一種火箭發動機噴管的製備方法以及其專用設備的製作方法

2023-06-09 07:02:51 1

專利名稱：：一種火箭發動機噴管的製備方法以及其專用設備的製作方法
技術領域：
：本發明涉及一種火箭發動機噴管的製備方法；本發明還涉及這種製備方法的專用設備。
背景技術：
：現有的噴管承受的壓力在十幾個兆帕左右，採用不加塗層的鉬噴管完全能達到要求。最接近的現有技術中的噴管的製備方法為通過機械加工的方法製備金屬外殼，再通過等離子噴塗或者化學氣相沉積的方法在金屬外殼的內孔上製備塗層；這種方法只能適用於內孔尺寸較大的噴管，特別是等離子噴塗方法很難製備多層複合塗層結構，同時也存在塗層不夠緻密和塗層與金屬外殼的結合力不夠好等問題。某種高壓火箭發動機噴管需要在高壓(3050MPa)、高過載(16001800m/s2)和高轉速(1100016000轉/分鐘)的環境下工作，其需要滿足抗高溫、抗燒蝕、抗高速燃燒氣體和顆粒的衝刷(7001600)m/s的要求。只有在噴管的內壁噴塗上抗燒蝕、抗衝刷的塗層才能夠達到這種要求。由於上述的某種高壓火箭發動機噴管的尺寸比常規的噴管尺寸小，喉部尺寸僅為①8mm，且為拉瓦爾管狀結構，常規等離子噴塗方法很難在這種內孔複雜的曲面上均勻、可靠地製備抗高溫、抗衝刷的塗層；並且由於等離子噴塗方法工藝的限制，更難以在內孔製備多層複合塗層結構。
發明內容本發明的目的在於提供一種火箭發動機噴管的製備方法，其不僅能製備一般的火箭發動機噴管，而且適用於製備某種小尺寸的抗高溫、抗燒蝕、抗高速燃燒氣體和顆粒衝刷的高壓火箭發動機噴管。本發明的另一目的在於提供這種製備方法中的專用設備。本發明的目的是這樣實現的一種火箭發動機噴管的製備方法，它包括以下步驟(1)製備所述火箭發動機噴管的毛坯和製備所述毛坯的芯棒；(2)在所述芯棒表面噴塗塗層後，對芯棒的表面進行磨削加工，並將磨削後的芯棒與所述毛坯進行配車；(3)將磨削後的芯棒與所述毛坯在壓機上配裝；然後將裝配好的整體進行包套處理；(4)將包套處理好的整體在熱等靜壓爐內進行熱等靜壓處理；(5)熱等靜壓處理後，去除包套材料和芯棒，再對附著塗層的噴管毛坯進行精加工得本發明產品。上述步驟(1)中所述毛坯的材料可以選擇高強鋼或鉬。在芯棒的選擇過程中，發明人在鋁合金、錫鉍合金、石膏、樹脂砂、鋼管、鹽芯和石4墨等基體上進行了塗層等離子噴塗工藝試驗，並進行了去除芯棒材料工藝試驗，試驗結果見表1所示，優選出工藝可靠、易於實施的石墨作為芯棒材料。表1芯棒材料選擇試驗結果材料試驗情況及結果鋁合金噴塗塗層後，用鹼腐蝕劑去除芯棒，效果良好，但時間長。銅噴塗塗層後，用酸腐蝕，能去除基體，但對塗層質量有影響。鋼噴塗塗層後，用酸腐蝕，去除基體速度太慢。氯化鈉塗層內表面質量不易控制。石墨噴塗塗層質量好，採用機械去除法去除基體，效果較好。錫鉍合金用熔化的方式去除，塗層易開裂。石蠟用熔化的方式去除，效果良好。上述步驟(2)中在所述芯棒表面噴塗塗層是採用等離子噴塗法在芯棒表面噴塗上以金屬粉末為最外層的塗層。本發明中強調在最外層塗上金屬粉末，主要是為了在後續的熱等靜壓處理過程中，最外層的金屬粉末層易於與同樣為金屬的噴管毛坯融合為一體；所以最外層的金屬粉末與噴管的毛坯為同一種金屬時效果最佳。