GH4169高温合金与四氧化二氮推进剂环境的长期相容性试验研究

周 鑫，张宇玮，于 龙，姚草根，李 操

（1. 北京宇航系统工程研究所；2. 北京航天材料及工艺研究所：北京 100076）

0 引言

液体推进剂四氧化二氮（N2O4）是一种常用的氧化剂，目前已广泛应用于国内外运载火箭、卫星、飞船的推进系统中。该材料具有易挥发、腐蚀性强、氧化性强并存在毒性的特点[1]。在贮存和使用过程中，四氧化二氮和贮箱、阀门、密封圈等接触会发生化学反应，有造成材料腐蚀、损坏、失效的风险，在严重的情况下，甚至会引起推进剂泄漏、爆炸等严重灾难事故，影响航天任务成败。因此，研究产品材料在推进剂环境中的相容性，评估其在长期使用条件下的相容性等级，是国内外航天工程行业始终关注的技术问题。

在工程使用中，推进剂和所接触的材料之间相容性须满足要求，即推进剂对金属或非金属材料腐蚀性小，同时材料对推进剂成分、质量无影响。

GH4169是一种以铌和铝、钛金属间化合物强化的镍基高温合金，具有较高的拉伸强度、屈服强度、持久强度以及良好的塑性、耐腐蚀性、耐氧化性[2]。该材料能够适应制造各类形状复杂的零部件，已被广泛应用于火箭发动机、高强度紧固件等航天结构产品中。伴随着航天事业的不断发展，对高性能、高强度结构材料的使用需求日益迫切，本文即基于此开展GH4169与四氧化二氮长期接触条件下的相容性研究。

1 试验材料及方法

依据QJ 1387—1988《金属材料在硝基氧化剂中静态浸泡腐蚀试验方法》[3]开展GH4169高温合金材料在四氧化二氮推进剂环境中的浸泡试验，采用常温下的静态浸泡法，依据标准给出的方法进行试验前后的介质成分、腐蚀速率和产品成分及力学性能分析，给出相容性评估结果。

1.1 试验原材料的选择及初始指标的测定

本研究试验所用GH4169试样为2 mm厚固溶酸洗薄板，由抚顺特殊钢股份有限公司生产。其力学性能和化学成分检测结果分别如表1和表2所示，均满足 GJB 712A—2001[4]要求。

表1 GH4169板材力学性能检测结果Table 1 Mechanical properties of GH4169

表2 GH4169化学成分检测结果Table 2 Chemical composition test results of GH4169

试验用浸泡介质为液体四氧化二氮，其化学成分测试项目及指标要求如表3[5]所示。

测试项目 指标

表3 浸泡用四氧化二氮成分测试Table 3 Compositions of N2O4 before the test

1.2 相容性试验过程

将GH4169材料制成标准试片，在试验前，对浸泡用容器进行清洗、干燥，将试样悬挂于不锈钢容器中，试样与容器壁和试样间不互相接触；然后将定量的N2O4注入容器，密闭法兰盘，确认密封良好后将容器整体置于试验室中，开始试验计时。试样浸泡时间为1 年；试验室温度为15～25 ℃，相对湿度为50%～70%。试验期间通过氦质谱检漏方法检查试验容器的密封性能，如有异常现象发生将采取堵漏、泄出推进剂等安全保护措施。试验结束后，取出试样观察并照相记录其外观、腐蚀程度、表面金属光泽和颜色等。

1.3 试验后的观察和测试项目及方法

1）浸泡介质成分分析

按1.1节表3所要求的项目测试浸泡前后的推进剂成分。

2）试样质量测量

浸泡前后均采用高精密电子天平CP224S称量并记录试样质量。

3）试样表面腐蚀形貌观察

采用Keyence公司的VHX-1000观察试样表面腐蚀形貌。

4）试样腐蚀速率计算

视浸泡试样为匀速腐蚀，则其腐蚀速率的计算式为

式中：K为时间常数；ΔW为试样质量损失；S为试样表面积；T为试验时间；D为GH4169合金密度。

5）试样力学性能测量

按照 GB/T 228.1—2010《金属材料拉伸试验第 1 部分 室温试验》[6]、GB/T 228.2—2015《金属材料拉伸试验 第2部分 高温试验》[7]，采用CMT5105万能试验机测试试样的力学性能。

6）晶相组织分析

参照 GB/T 4334—2008《金属和合金的腐蚀 不锈钢晶间腐蚀试验方法》[8]，将试样剖切后在ZEISS公司的EV060扫描电镜下观察剖切面的金相组织类型，判断合金是否发生晶间腐蚀。

2 试验结果与分析

2.1 浸泡介质成分变化

试验前后对四氧化二氮的纯度和水分进行了测试分析，结果如表4所示。

表4 浸泡前后四氧化二氮介质成分对比Table 4 Compositions of N2O4 before and after being soaked by GH4169 alloy

从表4的数据看，浸泡后四氧化二氮的纯度及水分均有变化，但均符合GJB 2252A—2008《四氧化二氮安全应用准则》[5]规定的技术指标（参见表3）。

2.2 表面腐蚀

把GH4169试样从浸泡四氧化二氮容器中取出时，试样表面有轻微的变色现象，但仍保持金属光泽，见图1。

光学显微镜下观察到：GH4169试样浸泡后仍保持原始出厂酸洗表面形貌，未发现点蚀、剥蚀等腐蚀形貌，为均匀腐蚀，如图2所示。

图1 浸泡后的试样表面形貌Fig. 1 Metallurgical structure of GH4169 alloy after exposed in N2O4

图2 浸泡前后试片表面的光学显微图像Fig. 2 Comparison of the specimen surface of GH4169 alloy before and after exposed in N2O4

2.3 腐蚀速率

由试样质量测量数据并采用公式(1)计算各GH4169合金试样在四氧化二氮液相介质中的腐蚀速率为 7.5×10-5～1.1×10-4mm/a，平均腐蚀速率为9.7×10-5mm/a。根据普通双组元推进剂与材料相容性的分级标准可知，GH4169合金在四氧化二氮介质中的腐蚀速率符合长期且满意使用的一级相容腐蚀速率指标（＜0.025 4 mm/a[9]）。

2.4 力学性能变化

由浸泡前后各GH4169试样的力学性能对比（见表5）可以看出，材料的力学性能未发生明显变化。

表5 浸泡前后 GH4169 力学性能测试结果Table 5 Tensile data of GH4169 alloy before/after being soaked in N2O4

2.5 晶间腐蚀

光学显微镜下观察可见：所有试样均保持原始出厂时的酸洗表面形貌，未发现其他腐蚀形貌。对浸泡后的腐蚀试样剖切后进行扫描电镜观察，结果如图3所示：剖面晶界未发现腐蚀网络，不存在晶间腐蚀现象。

图3 腐蚀试样剖面的扫描电镜观察结果Fig. 3 SEM photo of soaked GH4169 alloy

3 结束语

文章介绍了GH4169高温合金材料与四氧化二氮推进剂环境的相容性试验研究情况。试验结果表明：GH4169合金有着较好的耐腐蚀性，能够在四氧化二氮推进剂介质中长期使用；且浸泡GH4169合金后，四氧化二氮推进剂自身成分基本无变化，两者相容性良好。本研究将为GH4169合金材料在后续各航天型号动力系统中的应用提供依据和参考。