高温部件烧蚀问题与防护措施

在重复点火和高比冲推进等任务越 越苛刻的使用背景下 发动机由于具有低成本和高比推的优点而得到广泛布放，但其高温 频繁的热流扰动使烧蚀现象变得更加复杂和难于预测。传统依 出其显著局限性，特别是点火导管和其他组织中界 面氧化 致早期失效等。目前迫切需要开展烧蚀机制的多机制多尺度交叉分析 重建烧蚀现象实质认识界限，构建从根因识别至结构防护等一整套技术体系，为发动机耐久性和安全裕度结构性改善提供支持。

一、液氧酒精燃烧环境下高温部件烧蚀机理深度解析

（一）热化学烧蚀主导机制

液氧酒精的燃烧会产生一个活性氧化的环境，高温时物料表面的氧化膜会不断地产生和剥落，从而造成基体的不断被消耗。水蒸气的引入形成羟基自由基增强了氧化动力学并加剧了腐蚀速率，使烧蚀机制从单一氧化向多重反应的耦合过程转变[1]。氧化膜缺乏致密性，很难阻 的渗透和进一步的腐蚀，点火导管这类初燃区域更容易由于热化学载荷的集中作用形成氧化不稳定区域，合金组织微观上不稳定，宏观性能急剧恶化。

（二）两相流动力学冲刷与侵蚀机制

高温高速湍流挟带液滴冲击材料表 诱导瞬态热应力和局部温差跃迁。液滴入侵未受氧化膜包裹的区域导致凹蚀缺陷和表层结构完整性降低。 劳的耦合作用不断重复，材料损耗不断加快，烧蚀路径的演变从以化学反应为主向物理侵蚀强化 转变。结构边界涡流强化了局部冲击，由于几何不均性的存在，导管等部位更容易形成高应力集中区而导致烧蚀进程的非均匀化。

（三）热机械应力诱导的剥落与开裂机制

急剧的热流脉动和冷却交替引起高梯度的热胀冷缩诱发内应力的聚集，引发微裂纹的萌生。在热疲劳过程中，氧化膜和基体发生分层破坏，裂纹沿着弱界面延伸，继而诱发氧化膜的周期性剥离[2]。异质结构的界面和焊缝区成为热应力集中的来源，热-力耦合效应增强了裂解行为，使烧蚀过程由表层退化向结构贯穿破坏演化，严重影响了零件的稳定性和服役寿命。

二、燃烧与热流不稳定性对烧蚀的加剧效应（一）燃烧不稳定性诱导的极端热流脉动效应

燃烧不稳定性引起推力室热通量的急剧波动和点火导管附近激波区受到的热负荷高达平均水平以及热应力集中对氧化腐蚀效应的叠加作用驱 的迅速劣化。火焰回缩和二次着火使得边界层发生高焓聚集，烧蚀区域向结构的不期望位置延伸，造成防护策略的失败。脉动加载过程中氧化膜经常脱落，材料削耗非线性增加，烧蚀路径从静态分布向动态演化过渡，零件的稳定性明显降低。

（二）水蒸汽掺混诱导的热流非均匀性与瞬变效应

水蒸汽的掺混使燃烧产物的热物性发生了变化，气相温度场发生变异，热流表现出斑块化和瞬态特征。掺混扰动产生的高焓热波向前传播，导管壁面遇到间歇性撞击，产生周期性的高温侵蚀区。凝结和薄膜蒸发效应强化了壁面热流密度的垂向不均，已有的冷却结构很难匹配热负荷的分布，烧蚀行为从稳定态跃迁到突发性临界，热损耗规律丧失可预测性。

（三）综合不稳定性下的烧蚀加速与失效模式转变

热流-燃烧不稳定耦合场作用下的烧蚀行为摆脱了线性规律而表现出阈值驱动和非连续跃变的特点。高频热脉动与热流非均匀性的叠加触发了多尺度裂纹的同时扩展，其表面破坏呈现准周期崩解，烧蚀速率急剧增大。材料失效从以热化学为主向以界面破坏，组织重构和热-力-流耦合模式为主转变，局部结构退化明显加重。这类非均匀性和高敏感度失效路径挑战了传统设计裕度，驱动零件由缓慢磨蚀演变为突发断裂，极大地影响了系统循环稳定性。

