林冰濤 ，何 君 ，劉仲位 ，王承陽 ，李 明 ，孫曉霞 ，周淑秋 ?

1) 安泰科技股份有限公司, 北京 100081 2) 湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所, 襄陽 441003 3) 中國勞動關(guān)系學(xué)院, 北京100048

鉬是高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度金屬，具有優(yōu)良的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，是重要的高溫合金基體材料。在鉬粉中添加適量的稀土元素，如鈦、鋯、鑭等，可以顯著提高合金化鉬合金的高溫性能。近年來的研究表明，在鉬中加入少量氧化鑭形成鉬鑭合金，可提高材料的強(qiáng)度，改善材料塑性，具有較高的再結(jié)晶溫度和高溫強(qiáng)度，使材料具有良好的高溫力學(xué)和工藝性能，可作為高溫結(jié)構(gòu)件、舟皿等，被廣泛應(yīng)用于航空航天、電子和能源工業(yè)領(lǐng)域。

固體火箭發(fā)動機(jī)工作時(shí)，噴管不僅要承受超高過載沖擊，而且還要承受高能推進(jìn)劑產(chǎn)生的高溫、高壓和高速燃?xì)馑鶖y帶的固體顆粒的沖刷燒蝕，因此要求噴管喉襯材料具備良好的耐高溫?zé)g性能和耐沖刷燒蝕性能。目前對鎢滲銅、C/C作噴管材料的研究比較多[1–4]，鉬鑭合金用作噴管材料的研究很少。本文以某型號固體火箭短時(shí)發(fā)動機(jī)用鉬鑭合金噴管作為研究對象，通過小型固體火箭發(fā)動機(jī)地面試驗(yàn)平臺，結(jié)合鉬鑭合金噴管表面形貌，對比分析了試樣不同位置的金相組織和力學(xué)性能測試結(jié)果，為后續(xù)噴管選擇鉬鑭合金應(yīng)用提供一定的參考和依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 制備方法

鉬鑭合金粉末作為原料，粉末掃描電鏡（scanning electron microscope，SEM）形貌如圖1所示。采用粉末冶金工藝制備鉬鑭合金棒料，經(jīng)過粉末合批處理→冷等靜壓→高溫?zé)Y(jié)→鍛造處理→機(jī)械加工→棒料成品的工藝流程，對棒材的主要化學(xué)成分檢測結(jié)果如表1所示。

圖1 鉬鑭合金粉末形貌Fig.1 SEM image of the Mo–La alloy powders

表1 鉬鑭合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical composition of the Mo–La alloys %

棒料經(jīng)超聲波探傷檢驗(yàn)，內(nèi)部無孔洞、裂紋等明顯缺陷。加工完成的噴管成品擴(kuò)張段的結(jié)構(gòu)示意圖見圖2，其中絕熱層選用高硅氧/酚醛復(fù)合材料，喉襯背壁為C/C復(fù)合材料，使用高溫膠粘接固定，整體結(jié)構(gòu)件作為固體火箭發(fā)動機(jī)被動熱防護(hù)噴管進(jìn)行地面發(fā)動機(jī)熱試車實(shí)驗(yàn)。

圖2 鉬鑭噴管擴(kuò)張段結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）Fig.2 Schematic diagram of the Mo–La nozzles as the expansion section (unit: mm)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

鉬鑭合金噴管擴(kuò)張段搭載固體火箭發(fā)動機(jī)進(jìn)行地面試車實(shí)驗(yàn)，采用丁羥復(fù)合固體推進(jìn)劑，在5300 N的平均推力下，理論燃燒室最大壓強(qiáng)達(dá)10 MPa，燃?xì)鉁囟葹?400 K，工作時(shí)長2.1 s，發(fā)動機(jī)藥柱設(shè)計(jì)為內(nèi)孔及端面燃燒方式。

對試車后的試樣進(jìn)行外觀形貌分析和微觀組織分析。通過金相法在GX51型光學(xué)顯微鏡下觀察燒蝕前后微觀組織變化。利用拉伸試驗(yàn)對比常溫和1000 ℃下試樣的力學(xué)性能，分析溫度對材料使用的影響。采用FEI vanano450掃描電子顯微鏡進(jìn)行材料組織形貌觀測及斷口分析，對試樣進(jìn)行室溫和1000 ℃高溫環(huán)境下的力學(xué)性能測試，進(jìn)一步獲得鉬材料的抗燒蝕性能分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 宏觀形貌分析

經(jīng)過發(fā)動機(jī)地面實(shí)驗(yàn)后的鉬鑭噴管擴(kuò)張段外形如圖3所示，材料表面無明顯裂紋等破壞現(xiàn)象。經(jīng)測量，實(shí)驗(yàn)后鉬鑭噴管擴(kuò)張段各項(xiàng)尺寸均無明顯變化，內(nèi)型面形狀比較完整，無燒蝕異常，說明在該發(fā)動機(jī)工況下，試樣抗燒蝕性能良好，滿足使用需求。

圖3 試車后鉬鑭噴管宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of the molybdenum lanthanum nozzle after commissioning

