Vuurvaste metalen en legeringen voor ruimtevaart

Vuurvaste metalen verwijzen naar metalen met smeltpunten boven 2000°C. Ze bevatten wolfraam , molybdeen , tantaal , niobium, renium en vanadium. De gemeenschappelijke kenmerken van vuurvaste metalen en hun legeringen zijn een hoog smeltpunt, een hoge sterkte bij hoge temperatuur en een goede corrosieweerstand tegen vloeibare metalen. Hun gebruikstemperatuurbereik is 1100 ~ 320 , wat veel hoger is dan dat van de superlegeringen. daarom zijn het belangrijke structurele materialen voor hoge temperaturen voor de ruimtevaart. Laten we in dit artikel dus dieper ingaan op de vuurvaste metalen en legeringen voor de ruimtevaart .

Vuurvaste metalen en legeringen voor ruimtevaart

Vuurvaste metalen en legeringen voor ruimtevaart – 1. Tantalum en  Tantalium  Legeringen

Tantalum legering heeft de kenmerken van hoge sterkte bij hoge temperaturen, goede thermische schokbestendigheid en hoge kruipsterkte, kleine uitzettingscoëfficiënt en goede thermische schokbestendigheid. De legering is echter niet bestand tegen oxidatie boven 500℃ en moet worden beschermd door een oxidatiebestendige coating op het oppervlak.

Om te voldoen aan de vereisten voor sterkte bij hoge temperaturen en kruipprestaties bij hoge temperaturen, hebben de Verenigde Staten Ta-10W, Ta-12W, T-111, T-222 ontwikkeld. , en ASTAR811C legeringen. Naast de bovengenoemde legeringen ontwikkelde de voormalige Sovjet-Unie ook Ta-3Nb-7.5V-, Ta-15W-, Ta-20W- en Ta-10Hf-5W-legeringen. Ta-10W-legering is gebruikt in de verbrandingskamer van het Ajina-ruimtevaartuig en de neuskegel van de raket, de gasspoiler van het raketmotormondstuk en de verbrandingskamer van Apollo.

Vuurvaste metalen en legeringen voor de ruimtevaart – 2. Niobium- en niobiumlegeringen

Niobiumlegering is het materiaal met de laagste dichtheid onder vuurvaste metalen en legeringen. Het heeft een hoge sterkte bij 1100-1650℃ en goede lasprestaties. Het heeft een goede plasticiteit bij kamertemperatuur en kan worden gemaakt in dunne platen en onderdelen met complexe vormen. Daarom kan het worden gebruikt als het favoriete thermische beschermingsmateriaal en structureel materiaal in supersonische vliegtuigen, ruimtevoertuigen, satellieten, raketten en supersonische raketten op lage hoogte.

Voor ruimtevaarttoepassingen hebben de Verenigde Staten en de voormalige Sovjet-Unie hun eigen systemen van niobiumlegeringen ontwikkeld. De niobiumlegeringen van de Verenigde Staten gebruiken W, Mo en Hf als de belangrijkste versterkende elementen, en Rusland gebruikt W, Mo en Zr als de belangrijkste aanvullende elementen.

Vuurvaste metalen en legeringen voor de ruimtevaart – 3. Molybdeen en molybdeenlegeringen

Hoewel de smeltpunttemperatuur van molybdeen lager is dan die van wolfraam en tantaal, heeft het een lage dichtheid, hoge elasticiteitsmodulus, lage uitzettingscoëfficiënt en superieure kruipeigenschappen bij hoge temperaturen . De legering kan worden gelast en de sterkte en plasticiteit van de las voldoen aan de vereisten. En de procesprestaties zijn beter dan die van wolfraam. De nadelen zijn ernstige brosheid bij lage temperatuur en oxidatie bij hoge temperatuur.

Er zijn veel soorten molybdeenlegeringen ontwikkeld in Rusland. Naast de belangrijkste toevoegingen van Ti-, Zr-, C- en Re-elementen, wordt ook een kleine hoeveelheid Ni, B, Nb, enz. toegevoegd om de materialen te modificeren. De legeringsklassen worden geclassificeerd op basis van het gehalte aan legeringselementen. Er zijn 14 soorten legeringen. In vergelijking met Rusland zijn er minder molybdeenlegeringen ontwikkeld in de Verenigde Staten, waaronder 6 legeringen zoals de TZM-, Mo-30W-, TZC-, HCM- en Mo-41~50Re-series.