三、面向液氧酒精发生器的高温部件多维度烧蚀防护策略

（一）先进热防护涂层与表面工程策略

极端燃烧工况下单一高温合金很难长时间经受多机制耦合烧蚀作用，因此需要引入具有多功能热障性能和环境隔绝能力涂层体系，典型的方案有Y2O3-ZrO2陶瓷系热障层和MoSi2基环境障层协同复合，前者靠低热导率延缓热渗透速率而后者则为抗氧化提供了稳定的界面屏障；利用表面细观结构重构可以达到界面应力缓释和微裂纹偏转的目的，从而有效地推迟高温氧化膜的剥离；在涂层体系和基体间需要构筑梯度过渡区来减缓热膨胀失配引起的脱层危险，并采用等离子喷涂，化学气相沉积或者微弧氧化表面工程方法对涂层厚度和晶粒大小分布进行精控，使之在复杂热流和机械扰动的综合影响下仍然保持微观完整性和高温稳定性，增强了点火导管等关键零部件面域的抗烧蚀能力。

（二）高效主动/被动冷却结构优化策略

热负荷密集区需要依靠内外冷却机 而主动冷却的核心是再生通道，利用壁面通道中燃料的流动吸热和相变 同时，被动冷却依靠热容较大和导热较快的物质在关键区域 类为复杂几何结构，采用喷射冲击冷却和微孔发汗冷却相结合 区域，显著抑制导管表面高焓斑域的生成；冷却通道的几何设计 固耦合数值模拟优化流阻和分段换热效率，以增强整体冷却系统的鲁棒性和适应性， 干扰对物料表面稳定性的影响。

（三）材料选择与结构设计协同防护策略

材料体系要符合高温强度，抗热震性和耐化学腐蚀等多重性能界限，合金选型时可以考虑 Ni 基或者 Re 增强超合金，它在高温氧化环境中显示了优良的晶格稳定性和抗蠕变能力，特别是将 Hf、Ta 这些强氧亲元素引入到多元素合金的设计中，强化表面氧化膜的黏附力和再生能力，从而有效地提高烧蚀抗力[3]；在结构上应该采取力热耦合响应拓扑优化设计策略对壁厚梯度和应力集中分布进行精细调控，以避免因局部温度畸变而导致界面开裂；结合数字制造手段搭建多尺度功能梯度结构可以使内部微通道网络和外部防护层形成一个整体，强化结构力学性能的同时满足热管理要求，完成材料性能和结构构型的高维协同匹配并对关键部件进行全寿命周期稳定防护支持。

四、结论

液氧酒精发动机高温部件的烧蚀是以热化 力学冲刷和热机械响应耦合为主，在燃烧不稳定的诱导作用下，烧蚀的复杂性进一步加 的趋势。系统的研究证明了局部热焓集中，水蒸汽干扰和结构不连续 ，突破了传统的单机制预测框架。为了抑制烧蚀行为和增强 热障-环境障复合涂层，主动-被动冷却复合通道和具有高温相稳定性 合起来，并且实现了 热-力耦合规律的深度集成，保证了极端燃烧情况下仍然保持高可靠性的能边界。

参考文献

[1] 王天琦,魏程,于柏峰,周秀燕,李刚,周国泰.航天用碳/碳复合材料研究进展[J].纤维复合材料, 2024,41(2):112-115.

[2] 张业飞,江海涛,田世伟,等.TiAl 基合金高温防护及热障涂层体系研究进展[J].材料导报, 2025,39(4):154-163.

[3] 张全利 刘建 孙智源 吴明涛 蔡毅斌 曾加恒 金锃阳 傅玉灿.激光烧蚀反应烧结碳化硅表面形貌特征及亚表面损伤研究[J].航空科学技术, 2024, 35(7):56-64.