等离子喷涂成形钨喉衬的烧蚀性能
徐玄，王跃明，熊翔等
中国有色金属学报
摘要：采用等离子喷涂成形结合热等静压技术制备内径8mm、长30mm、壁厚16．5mm的钨喉衬，测试喉衬在小型固体火箭发动机地面试车条件下的抗热震烧蚀性能。结果表明：等离子喷涂成形钨喉衬为典型的柱状晶层片结构，致密度仅为85．6％；经二步热等静眶处理后，喉衬样件仍为层片结构，层片间微观缝隙及大部分孔隙消失，致密度提高至96．7％；地面试车实验后，钨喉衬整体结构完好，米出现炸裂和破碎现象，具有良好的抗冲刷和耐烧蚀性能，其线烧蚀率仅为4µm／s。经SEM和XRD等检测发现，喉部以机械剥蚀为主，以熔化烧蚀及热化学烧蚀为辅，其烧蚀程度最为严重；收敛段为机械剥蚀和热化学烧蚀，其烧蚀程度次之；而扩散段则发生热化学烧蚀，其烧蚀程度最低。
关键词：等离子喷涂；等离子喷涂成形；钨喉衬；热等静压；烧蚀
嘲体火箭发动机的性能南接决定导弹的射程，喷管喉衬是发动机中烧蚀和冲刷最严重的部位，需在无冷却条件承受高温(>3000℃)、高速(>1000m／s)固体粒子和气流的冲刷及剧烈温升(>2000℃／s)的恶劣环境。固体火箭发动机工作时，喉衬的烧蚀和冲刷使得发动机喷管的扩张比降低，将直接影响发动机的推力和效率，甚至失去工作能力。因此，喉衬材料不仅要求具有优良的室温强度，且要能在高温高压卜．保持物理和化学稳定性。金属钨(w)因其熔点高达3 410℃、室温强度高达800MPa，2000℃高温环境导热性能达(105土10)W／(m·K)，而1500℃时热膨胀系数仅为7．4×10-6K-1，成为目前普遍使用的一。种喉衬材料。
就目前的技术水平而言，钨的成形与制各是国际上公认的难题，传统的方法包括化学气相沉积(CVD)、白蔓延高温合成(SHS)、粉末冶金(PM)等。然而，cvD和SHS方法的生产周期长、成形效率低。此外，钨加工脆性大、熔点高，对粉末冶金烧结设备要求高，生产成本昂贵，不宜大规模生产|。因此，材料科学的发展迫切需要新的成形与加工手段。等离子喷涂技术因其喷射温度高达10000℃，喷射速度达300～400IIl／s，集高温熔化、快速凝固和近净成形等优势于一体，已在钨及钨基难熔金属的成形方面得到应用。REA等采用真空等离子喷涂成形w．Hf℃纳米复合材料管件。HOVIS等采用机械混合法制备W-Ni-Fe复合粉末，采用等离子喷涂制备了壁厚为0．3～6．0mm的薄壁构件。
MUTASIM和SMITH采用等离子体球化技术制备90W一8Ni．2Fe复合粉末，采用真空等离子喷涂技术(Ⅵ，S)制备高致密度、细颗粒、组织较均匀的高密度合金材料。吴子健等采用等离子喷涂成形制备了大尺寸钨管发热体，成功应用于高温(≥2300℃)中频感应烧结炉上。此外，WANG等和闵小兵等也在等离子喷涂成形制备难熔金属薄壁或复杂形状构件领域开展了一定的研究工作。
然而，国内外学者的研究工作仍停留在等离子喷涂成形钨或钨合金零部件初坯阶段，均未对成形件初坯进行系统的后续致密化、强化处理。迄今为止，还未见有关等离子喷涂成形W喉衬及其烧蚀性能的研究报道。为此，本文作者采用等离子喷涂成形制备了纯W喉衬，采用二步热等静压技术进一步提高了喉衬的致密度，开展了小型固体火箭发动机地面试车实验，并深入分析喉衬材料在试车环境下的烧蚀产物、烧蚀形貌及烧蚀机理。
实验方法略
结论
1）等离子喷涂成形件为典型的定向凝同柱状晶层片组织，致密度约为85．6％。经二步热等静压处理后，喉衬样件仍保持层片结构特征，然而层片问微观缝隙消失，且喉衬内壁形成了钨的碳化物，致密度增大至96．7％。
2)用钨喉衬试样进行了地面试车试验，其线烧蚀率仅为4µm／s，试验证明这种钨喉衬耐烧蚀性能良好。
3)W喉衬各部位烧蚀形貌存在明显差别，收敛段以机械剥蚀为主，热化学烧蚀为辅；喉部则机械剥蚀、熔化烧蚀及热化学烧蚀等3种机理并存，其烧蚀最为严重；而扩散段则发生热化学烧蚀，其烧蚀程度最低。
参考文献略
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