Эрозия вольфрама под действием выхлопной струи ракетного двигателя

15.11.2019

Введение


Эрозия выхлопного сопла может привести к значительным отклонениям направления и величины тяги. Для сокращения до минимума таких ошибок наведения весьма важно иметь полные сведения об эрозии материалов ракетных сопел под действием струи выхлопных газов. Настоящая работа посвящена изучению эрозии вольфрама в условиях, которые имитируют струю выхлопных газов ракетного двигателя, работающего на алюминизированном топливе. Были проведены исследования как динамической, так и статической эрозии.

Материалы, методика и эксперименты


В исследованиях по статической эрозии полосу вольфрама с размерами 51х9,5х0,25 мм нагревали электрическим током в камере повышенного давления в атмосфере, содержащей различные компоненты выхлопной струи. Температуру измеряли оптическим пирометром, отградуированным по реперным точкам различных материалов, на нагретой вольфрамовой полосе. Для определения степени эрозии замеряли изменение веса и износ поверхности. Исследования проводились при 2050—3200° С. Все реагенты изучались при давлениях до 300 мм рт. ст. Кроме того, исследования азота и окиси углерода проводили при давлениях до 70 кг/см2. Во всех экспериментах использовали чистую полосу вольфрама, изготовленную из порошка путем прессования с последующим спеканием.

Установка для изучения динамической эрозии изображена на фиг. 22.1. Для имитации высокотемпературной высокоскоростной струи выхлопных газов ракетного двигателя была использована плазменнодуговая пушка. Компоненты выхлопной струи (которые изучались как отдельно, так и совокупно) вводили в струю плазмы аргона. Затем плазмой воздействовали на вольфрамовый пруток диаметром 2,3 мм, расположенный вертикально в реакционной викоровой камере с инертной атмосферой. Изучались различные виды вольфрама, в том числе крупно- и мелкозернистый спеченный и прокованный вольфрам, вольфрам с 2% двуокиси тория, а также вольфрам, пропитанный серебром. Смотровые окна установки выходили на каждую из сторон вольфрамового образца. Температуру на поверхности, находящейся в контакте с плазмой, измеряли через одно из смотровых окон пирометром с самописцем. Другое смотровое окно с линзами и призмами представляло собой оптическую систему для проекции изображения образца. Киносъемка изображения образца позволяла определить глубину эрозии поверхности образца. Твердые продукты реакции собирали в кварцевой кассете, установленной в реакционной камере. Пробы газообразных продуктов отбирали в вакуумированные сосуды, показанные на фиг. 22.1.

Скорость струи плазмы составляла 0,5 М. Исследуемый интервал температур простирался от 2200 до 3000° С. Давление в камере повышенного давления ограничивалось возможностями установки и несколько превышало 1 ат. На фиг. 22.2 показан характер эрозии вольфрамового образца в различные моменты времени в процессе испытаний в среде двуокиси углерода. Максимальный износ прутка в направлении, перпендикулярном его оси, выбран за параметр эрозии. Установлено, что этот параметр изменялся пропорционально времени до момента, пока глубина эрозии не достигла приблизительно половины диаметра стержня (большинство опытов было прекращено в этот момент или до его наступления). Эта пропорциональность и, следовательно, сравнительно постоянная скорость эрозии позволили сопоставить эрозионные эффекты при воздействии различных компонентов на различные виды вольфрама. Результаты испытаний приведены в табл. 22.1. Эрозионный эффект при воздействии каждого компонента на вольфрам обсуждается отдельно.


Обсуждение результатов


Водород. При статических исследованиях не наблюдалось заметного взаимодействия между вольфрамом и водородом с добавкой окиси алюминия или без нее при давлении водорода до 380 мм рт. ст. Исследования проводили в интервале 2000—3000° С.

Азот. Статические исследования показали, что между вольфрамом и азотом при давлении до 70 кг/см2 и температурах от 2000 до 3000° С никакого взаимодействия не наблюдается.

