엔진 추력실에 사용되는 내화 금속은 주로 텅스텐 합금, 몰리브덴 합금,탄탈륨 합금, 니오븀 합금 등이 있습니다. 이들의 장단점은 아래 표에 나와 있습니다. 니오븀 합금은 다른 내화 금속에 비해 밀도가 낮고 고온 강도가 우수하며, 가소성과 용접성이 뛰어나 가장 유망한 내화 금속 소재 중 하나입니다. 그러나 니오븀 합금은 고온 산화 저항성이 낮아 약 600℃에서 급속한 산화 반응을 일으킵니다. 따라서 엔진 추력실의 요구 조건을 충족하기 위해서는 표면에 산화 방지 코팅을 적용해야 합니다. 텅스텐 합금은 고온 강도가 우수하고 열팽창 계수가 낮으며 밀도가 높고(19.3 g/cm³), 연성-취성 전이 온도가 상온보다 높지만 가공성이 떨어지고 고온 산화 저항성이 좋지 않습니다. 몰리브덴 합금은 밀도가 낮고(10.2 g/cm³), 고온 크리프 성능이 우수하고 열팽창 계수가 낮으며 연성-취성 전이 온도가 상온보다 높지만 가공성이 떨어지고 용접성이 좋지 않으며 700℃ 이상에서 산화됩니다. 탄탈륨 합금은 고온 강도가 우수하고 열충격 저항성이 좋으며 크리프 강도가 높고 열팽창 계수가 낮으며 연성과 인성이 우수하고 밀도가 높습니다(16.68 g/cm³). 500℃ 이상에서 "페스트" 산화가 발생합니다. 니오븀 합금은 밀도가 낮고(8.57 g/cm³), 고온 강도가 우수하고 연성과 용접성이 좋습니다. 또한 600℃ 이상에서 산화됩니다.
다른 고온 합금과 비교했을 때, 고온 니오븀 합금은 낮은 밀도, 고온(600~1600℃)에서의 높은 비강도, 우수한 냉간 및 열간 성형성, 그리고 양호한 용접성 등의 장점을 가지고 있습니다. 얇은 벽과 복잡한 형상의 부품으로 가공할 수 있으며, 로켓 엔진, 위성, 우주선, 미사일의 자세/궤도 제어 엔진용 추력실 확장부와 같은 부품 제조에 사용됩니다. 또한 항공우주 구조 부품의 중요한 후보 재료 중 하나입니다. 항공우주 분야에서는 니오븀-하프늄 및 니오븀-텅스텐 합금이 가장 일반적으로 사용됩니다. 현재 자세/궤도 제어 엔진용 내화 금속 추력실은 두 세대에 걸쳐 제품이 개발되었습니다. "1세대"는 미국에서 가장 흔히 사용되는 니오븀-하프늄 합금(C-103)을, "2세대"는 러시아와 중국에서 가장 흔히 사용되는 니오븀-텅스텐 합금(Nb521)을 가리킵니다. 두 니오븀 합금의 물리적 특성 및 고온 인장 특성을 비교해 보면, Nb521은 C-103 합금보다 훨씬 우수한 고온 기계적 특성을 나타냅니다. 1600°C에서 Nb521의 강도는 C-103 합금의 3~4배에 달하며, 다양한 궤도/자세 제어 엔진 모델에 성공적으로 적용되어 왔습니다.
알루미나이드 코팅과 실리케이트 코팅은 니오븀 합금의 고온 보호 코팅을 위한 주요 연구 시스템입니다. 알루미나이드 코팅은 제조가 용이하지만 고온에서의 기계적 특성이 좋지 않고, 열충격 시 균열이나 박리가 발생하기 쉬우며, 사용 온도가 낮아(일반적으로 1200°C 미만) 수명이 짧습니다. 이러한 코팅은 정적 등온 산화 환경에 적합합니다. 실리케이트 코팅은 열 안정성과 자가 치유 특성이 우수하며 1300°C 이상의 온도에서 사용 가능하여 현재 가장 널리 사용되는 니오븀 합금 코팅 재료입니다. 미국에서 가장 많이 사용되는 니오븀 합금은 C103(Nb-10Hf-1Ti)이며, 그 외 SCb291(Nb-10W-10Ta)과 FS-85(Nb-11W-27.5Ta) 등이 있습니다. 일반적으로 사용되는 실리사이드 코팅 등급에는 R512A(Si-20Cr-5Ti)와 R512E(Si-20Cr-20Fe)가 있습니다. 러시아는 니오븀 합금으로 Nb521(Nb-5W-2Mo-1Zr)을 주로 사용하며, 일반적인 코팅은 몰리브덴 실리사이드(MoSi2)입니다.
아래 표는 여러 코팅의 제조 기술과 적용 분야를 보여줍니다. 미국에서 개발된 R512A 및 R512E 코팅은 슬러리 소결법을 사용하여 제조 공정이 간단하고 생산 주기가 짧지만, 사용 온도는 일반적으로 1400℃ 미만입니다. 현재 우주선, 우주왕복선 및 기타 항공기에 널리 사용되고 있습니다. 러시아에서 개발된 MoSi2 코팅은 진공 아크 증착 및 침투 반응의 2단계 방법을 사용합니다. 제조 공정이 비교적 복잡하고 생산 주기가 길지만, 고온 산화 저항성이 우수하여 1500℃ 이상의 온도에서 사용할 수 있습니다. 이 코팅으로 제작된 다양한 사양의 엔진 추력실은 위성, 우주선 및 기타 항공기에 널리 사용되고 있습니다.
