16Mn钢板的烧蚀研究

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1、16Mn钢板的烧蚀研究（贡献者：天津卓纳钢铁销售冇限公司022・5861152013821238986）摘要：针对目前计算机不能对固体火箭发动机尾焰产牛的烧蚀效果进行仿真的现状，对扩压器常用材料16Mn钢板进行烧蚀试验。结合试验悄况，对沟槽及不连续凹坑的产生机理及AI2O3粒子的影响进行分析，并得出16Mn钢板在此试验条件下的烧蚀率。关键词：16Mn钢板；固体火箭发动机；烧蚀；AI2O3颗粒扩压器是固体火箭发动机髙模试验中不可缺少的设备。扩压器的作用，-•是使在英屮流动的超声速气流产生压力恢复（即增压），扩压器出口截面上气流静压恢复到当地大气

2、压力后排放到大气中；二是利用发动机的燃气流抽吸试验舱内的空气，起到引射作用，从ifU达到保持喷管满流和维持试验舱内稳定的低气压环境的目的。发动机产生的高温、高压燃气全部从扩压器中通过，这就要求扩压器具冇可靠的抗热性能和结构强度性能，确保发动机工作期间扩压器不被烧穿、不失稳、不渗漏。设计规范规定，扩压器内壁应选用焊接性能好、热导率高、具有一定抗冲刷能力的钢材。经验表明，16Mn完全能够满足耍求。目前，计算机仿真技术发展很快，虽然已能模拟相变过程，但对于两相流的冲刷烧蚀还无能为力；因此,必须对这种材料进行烧蚀试验，掌握其一定的烧蚀规律。1实验方案

3、设计1.1试样制备用热轧钢板制备16Mn试片，规格为70mmx70mmx20mm（长乂宽x髙），试验血打磨光滑，制成ffi1试片与试验架的相对关系图示7.5。倾角。试片与试验架相对关系如图lo1.2试验条件小型标准试验发动机，工作时间4s,试验区温度曲线见图2。1.3试验方法制作专用试验架，将试片同定在专用试验架，保证试样与发动机满足如图3所示的儿何关系。2实验结果及分析2.1试样広观农面烧蚀后，试样表而覆盖着一展乳门色A12O3沉积物，呈鱼鳞状分布，尖端统一指向发动机喷管，最厚处约为3mmo轻轻敲击试片，绝大部分沉积物变成针状物脱落，试片农

4、血局部粘附一层AI203o试样金属表面颜色大部分变成蓝色，表明金属受到髙温影响，微观结构已发生变化。如图4所示。a敲击前b敲击后图4试样烧谊后宏观隶面图7凹坑的横載面2.2电镜及能谱分析图5为试样烧蚀后的两幅300倍表而形貌图。可以看出，试样表面凹凸不平，左侧形貌图上有清晰的冲刷沟槽的痕迹，沟屮有大量H色附着物；右侧形貌图上显示的是坑状烧蚀，图6为该试片表面的能谱图,EDS分析表明这些附着物为A1,它们來自于燃气所携带的固体粒子。这说明在试验过程中，高速固体粒子冲刷试样的内表面，引起烧蚀。显然，机械剥蚀是试样的主要烧蚀机理之一。现微小的勺状烧

5、蚀坑，相邻的两坑有进一步联结在一起的趋势。根据电镜图片上的比例尺，测得凹坑深度约为65pm,烧蚀率为16pm/s<>2.3结果分析2.3.1对沟槽及不连续凹坑产生机理的分析一方面，在AI2O3粒子的高速撞击下，材料的局部人数性变形产生的热來不及输出去，使变形加剧，导致材料温度迅速提髙，从而降低了材料的极限强度。同时，随着撞击的加剧，材料应变率迅速増大，屈服应力相应提高，使得材料的丿出:服应力趋近丁•极限强度，使材料的塑性压缩小，导致材料的脆化。因此,在高速撞击下，材料常常表现为脆体性质，出现“掉渣”现象。另一方面，由于“掉渣’'现象，表而存在

6、一些小坑，它们会产生热增量，亦即粗糙壁的热流密度要為于光滑壁的热流密度，粗糙壁热增量产生的机理是分离旋涡效应、激波效应和加热而积效应。在发生烧蚀的悄况下，绕过物体的高速、高温气流将产生非常高的剪应力和压力，这些机械力的冲刷作用导致表而液层的流失和微粒的剥蚀，使迎风而一侧加深、变长，出现如图5右侧形貌图及图7所示的勺状坑。随着时间的推移，相邻的小坑连成一体，就形成沟槽。2.3.2对A12O3粒子影响的分析从烧蚀表面可以看iTbA12O3粒子的影响体现在两方面：一方面加剧材料的烧蚀，尤其在烧蚀的初期，材料直接Tin对高温、高速A12O3粒子的冲击

7、，熔化烧蚀、机械剥蚀都很剧烈。另一方面，部分AI2O3粒子沉积在材料表而，形成一层保护膜，使A12O3粒子携带的能量不宜接作用在材料表面，从而起到延缓烧蚀的作用。3讨论与展望通过两相流对试样的烧蚀，观察到了试样农而的烧蚀效果，分析了沟槽及不连续凹坑的成因及ai2o3粒了的影响，求出了烧蚀率,为扩压器的设计提供了依据。但本试验还不够充分，没能研究多种因素影响下的反应特别是高温燃气対金属机械性能的影响以及rh此引起的变形规律。今后，述应补充以下方面的区域一分为二，因此焊缝周由和凸起与正常塔体的交界区域应该是应力集屮区域，可能导致塔休材料进入屈服阶

8、段发生塑性变形，所以在加固装置的有效作用下，受伤区域所受应力不明显大于正常塔体部分，这只能说明塔体受伤部位相对稳定，并不能说明塔体变形区域是女全的。(3)塔体的应变