Окись алюминия. В условиях статических экспериментов под давлением гелия 0,5 кг/см2 и выше и температурах 2050—2975° С на полосе вольфрама образовывался плавленый шарик окиси алюминия. Небольшое количество вольфрама, перенесенное окисью алюминия, образовывало вольфрамовый ободок на поверхности шарика. Перенос вольфрама свидетельствует о незначительной эрозии последнего.

Динамические исследования дали аналогичные результаты. Степень эрозии была относительно слабой, хотя некоторое количество вольфрама переносилось расплавленной окисью алюминия. Анализ газообразных и твердых реагентов и продуктов реакции не выявил признаков реакций другого тина.

Хлористый водород. Статические исследования свидетельствуют о том, что при отсутствии окиси алюминия вольфрам не реагирует с хлористым водородом при температурах 2000—2975° С и давлении до 0,5 кг/см2.

Хлористый водород вместе с окисью алюминия. Были проведены статические испытания, в процессе которых гранулы окиси алюминия расплавляли на полосе вольфрама в атмосфере хлористого водорода. Исследуемый диапазон давлений хлористого водорода составлял от 0,07 до 0,5 кг/см2. Испытания охватили интервал 2200—2550° С. Во всех испытаниях была замечена умеренная или весьма значительная эрозия. Эрозия возрастала как с повышением температуры, так и с повышением давления. Интервал наблюдаемых скоростей эрозии составлял от 0,0001 до 0,0003 мм/сек. Сравнение данных о скорости эрозии со скоростями эрозии, наблюдаемыми при экспериментах с двуокисью углерода, показало, что при равных температурах и давлениях скорости эрозии в среде CO2 приблизительно в 2,5 раза больше.

Динамические исследования эрозии проводили при скорости подачи хлористого водорода в плазму 14 мг/сек, причем окись алюминия подавали с достаточной скоростью, чтобы покрыть поверхность образца. Средняя температура поверхности образца составляла приблизительно 2200° С. Средняя скорость эрозии поверхности равнялась 0,0011 мм/сек. (Эти скорости эрозии значительно превышали скорости, достигнутые при статических исследованиях данной системы.) Соответствующая скорость эрозии в двуокиси углерода в эквивалентных условиях эксперимента была в 5,5 раза больше. Предполагаемый механизм реакции таков:

но прямых доказательств, подтверждающих правильность такого предположения, не получено.

Водяной пар. Статические исследования с водяным паром по необходимости ограничивались его низкими парциальными давлениями. Была проведена серия опытов при исходном давлении водяного пара 4,5 мм рт. ст. Как оказалось, скорость эрозии не зависела от присутствия двуокиси алюминия. Скорость эрозии возрастала почти пропорционально температуре от 0,00017 мм/сек при 2150° С до 0,00037 мм/сек при 2900° С. Скорость эрозии поверхности возрастала с повышением давления водяного пара.

Добавка гелия для повышения общего давления в камере (при парциальном давлении водяного пара 4,5 мм рт. ст.) значительно уменьшала скорость эрозии (от 0,00025 мм/сек при нулевом давлении гелия до 0,00005 мм/сек при его давлении 0,035 кг/см2). Однако при дальнейшем повышении давления гелия скорость эрозии оставалась приблизительно постоянной. Такое уменьшение скорости взаимодействия, возможно, обусловлено влиянием инертного компонента на скорость диффузии реагентов и продуктов реакции через поверхность вольфрама в обоих направлениях (внутрь и наружу). Природа реакции менялась с изменением общего давления системы, даже если парциальное давление водяного пара оставалось постоянным. При 2975° С и давлении водяного пара 4,58 мм рт. ст. и нулевом давлении гелия предположительно протекала следующая обратимая реакция:

