after commissioning
![]()
图 4 试验前钼镧合金原始金相组织
Figure 4. Original metallographic microstructure of the Mo–La alloys before test
![]()
图 5 烧蚀后喷管不同部位金相组织：（a）、（b）喷口；（c）、（d）喷管中部；（e）、（f）喷管尾部
Figure 5. Metallographic microstructures of the nozzles in different parts after ablation: (a), (b) nozzle; (c), (d) the middle of nozzle; (e), (f) the tail of nozzle
表 1 钼镧合金的化学成分（质量分数）
Table 1 Chemical composition of the Mo–La alloys
% La2O3 Fe Ni Si Ca Mg Al Mo 0.6200 0.0025 0.0015 ≤0.0020 ≤0.0020 ≤0.0020 ≤0.0020 余量 
下载: 导出CSV
表 2 力学性能参数表
Table 2 Mechanical properties
试样编号 密度 / (g·cm−3) 硬度，HV10 室温抗拉强度 / MPa 室温伸长率 / % 1000 ℃抗拉强度 / MPa 1000 ℃伸长率 / % ML 10.18 228 675 49 210 17
下载: 导出CSV
-
[1] 林冰涛, 余小波, 张保红, 等. 固体火箭发动机用W8Cu钨渗铜喉衬抗烧蚀性研究. 兵器装备工程学报, 2020, 41(12): 214 DOI: 10.11809/bqzbgcxb2020.12.040 Lin B T, Yu X B, Zhang B H, et al. Study on ablation resistance of W8Cu tungsten infiltrated copper nozzle throat liner for SRM. J Ordn Equip Eng, 2020, 41(12): 214 DOI: 10.11809/bqzbgcxb2020.12.040
[2] 朱阳, 孙建涛, 闫联生, 等. 固液火箭发动机钨渗铜喉衬的烧蚀形貌及性能研究. 功能材料, 2019, 50(6): 6206 Zhu Y, Sun J T, Yan L S, et al. Morphology and anti-ablation properties of the W–Cu alloy throat in the hybrid rocket motor test. J Funct Mater, 2019, 50(6): 6206
[3] 弓艳飞, 曲斌瑞, 梁艳明, 等. 粉末粒度对发动机钼护板力学性能的影响. 粉末冶金工业, 2021, 31(1): 78 Gong Y F, Qu B R, Liang Y M, et al. Study on effect of powder particle size on mechanical properties of molybdenum shield. Powder Metall Ind, 2021, 31(1): 78
[4] 刘澜涛, 陈冠宇, 易黎明, 等. 固体火箭发动机炭/炭复合材料喉衬烧蚀行为研究. 炭素技术, 2021, 40(3): 31 Liu L T, Chen G Y, Yi L M, et al. Study on the ablation mechanism of C/C composite throat for solid rocket motor. Carbon Technol, 2021, 40(3): 31
[5] 王攀, 杨涤心, 魏世忠, 等. 液–液掺杂钼镧合金中的稀土相研究. 稀有金属材料与工程, 2010, 39(12): 2185 Wang P, Yang D X, Wei S Z, et al. Study on RE phase of Mo–La alloy prepared by a liquid-liquid doping method. Rare Met Mater Eng, 2010, 39(12): 2185
[6] 刘仁智, 安耿, 杨秦莉, 等. 钼–铼–镧合金微观组织及力学性能研究. 粉末冶金技术, 2018, 36(6): 429 Liu R Z, An G, Yang Q L, et al. Microstructures and mechanical properties of Mo–Re–La alloy. Powder Metall Technol, 2018, 36(6): 429
[7] 韩强. 钼镧合金板材料舟的研制及其断裂行为分析. 稀有金属材料与工程, 2012, 41(9): 1564 DOI: 10.3969/j.issn.1002-185X.2012.09.013 Han Q. Preparation of La-doped molybdenum boat and analysis on fracture behavior. Rare Met Mater Eng, 2012, 41(9): 1564 DOI: 10.3969/j.issn.1002-185X.2012.09.013
[8] 张威. 纯钼及钼镧合金轧制工艺及组织性能研究[学位论文]. 沈阳: 东北大学, 2014 Zhang W. Rolling Process Microstructure and Property of Pure Molybdenum and Molybdenum Lanthanum Alloy [Dissertation]. Shenyang: Northeastern University, 2014
