Materials intended to be used for high temperature aerospace applications such as in the rocket motor nozzle are expected to possess certain properties. Some of the critical properties that these materials need to have in order to stand the harsh environments are an extremely high melting point; excellent oxidation and ablation behavior; high strength (room temperature and high temperature); low thermal expansion coefficient; high specific strength; fabricability and cost.
Research on tungsten has been ongoing since the start of last century, which has seen tungsten been employed in a variety of different applications. Due to its extremely high melting point, high elastic modulus, good thermal properties and the lowest vapor pressure among other refractory metals, it is considered as one of the most promising materials for high temperature applications such as rocket rudders and nozzles, heat shields, electrical propulsion components, and combustion chambers. However, monolithic tungsten experiences a 60% decrease in strength when the temperature is raised to 1000oC. Furthermore, tungsten experiences oxidation and undergoes mass loss due to ablation when subjected to high temperatures in oxidizing environments.
With a view of improving the high temperature mechanical properties of tungsten, recent research has focused on tungsten alloys reinforced with ceramic particles as strengthening phase. However, their content in tungsten has generally been limited to less than 3%, while very few studies have actually focused on developing tungsten matrix composites with high volume fractions of strengthening phases. As effective as they may be, tungsten based alloys are still susceptible to ablation attack. Reinforcing tungsten with higher volume fractions of strengthening phase made of refractory ceramics promises to be extremely effective in enhancing the ablation resistance of tungsten. It can also result in a greater stability at high temperatures while lowering the overall density of the composite at the same time, providing weight saving benefits.
Nevertheless, the search for an optimal system remains incomplete and better systems capable of withstanding higher temperatures and extreme environments need to be explored. Amongst the refractory reinforcements that have been studied, Hafnium Carbide (HfC) has been considered as the most refractory in terms of its highest melting temperature and greatest formation energy. It has long been used as a primary strengthening phase for tungsten and its alloys. However, there is no study which focusses on using HfC in large contents for the purpose of improving the high temperature ablation resistance of tungsten. Among the list of refractory ceramics that can be used with tungsten as a strengthening phase, Zirconium Nitride (ZrN) represents a suitable candidate. Attributes such as a high melting point, high hardness, excellent high temperature strength, a low thermal expansion coefficient, good sinterability and low density make it an exciting prospect to be used with tungsten. The use of ZrN to enhance the performance of tungsten has never been reported before.
In this study, large volume fraction ZrN and HfC particle reinforced tungsten matrix composites were fabricated for the purpose of improving the room and high temperature mechanical properties and ablation resistance of tungsten. Significant improvements in the mechanical properties such as compressive strength and flexural strength were obtained. They were seen to fluctuate as a function of reinforcement content. The mechanical properties were seen to depend on the grain size of the composites, which in turn depended on the sintering conditions such as temperature and an initial particle size of the powders used. Planetary ball mixing was employed to attain finer microstructures and a more homogeneous distribution of the strengthening phase ultimately leading to higher mechanical properties. Elevated temperature flexural strength of the composites was measured, and was found to behave differently with the reinforcement volume fraction compared with room temperature. The ablation mechanism of tungsten and its composites was studied in detail. High temperature ablation resistance of tungsten was seen to be enhanced significantly after reinforcing with ZrN and HfC.
로켓이나 우주왕복선을 발사하기 위해서는 고성능의 추진기관의 개발이 핵심이며, 로켓의 추진력에 가장 중요한 영향을 미치는 핵심 부품인 로켓 모터(rocker motors)의 노즐(nozzle)에 사용될 내열 소재의 개발이 무엇보다도 필요한 핵심기술이다. 로켓의 추진 성능을 향상시키기 위해서는 높은 열효율이 필요하며, 열효율을 향상시키기 위해는 연소 시에 발생하는 높은 열을 견뎌낼 수 있는 열방호 목적의 고성능 내열 부품이 필요하다. 현재 탄소복합재료 및 텅스텐 합금이 이러한 부품 등을 제조하는데 사용되고 있으나 로켓 추진 가동 신뢰성을 증대시키기 위해서는 이러한 재료들의 내삭마 특성 증대가 시급한 실정이다. 내열금속은 열충격 저항성 및 녹는점이 높아 초고온 내열구조재료로서 주목을 받고 있으나, 로켓의 연소가스에 의한 산화 및 삭마 현상이 극심하기 때문에 로켓 모터(rocker motors)의 노즐(nozzle)에 사용되기 위해서는 산화 및 삭마 저항성 향상이 필수적이다. 본 연구에서는 극심한 초고온 환경에서 사용할 수 있는 로켓 추진기관용 초고온 내열구조재료 개발을 위하여 기계적 합금화 공정을 통해 고부피분율의 세라믹 입자가 내열금속 기지 내에 균일하게 분산된 복합분말 및 복합재료를 제조하고 기계적 특성평가 및 내열/내삭마 특성 향상 메커니즘을 규명하였다.
기계적 합금화 공정에 의해 고부피분율의ZrN, HfC 세라믹 입자가 기지 내에 균일하게 분산된 텅스텐 복합분말을 제조한 후, 복합분말의 성형 및 소결조건을 제어하여 세라믹 입자가 텅스텐 기지 내에 균일하게 분산된 고밀도 ZrN/W 및 HfC/W 금속복합재료의 제조공정 기술을 개발하였다. 제조된 ZrN/W 및 HfC/W 복합재료는 상온 및 고온에서 기지 금속 대비 2배 이상의 높은 기계적 특성을 보이고 있는데, 이는 기계적 합금화 공정으로 인한 세라믹 입자의 균질 분산에 의해 나타나는 분산강화 효과와 세라믹 입자와 기지 간의 상호확산을 통해 결합력을 향상시켰기 때문이다.
또한 실제 사용환경에서의 적합성을 평가하기 위하여 oxy-acetylene토치 테스트 및 초음속 토치 테스트 등 다양한 방법의 내삭마 특성평가를 진행하고 내삭마 메커니즘을 분석하였다. 30vol%의 고부피분율을 가진 텅스텐 복합재료는 기지 금속 대비 3배 이상의 높은 내삭마 특성을 보이고 있는데, 이는 초음속의 연소가스에 노출될 경우 텅스텐 복합재료 표면의 기지 금속 삭마가 일어나게 되고, 이로 인해 노출된 ZrN, HfC세라믹 입자가 산화되어 표면에 치밀한 ZrO2 및 HfO2 산화피막이 형성되어 더 이상의 표면 삭마를 막아주기 때문이다.
이상의 연구결과들을 통해 향후 고성능의 로켓 추진체의 개발이 더욱 앞당겨질 수 있을 것으로 기대된다.