2.2 金相形貌分析

發(fā)動機(jī)地面實(shí)驗(yàn)前鉬鑭合金噴管擴(kuò)張段原始金相組織如圖4所示，可以看出鉬鑭合金經(jīng)鍛造變形后，燒結(jié)狀態(tài)的等軸晶粒逐漸沿其材料變形方向伸長，呈纖維狀分布，晶?；ハ嗖⒋?，晶粒間的結(jié)合面積增大，從而增強(qiáng)了晶間結(jié)合力，同時(shí)減少和消除了材料中的孔隙。單位體積內(nèi)的晶粒數(shù)量越多，變形分布的晶粒就越多，晶粒之間的結(jié)合力增強(qiáng)，晶粒內(nèi)部和晶界附近的變形較均勻，應(yīng)變程度相差較小，所引起的應(yīng)力集中程度減弱，對裂紋的敏感性大幅度降低，表現(xiàn)出較好的室溫韌性[5–9]。

圖4 試驗(yàn)前鉬鑭合金原始金相組織Fig.4 Original metallographic microstructure of the Mo–La alloys before test

鉬鑭合金噴管擴(kuò)張段試驗(yàn)燒蝕后金相照片如圖5所示，圖中分別顯示了噴管噴口、中部、尾部三個(gè)部位的金相組織。由圖5可以看出，噴管尾部仍呈變形態(tài)纖維狀組織，噴管口和中部發(fā)生了再結(jié)晶，晶粒呈現(xiàn)等軸晶趨勢，形貌明顯區(qū)別于燒蝕前原始形貌。

燒蝕過程溫度不斷升高，尾部氣流溫度相較于噴口和中部的位置，存在一定溫差，升溫幅度不同，金相組織有明顯差異。受溫度影響，晶粒長度方向變短，寬度方向變長，長寬比減小，其形狀沿加工方向有變?yōu)闄E圓的趨勢。摻雜的鑭元素和基體粉末在高溫下擴(kuò)散速率差異較大，容易造成不均勻擴(kuò)散，從而形成孔隙；另一方面，基體內(nèi)存在的氣體元素也以孔隙形式存在于坯料內(nèi)[6–12]。

2.3 力學(xué)性能分析

從樣品中取樣并各加工兩根拉伸試樣，如圖6所示。采用萬能電子試驗(yàn)機(jī)對試樣進(jìn)行室溫和1000 ℃高溫環(huán)境下的抗拉強(qiáng)度測試，結(jié)果見表2。

圖6 拉伸試樣圖Fig.6 Diagram of the tensile specimen

圖7為鉬鑭合金室溫拉伸斷口形貌，可以看出斷口呈塑性斷裂，有頸縮和韌窩出現(xiàn)。1000 ℃的高溫?cái)嗫谛蚊惨妶D8，圖中可以看出，與常溫?cái)嗫谛蚊蚕啾?，高溫拉伸斷口呈頸縮狀，表面起伏較大，是典型的等軸韌窩斷裂，韌窩深淺差異較大。

圖7 室溫下拉伸斷口形貌圖Fig.7 Morphology of the tensile fracture at room temperature

鉬鑭合金室溫下的力學(xué)性能表現(xiàn)良好，可能是鑭的氧化物粒子周圍的微孔松弛機(jī)制以及對晶界凈化機(jī)制的共同作用，達(dá)到了對鉬的韌化效果。鑭的氧化物粒子分布均勻，顆粒細(xì)化，使晶界得到凈化，提高了晶界強(qiáng)度。位錯(cuò)網(wǎng)的存在使位錯(cuò)分布和塑性變形更均勻，從而縮短了位錯(cuò)滑移面的有效長度，減輕了晶界附近位錯(cuò)塞積，降低了晶界和滑移帶附近的位錯(cuò)密度，延緩了裂紋形核的過程，提高了抗拉強(qiáng)度[13–16]。1000 ℃條件下力學(xué)性能有所下降，因?yàn)楫?dāng)溫度升高、晶粒尺寸變大，位錯(cuò)運(yùn)動的距離也隨之變大，位錯(cuò)塞積加強(qiáng)，內(nèi)部容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，使抗拉強(qiáng)度有所下降。同時(shí)位錯(cuò)滑移對變形的控制減弱，滑移面的長度增加，鉬鑭合金的變形以晶界滑移為主，伸長率降低，塑性有所下降[12–18]。

3 結(jié)論

（1）在時(shí)長2.1 s，平均推力5300 N，最大壓強(qiáng)為10 MPa的固體火箭發(fā)動機(jī)試驗(yàn)中，鉬鑭噴管各部分外形尺寸及宏觀形貌保持較好，表現(xiàn)出良好的抗燒蝕性能，充分證明鉬鑭材料可以滿足短時(shí)固體火箭發(fā)動機(jī)的使用要求。

（2）試驗(yàn)前后鉬鑭噴管金相組織發(fā)生變化，特別是噴管口和中部區(qū)域變化更明顯，晶粒發(fā)生再結(jié)晶變化，由原來細(xì)長的變形態(tài)纖維狀組織轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶趨勢。

（3）室溫和1000 ℃高溫下的斷口均有頸縮和韌窩現(xiàn)象，室溫下表現(xiàn)出更好的力學(xué)性能，高溫?cái)嗫谙缕鸱黄?，韌窩深淺差異更大。