[9] 曲家惠, 魏岩峻, 卢凤生, 等. 双钴1-a推进剂作用下钼喉衬烧蚀性能研究. 稀有金属, 2014, 38(4): 622 Qu J H, Wei Y J, Lu F S, et al. Erosion performance of molybdenum nozzle insert with double base propellant of cobalt 1-a. Chin J Rare Met, 2014, 38(4): 622
[10] 居炎鹏, 王爱琴. 钼合金研究现状. 粉末冶金工业, 2015, 4(25): 58 Ju Y P, Wang A Q. Current research status of Mo alloys. Powder Metall Ind, 2015, 4(25): 58
[11] 王林, 孙军, 孙院军, 等. 掺杂方式对Mo–La2O3合金组织和力学性能的影响. 稀有金属材料与工程, 2007, 36(10): 1827 Wang L, Sun J, Sun Y J, et al. Effects of doping methods on microstructure and mechanical properties of Mo–La2O3, Rare Met Mater Eng, 2007, 36(10): 1827
[12] 李世磊, 胡平, 段毅, 等. 掺杂方式对钼合金组织与力学性能影响的研究进展. 材料导报, 2020, 34(9): 9132 DOI: 10.11896/cldb.18120082 Li S L, Hu P, Duan Y, et al. Research status of the effect of doping methods on microstructure and mechanical properties of molybdenum alloy. Mater Rep, 2020, 34(9): 9132 DOI: 10.11896/cldb.18120082
[13] 林小辉, 张国君, 张纳纳, 等. Mo–Si合金室温及高温拉伸力学性能研究. 稀有金属材料与工程, 2012, 41(6): 1021 DOI: 10.3969/j.issn.1002-185X.2012.06.016 Lin X H, Zhang G J, Zhang N N, et al. Tensile properties of Mo–Si alloys at room and elevated temperature. Rare Met Mater Eng, 2012, 41(6): 1021 DOI: 10.3969/j.issn.1002-185X.2012.06.016
[14] 董帝, 王承阳, 康聚磊, 等. 变形加工工艺对钼棒力学性能和显微组织的影响. 粉末冶金工业, 2019, 29(2): 50 Dong D, Wang C Y, Kang J L, et al. Effects of deformation modes on the mechanical properties and microstructure of molybdenum rods. Powder Metall Ind, 2019, 29(2): 50
[15] 武洲, 王娜, 吴吉娜, 等. 钼钨合金烧结致密化行为. 粉末冶金技术, 2021, 39(3): 234 Wu Z, Wang N, Wu J N, et al. Sintering densification behavior of molybdenum tungsten alloys. Powder Metall Technol, 2021, 39(3): 234
[16] Feng P F, Fu J B, Zhao H, et al. Effects of doping technologies on mechanical properties and microstructures of RExOy doped molybdenum alloys. Met Powder Rep, 2016, 71(6): 437 DOI: 10.1016/j.mprp.2016.07.001
[17] 孙露, 张继峰, 邱天旭, 等. 锻造温度对含钼粉末热锻合金显微组织及力学性能的影响. 粉末冶金技术, 2020, 38(3): 174 Sun L, Zhang J F, Qiu T X, et al. Effect of forging temperature on microstructure and mechanical properties of powder hot-forged alloy contained molybdenum. Powder Metall Technol, 2020, 38(3): 174
[18] 姚惠龙, 熊宁, 王玲, 等. 循环热处理对 93W–5Ni–2Fe高比重钨合金冲击韧性的影响. 粉末冶金技术, 2021, 39(3): 269 Yao H L, Xiong N, Wang L, et al. Effect of cyclic heat treatment on impact toughness of 93W–5Ni–2Fe tungsten heavy alloy. Powder Metall Technol, 2021, 39(3): 269
-
期刊类型引用(2)
1. 汪有韬，周叶平，兰清生，刘中华，李婷婷. 曳引驱动乘客电梯非金属对重反绳轮轮轴断裂断口形貌分析. 中国特种设备安全. 2024(03): 65-71 . 
百度学术
2. 唐亮亮，林冰涛，弓艳飞，王承阳，张保红，熊宁. 钼镧合金的研究现状和应用前景. 中国钼业. 2023(06): 10-15 . 百度学术
其他类型引用(0)
计量
- 文章访问数: 506
- HTML全文浏览量: 157
- PDF下载量: 48
- 被引次数: 2