Vuurvaste metalen en legeringen voor de ruimtevaart – 4. wolfraam en wolfraamlegeringen

Tungsten is het meest hittebestendige metaal. Wolfraam heeft een hoge dichtheid (19,3 gcm3). Zijn sterkte is het hoogst onder vuurvaste metalen. Het heeft een hoge elasticiteitsmodulus, een kleine uitzettingscoëfficiënt en een lage dampdruk. De nadelen zijn broosheid bij lage temperatuur en oxidatie bij hoge temperatuur. Legeringselementen kunnen de slijtage- en corrosieweerstand van wolfraamlegeringen aanzienlijk verbeteren. In de lucht- en ruimtevaartindustrie kunnen wolfraam en zijn legeringen worden gebruikt om raketstraalpijpen te maken zonder koeling, ionenringen van ionenraketmotoren, straalbladen en positioneringsringen, heetgasreflectoren en gasroeren.

Het gebruik van wolfraam in plaats van molybdeen als inlaatbus en keelvoering van een solide raketmotor kan de temperatuur van het materiaal verhogen van 1760℃ tot meer dan 3320℃. Het mondstuk van de Amerikaanse Polaris A-3-raket is bijvoorbeeld gemaakt van wolfraambuizen voor hoge temperaturen met een zilverpenetratie van 10% tot 15%; de raketmondstukken van het Apollo-ruimtevaartuig zijn ook gemaakt van wolfraam. United Aircraft Corporation uit de Verenigde Staten heeft een tungsten-copper . ontwikkeld composietmateriaal dat wordt gebruikt als het mondstuk van een raketmotor, die bestand is tegen een verbrandingstemperatuur die het smeltpunt van wolfraam met 3400 overschrijdt.

Vuurvaste metalen en legeringen voor de ruimtevaart – 5. Rhenium en reniumlegeringen

Rhenium heeft een smeltpunt van 3180°C en heeft geen brosse kritische overgangstemperatuur. Het heeft een goede kruipweerstand bij hoge temperaturen en extreme koude en extreme hitte en is geschikt voor werkomgevingen met ultrahoge temperaturen en sterke thermische schokken. Rhenium is chemisch inert voor de meeste brandstofgassen behalve zuurstof. De treksterkte van rhenium bij kamertemperatuur is 1172 MPa en heeft nog steeds een sterkte van 48 MPa bij 2200 . Bij 2200℃ kunnen motorsproeiers gemaakt van renium 100.000 thermische vermoeidheidscycli weerstaan.

Rhenium en zijn legeringen worden voornamelijk gebruikt in lucht- en ruimtevaartcomponenten, verschillende warmtegevoelige componenten voor vaste voortstuwing en anti-oxidatiecoatings. De rheniumfolie voorbereid in China is met succes gebruikt om satellieten te herstellen. Re-Mo-legering heeft nog steeds een hoge mechanische sterkte tot 2000℃ en kan worden gebruikt als onderdelen voor hoge temperaturen van supersonische vliegtuigen en raketten. Metaalrhenium is bestand tegen corrosie door hete waterstof en heeft een lage waterstofpermeabiliteit. Het kan worden gebruikt om warmtewisselaaronderdelen voor zonneraketten te maken. Via dit warmtewisselaargedeelte wordt de warmte-energie van zonnestraling overgedragen op waterstofgas, waarna het waterstofgas in de rheniumbuis wordt gezogen , die stuwkracht genereert. De maximale werktemperatuur van de rheniumbuis kan 2500 bereiken.

Conclusie 

Bedankt voor het lezen van ons artikel en we hopen dat het je kan helpen om een ​​beter begrip te krijgen van de vuurvaste metalen en legeringen voor de ruimtevaart . Als u meer wilt weten over vuurvaste metalen en legeringen, adviseren wij u om Advanced Refractory Metals te bezoeken. (ARM ) voor meer informatie.

Het hoofdkantoor is gevestigd in Lake Forest, Californië, VS, Advanced Refractory Metals (ARM)  is een toonaangevende fabrikant en leverancier van vuurvaste metalen en legeringen over de hele wereld. Het biedt klanten hoogwaardige vuurvaste metalen en legeringen zoals  molybdeen, tantaal, rhenium , wolfraam, titanium,  en  zirkonium tegen een zeer concurrerende prijs.