Водород, образующийся на поверхности нагретого образца, проявляет склонность к диссоциации с образованием атомарного водорода. При давлении водорода 1 мм рт. ст., например, степень диссоциации водорода при 3000° К (2727°С) составляет 94%. Образующаяся трехокись вольфрама WO3 диффундирует в охлаждаемую камеру, где восстанавливается атомарным водородом с осаждением металлического вольфрама. При этих условиях рентгеновский дифракционный анализ продуктов реакции показывает наличие только металлического вольфрама без окислов. Это так называемый «водяной цикл», часто встречающийся в вакуумных лампах. Однако при повышении общего давления в системе путем добавки гелия (давление водяного пара оставалось постоянным и равным 4,5 мм рт. ст.) наряду с металлическим вольфрамом начинает образовываться как продукт реакции трехокись WO3 (или W3O9). Это может быть обусловлено влиянием повышенного давления на диссоциацию двухатомного водорода.

Из-за вынужденно низких уровней давления водяного пара трудно отыскать много точек совпадения экспериментальных условий данного опыта с условиями экспериментов по эрозии с двуокисью углерода. Однако для нескольких сопоставимых точек скорость уноса при опытах с водяным паром была, по-видимому, в 5 раз больше, чем при опытах с двуокисью углерода.

Двуокись углерода. Статические исследования взаимодействия двуокиси углерода с вольфрамом в статических условиях проводились в интервале 2200—2950° С и при давлении двуокиси углерода до 0,5 кг/см2. Как оказалось, скорость эрозии поверхности зависит от давления гораздо сильнее, чем от температуры, и не зависит от присутствия окиси алюминия. Как уже отмечалось, в данном случае скорости эрозии были в 2,5 раза больше, чем в соляной кислоте с Al2O3, но составляли лишь 20% скоростей эрозии в водяном паре.

Было проведено много экспериментов в динамических условиях с использованием двуокиси углерода и различных видов вольфрама. Установлено, что скорость износа поверхности зависит в исследованном интервале (2800— 3000° С) от температуры. Однако в еще большей степени она зависит от количества двуокиси углерода, поданной в плазму (фиг. 22.3). Эти наблюдения свидетельствуют о том, что скорость реакции как для статической, так и для динамической систем, по-видимому, определяется переносом двуокиси углерода и ее диссоциацией, а также ионизацией продуктов диссоциации у реакционной поверхности.

Эксперименты в динамических условиях фиг. 22.3 свидетельствуют еще и о том, что тип вольфрама не оказывает большого влияния на скорость эрозии, хотя в этом случае скорости уноса имеют несколько меньшую величину для сплава W + 2Th при высоких значениях расхода двуокиси углерода. Это уменьшение вызвано, возможно, образованием содержащих торий или его двуокись продуктов на поверхности, тормозящих перенос двуокиси углерода и продуктов ее диссоциации, а также их ионизацию на вольфраме. He исключено также, что это связано с предотвращением летучести газообразных окислов вольфрама. Вольфрам, пропитанный серебром, имеет аналогичные скорости эрозии при воздействии CO2 (хотя это на фиг. 22.3 не показано).

Анализ твердых и газообразных продуктов реакции, образующихся в условиях динамических испытаний, свидетельствует о следующем механизме эрозии:

Окись углерода. Как в динамических, так и в статических условиях испытаний в среде окиси углерода низкого давления наблюдалась незначительная эрозия вольфрама.

Однако в статических условиях при высоких давлениях окиси углерода протекали реакции, которые могли бы иметь большое значение для ракетной техники. Часто рекомендуется, чтобы отношение содержания окиси углерода к содержанию двуокиси углерода в выхлопной струе ракетного двигателя было как можно более высоким для уменьшения эрозии вольфрама по реакции. Ho если это отношение слишком высоко, то может образовываться один из карбидов вольфрама, что нежелательно, так как температуры плавления карбидов вольфрама гораздо ниже, чем металла. Точно такое же взаимодействие наблюдалось при статических исследованиях реакций вольфрама с окисью углерода при высоких давлениях.

Результаты разных экспериментов приведены в табл. 22.2. Методом рентгеновского дифракционного анализа было установлено, что зона реакции образцов в эксперименте № 247 состоит из вольфрама и больших количеств карбидов а — W2C. Карбид WC не был обнаружен.