噴塗材料可以為各種常規的材料，按照工作條件的對噴管的質量要求進行選擇。噴塗的厚度也是根據噴管的要求來確定。上述配車的過盈量一般為O.01mm0.02mm。上述步驟(3)中所述包套處理是為了後續的熱等靜壓處理的需要，發明人進行了大量的熱等靜壓包套材料選擇試驗，試驗結果見表2所示；最後發明人優選使用鉬作為包套材料。表2包套材料及方法選擇試驗結果包套材料包套方法試驗情況及結果不鏽鋼板真空擴散焊接不鏽鋼與等靜壓設備石墨加熱氣氛在iiocrc左右反應生成滲碳體。5tableseeoriginaldocumentpage6上述步驟(4)中所述熱等靜壓處理是按常規方法，將所述包套好的整體及玻璃渣放入石墨坩堝內，再將石墨坩堝放入熱等靜壓爐內進行處理；通過熱等靜壓處理，使得塗層更加緻密化，同時塗層與噴管毛坯結合力更強。上述步驟(5)中所述的去除芯棒是採用機械加工的方法去除。上述火箭發動機噴管的製備方法，最優選的方案為步驟(1)中，所述毛坯的材料為鉬；步驟(2)中，所述塗層為以鉭粉為底層，中間為氧化鋯粉和鉬粉的交替分布層，以鉬粉為最外層的塗層。選擇鉬為毛坯材料同時選擇鉬粉為塗層的最外層，是為了在後面的熱等靜壓處理中塗層與噴管毛坯的結合容易。選擇鉭粉為底層，是因為鉭粉易於與石墨在熱等靜壓處理過程中生成一層緻密的碳化鉭，而碳化鉭是一種熔點極高的化合物，去除芯棒以後，碳化鉭層就是噴管塗層的最外層，使得噴管能夠極好地滿足抗高溫、抗燒蝕、抗高速燃燒氣體和顆粒衝刷的要求。氧化鋯粉和鉬粉的交替塗層中部分也與石墨反應生成了碳化鋯和碳化鉬。氧化鋯粉和鉬粉的交替層的厚度根據噴管的需要決定。上述火箭發動機噴管的製備方法，為了達到最好的效果，更優選的方案為步驟(2)中，在所述芯棒表面噴塗塗層之前，對所述石墨芯棒採用汽油去油、丙酮脫脂，除去所述石墨芯棒表面上的所有汙物，再將所述石墨芯棒放入電爐中在45(TC50(rC下烘烤l小時，燒去石墨中易揮發的汽油和丙酮；在所述芯棒表面噴塗塗層之前，將噴塗用粉末置入烘箱中，在12(TC下烘30min以上，再用120目的分樣篩過篩，去除篩餘物；步驟(3)中，在所述配裝之前，將所述磨削後的芯棒與所述毛坯清洗好，再將所述本體毛坯放入烘箱內加熱到180°C士15。C，保溫2h。上述的火箭發動機噴管的製備方法，所述熱等靜壓處理工藝參數優選為如下其中所述熱等靜壓處理的的溫度與時間的關係為升溫12分鐘，將溫度升至IOO(TC後保溫15分鐘；再升溫7分鐘，將溫度升至140(TC後保溫35分鐘；然後降溫3分鐘將溫度降至120(TC後保溫20分鐘；再降溫7分鐘將溫度降至950°C，保溫15分鐘後，再持續降溫120分鐘將溫度逐步降至室溫；所述熱等靜壓處理的壓力與時間的關係為壓力設置為20MPa進行預壓處理20分鐘；然後繼續升壓16分鐘，在溫度達到140(TC之後5分鐘使壓力達80MPa後保持35分鐘；再降壓4分鐘將壓力降至40MPa後保持15分鐘；再降壓7分鐘將壓力降至20MPa並一直保持至溫度冷卻至室溫時。本發明的另一目的是這樣實現的上述火箭發動機噴管的製備方法中的專用設備，即一種芯棒，其特徵在於它包括收斂段、喉部和擴張段，上述的收斂段、喉部和擴張段為一體的；其各部分形狀及大小一一對應於所製得的噴管的內孔部分。為了機械加工的方便以及在芯棒上噴塗均勻可靠，在芯棒的兩端分別設置有兩個圓柱，在所述收斂段的末端依次設置圓柱A和圓柱B，在所述擴張段的末端依次設置圓柱C和圓柱D;所述圓柱A的直徑等於所述收斂段的最大直徑，所述圓柱B的直徑大於所述收斂段的最大直徑，所述圓柱C的直徑等於所述擴張段的最大直徑，所述圓柱D的直徑大於所述擴張段的最大直徑。上述增設的圓柱A、B、C、D在芯棒噴塗上塗層並裝配到噴管毛坯之後通過機械方法切除。由於後續的機械去除方便，同時可以產生高熔點的化合物，上述芯棒優選為石墨芯棒。本發明的有益效果為1、本發明方法不僅適用於內孔尺寸較大的噴管，而且適用於內孔尺寸較小且對塗層有特殊要求的噴管；2、本發明方法在製備噴管的選材上，不僅可以選擇鉬，還可以選擇高強鋼，克服了現有技術中製備高要求的噴管時局限於選擇價格昂貴的鉬噴管的缺點；3、本發明方法，對於噴管塗層可以根據要求確定噴塗材料及噴塗厚度，能滿足各種工作環境的需要；4、本發明方法優選石墨芯棒，在芯棒上噴塗時以鉭粉為底層，生成的碳化鉭是一種熔點極高、硬度極強的化合物；通過熱等靜壓處理和機械加工去除芯棒，使碳化鉭轉化為噴管塗層的最外層，製得的噴管極好地滿足了某型號高壓火箭發動機的抗高溫、抗衝刷、抗燒蝕的要求；5、本發明方法通過反向製備技術將內孔的塗層製備轉化為芯棒體表面塗層製備，能夠輕鬆的製備出多層複合塗層結構，同時通過熱等靜壓緻密化技術得到更緻密的塗層，最終製備出優質的高比衝固體火箭發動機噴管；6、本發明方法製得的噴管內孔塗層表面光潔且厚度均勻，塗層與噴管毛坯的結合力強，能夠確保噴管隔熱、抗燃氣衝刷作用；本發明方法改進了噴管塗層的結構，提高了塗層的緻密性，從而進一步提高了噴管的性能，提高飛彈的飛行速度和射程；本發明製得的噴管能夠滿足3000K3700K高溫下抗燒蝕、抗高速燃燒氣體和顆粒的衝刷(7001600)m/s的要求，在3700K高溫的工作條件下，噴管的喉部增大量僅為0.3mm以下，完全能夠滿足高比衝固體火箭發動機的要求。圖1為本發明的噴管毛坯結構示意圖；圖2為本發明的石墨芯棒示意圖；圖3為石墨芯棒噴塗塗層結構示意圖；圖4為本發明的噴管毛坯和塗層芯棒配裝示意圖；圖5為本發明的噴管包套示意圖6為本發明的噴管最終結構示意圖；圖7為本發明實施例1的熱等靜壓工藝曲線圖；圖中1、收斂段；2、喉部；3、擴張段；4、圓柱A;5、圓柱B;6、圓柱C;7、圓柱D;8、塗層；9、包套材料；10、噴管；11、芯棒。具體實施例方式下面結合附圖，通過實施例的方式進一步說明本發明，並不因此將本發明限制在所述的實施例範圍之中。實施例1—種火箭發動機噴管的製備方法，它包括以下步驟(1)以鉬為材料製備如圖1所示的火箭發動機噴管的毛坯；同時製備如圖2所示的與製備的噴管內孔配合的石墨芯棒；(2)將上述石墨芯棒採用汽油去油、丙酮脫脂，除去所述石墨芯棒表面上的所有汙物，再將所述石墨芯棒放入電爐中在450°C50(TC下烘烤1小時，燒去石墨中易揮發的汽油和丙酮；與此同時，將噴塗用鉭粉、鉬粉和氧化鋯粉置入烘箱中，在12(TC下烘30min以上，再用120目的分樣篩過篩，去除篩餘物；然後用等離子噴塗法在芯棒表面噴塗上鉭粉、氧化鋯粉與鉬粉，其中與芯棒接觸的一層為鉭粉層，中間為氧化鋯粉與鉬粉交替分布層，最外層為鉬粉層；噴塗塗層後的芯棒結構如圖3所示；最後對芯棒的表面的塗層進行磨削加工，並將磨削後的芯棒與所述毛坯進行配車，配車的過盈量為0.Olmm0.02mm;(3)將所述磨削後的芯棒與所述毛坯清洗好，再將所述本體毛坯放入烘箱內加熱到180°C士15。C，保溫2h;然後將磨削後的芯棒與所述毛坯在壓機上配裝；裝配好的結構如圖4所示；然後用鉬板作為包套材料，將裝配好的整體進行包套處理；包套處理後的結果如圖5所示；(4)將所述包套好的整體及玻璃渣放入石墨坩堝內，再將石墨坩堝放入熱等靜壓爐內進行熱等靜壓處理；上述熱等靜壓處理的的溫度與時間的關係為升溫12分鐘，將溫度升至IOO(TC後保溫15分鐘；再升溫7分鐘，將溫度升至140(TC後保溫35分鐘；然後降溫3分鐘將溫度降至120(TC後保溫20分鐘；再降溫7分鐘將溫度降至95(TC，保溫15分鐘後，再持續降溫120分鐘將溫度逐步降至室溫；所述熱等靜壓處理的壓力與時間的關係為壓力設置為20MPa進行預壓處理20分鐘；然後繼續升壓16分鐘，在溫度達到140(TC之後5分鐘使壓力達80MPa後保持35分鐘；再降壓4分鐘將壓力降至40MPa後保持15分鐘；再降壓7分鐘將壓力降至20MPa並一直保持至溫度冷卻至室溫時；熱等靜壓處理曲線圖如圖7所示；(5)熱等靜壓處理後，用機械方法去除包套材料和芯棒，再對附著塗層的噴管毛坯進行精加工得本發明產品，如圖6所示。實施例2—種火箭發動機噴管的製備方法，其具體步驟和工藝參數同實施例l，不同點在於採用高強鋼為材料製備火箭發動機噴管毛坯。實施例3如圖2所示，一種芯棒，其特徵在於它包括收斂段1、喉部2和擴張段3;在芯棒的兩端分別設置有兩個圓柱，在所述收斂段1的末端依次設置圓柱A4和圓柱B5，在所述擴張段3的末端依次設置圓柱C6和圓柱D7;所述圓柱A4的直徑等於所述收斂段1的最大直徑，所述圓柱B5的直徑大於所述收斂段1的最大直徑，所述圓柱C6的直徑等於所述擴張段3的最大直徑，所述圓柱D7的直徑大於所述擴張段3的最大直徑；上述芯棒為石墨芯棒。權利要求一種火箭發動機噴管的製備方法，它包括以下步驟(1)製備所述火箭發動機噴管的毛坯和製備所述毛坯的芯棒；(2)在所述芯棒表面噴塗塗層後，對芯棒表面的塗層進行磨削加工，並將磨削後的芯棒與所述毛坯進行配車；(3)將表面塗層磨削後的芯棒與所述毛坯在壓機上配裝；然後將裝配好的整體進行包套處理；(4)將包套處理好的整體在熱等靜壓爐內進行熱等靜壓處理；(5)熱等靜壓處理後，去除包套材料和芯棒，再對附著塗層的噴管毛坯進行精加工得本發明產品。2.根據權利要求l所述的火箭發動機噴管的製備方法，其特徵在於步驟(1)中，所述毛坯的材料為高強鋼或鉬；所述芯棒的材料為石墨；步驟(2)中在所述芯棒表面噴塗塗層是用等離子噴塗法在芯棒表面噴塗上以金屬粉末為最外層的塗層；配車的過盈量為0.01mm0.02mm;步驟(3)中，所述包套處理使用鉬作為包套材料；步驟(4)中，所述熱等靜壓處理是將所述包套好的整體及玻璃渣放入石墨坩堝內，再將石墨坩堝放入熱等靜壓爐內進行處理；步驟(5)中，所述的去除芯棒採用機械加工去除。3.根據權利要求2所述的火箭發動機噴管的製備方法，其特徵在於步驟(1)中，所述毛坯的材料為鉬；步驟(2)中，所述塗層為以鉭粉為底層，中間為氧化鋯粉和鉬粉的交替分布層，以鉬粉為最外層的塗層。4.根據權利要求2或3所述的火箭發動機噴管的製備方法，其特徵在於步驟(2)中，在所述芯棒表面噴塗塗層之前，對所述石墨芯棒採用汽油去油、丙酮脫脂，除去所述石墨芯棒表面上的所有汙物，再將所述石墨芯棒放入電爐中在45(TC50(rC下烘烤1小時，燒去石墨中易揮發的汽油和丙酮；在所述芯棒表面噴塗塗層之前，將噴塗用粉末置入烘箱中，在12(TC下烘30min以上，再用120目的分樣篩過篩，去除篩餘物；步驟(3)中，在所述配裝之前，將所述磨削後的芯棒與所述毛坯清洗好，再將所述本體毛坯放入烘箱內加熱到180°C士15。C，保溫2h。5.根據權利要求4所述的火箭發動機噴管的製備方法，其特徵在於步驟(4)中，所述熱等靜壓處理的的溫度與時間的關係為升溫12分鐘，將溫度升至IOO(TC後保溫15分鐘；再升溫7分鐘，將溫度升至140(TC後保溫35分鐘；然後降溫3分鐘將溫度降至120(TC後保溫20分鐘；再降溫7分鐘將溫度降至95(TC，保溫15分鐘後，再持續降溫120分鐘將溫度逐步降至室溫；所述熱等靜壓處理的壓力與時間的關係為壓力設置為20MPa進行預壓處理20分鐘；然後繼續升壓16分鐘，在溫度達到140(TC之後5分鐘使壓力達80MPa後保持35分鐘；再降壓4分鐘將壓力降至40MPa後保持15分鐘；再降壓7分鐘將壓力降至20MPa並一直保持至溫度冷卻至室溫時。6.—種芯棒，其特徵在於它包括收斂段(D、喉部(2)和擴張段(3)。7.根據權利要求6所述的芯棒，其特徵在於在芯棒的兩端分別設置有兩個圓柱，在所述收斂段(1)的末端依次設置圓柱A(4)和圓柱B(5)，在所述擴張段(3)的末端依次設置圓柱C(6)和圓柱D(7);所述圓柱A(4)的直徑等於所述收斂段(1)的最大直徑，所述圓柱B(5)的直徑大於所述收斂段(1)的最大直徑，所述圓柱C(6)的直徑等於所述擴張段(3)的最大直徑，所述圓柱D(7)的直徑大於所述擴張段(3)的最大直徑。8.根據權利要求6或7所述的芯棒，其特徵在於所述芯棒為石墨芯棒。全文摘要本發明提供一種火箭發動機噴管的製備方法，它包括以下步驟(1)製備所述火箭發動機噴管的毛坯和製備所述毛坯的芯棒；(2)在所述芯棒表面噴塗塗層後，對芯棒的表面進行磨削加工，並將磨削後的芯棒與所述毛坯進行配車；(3)將磨削後的芯棒與所述毛坯在壓機上配裝；然後將裝配好的整體進行包套處理；(4)將包套處理好的整體在熱等靜壓爐內進行熱等靜壓處理；(5)熱等靜壓處理後，去除包套材料和芯棒，再對附著塗層的噴管毛坯進行精加工得本發明產品。本發明還提供這種製備方法的專用設備。本發明方法不僅適用於內孔尺寸較大的噴管，而且適用於內孔尺寸較小且對塗層有特殊要求的噴管。文檔編號B22C9/12GK101733614SQ20081023308公開日2010年6月16日申請日期2008年11月20日優先權日2008年11月20日發明者吳護林,張津,張隆平,易同斌,李曉暉,諸祖渝申請人:中國兵器工業第五九研究所