Из табл. 22.2 видно, что при повышении давления окиси углерода в каждом последующем эксперименте при 2500° С (эксперименты № 244—247) количество образующегося карбида W2C (привес) возрастает. Такой тенденции не наблюдается, если температуру повышать, а давление окиси углерода поддерживать на уровне около 21 кг/см2 (эксперименты № 246, 248 и 249). Поэтому был сделан вывод, что в данных интервалах температуры и давления скорость образования карбида W2C зависит от давления сильнее, чем от температуры.

Проплавление образца наблюдалось в экспериментах при 3150 и 3200° С. Это приписывается либо расплавлению карбида W2C (плавится при температуре несколько выше 2800° С), либо образованию еще более легкоплавкой жидкой фазы с составом между вольфрамом и карбидом W2C. В любом случае это преждевременное расплавление иллюстрирует возможные опасности при воздействии окиси углерода на вольфрам при высоких температурах и давлениях.

Термодинамические расчеты показывают, что из двух нижеприведенных реакций образования карбида W2C при температуре 2500° С скорее всего протекает вторая реакция

Интересно отметить [предполагается, что протекает реакция (5)], что в реакции (5) происходит превращение CO—>CO2, а в окислительной реакции (3) — превращение CO2—>СО, что можно предотвратить увеличением отношения содержания окиси углерода к двуокиси углерода. Таким образом, если в замкнутой системе, состоящей только из вольфрама, окиси углерода и двуокиси углерода, повысить до определенного уровня отношение давления окиси углерода к давлению двуокиси углерода (или другое эквивалентное отношение), то это приведет к образованию карбида W2C. Если же это отношение уменьшить до какой-то другой величины, то образуется трехокись WO3. Для реакции (5) это отношение можно рассчитать, предположив, что условием образования карбида W2C должна быть хотя бы равновесность парциальных давлений. В предположении, что активность газообразных компонентов эквивалентна их давлению и что активности вольфрама и карбида W2C равны единице, было рассчитано следующее оптимальное соотношение парциальных давлений для 2500° С:

Эта оценочная функция отношения давлений изображена в логарифмических координатах на фиг. 22.4. Полученные прямые линии разграничивают области давлений CO и CO2, в которых карбид W2C является стабильным и нестабильным. Здесь построена также кривая равновесных парциальных давлений газообразной трехокиси WO3 по реакции (3) для того, чтобы оценить область протекания этой реакции в тех же самых интервалах давлений. Хотя все сведения, приведенные на фиг. 24.4, даны для условий равновесия и рассчитаны на основе приблизительных термодинамических данных, а среда струи выхлопных газов ракетного двигателя не обязательно находится в состоянии равновесия, полученные результаты иллюстрируют следующее положение: поскольку при увеличении отношения давления окиси углерода к давлению двуокиси углерода количество образующейся газообразной трехокиси WO3 (и, следовательно, потери вольфрама) резко уменьшается, то при достаточно большом значении данного отношения это может привести к образованию карбида W2C. Кроме того, равновесные значения на фиг. 22.4 дают некоторое количественное представление об интервалах давлений, в которых оба соединения образуются одновременно.

На фиг. 22.4 представлены также данные об отношении давлений окиси углерода к двуокиси углерода в камере и критическом сечении сопла для рассекреченного топлива NP как пример условий в реальном выхлопном сопле ракетного двигателя.

Выводы


Для исследованных условий выявлены следующие эффекты:

1) незначительную эрозию вольфрама вызывают лишь отдельные компоненты выхлопной струи ракетного двигателя, как H2, N2, Al2O3, HCl;

2) значительная эрозия наблюдается в атмосфере H2O, CO2 и HCl Al2O3;

3) при больших значениях отношения давлений окиси углерода к двуокиси углерода образуется легкоплавкий карбид W2C по реакции 2W + 200 —> СO22 + W2C;

4) вид используемого вольфрама (вольфрам разных сортов испытывали только в экспериментах с двуокисью углерода) незначительно влияет на скорость эрозии.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2019
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна