一種發動機複合尾噴管的製備方法與流程
2023-05-29 08:31:41 1
本發明屬於複合管制備及金屬壓力加工技術領域，特別涉及一種發動機複合尾噴管的製備方法。
背景技術：
發動機尾噴管承受來自高溫燃氣的熱負荷，是發動機的高溫部件之一，對耐高溫性能方面具有特殊的要求。鈦合金由於優良的綜合性能，在航空航天工程、艦船工程、石化工程的諸多管道系統中得到廣泛的應用，尤其是用於製作飛機發動機壓氣機部件，但其使用溫度僅在中等溫度下能夠保持較好的強度。高溫合金能在高溫及一定應力作用下長期工作，具有較高的高溫強度，良好的疲勞性能等綜合性能，廣泛的用於製作航空、航天發動機以及工業燃氣輪機的各種高溫零部件，是航空發動機高溫熱端部件迄今為止不可替代的材料。發動機尾噴管對電絕緣、耐磨損、抗腐蝕等性能方面具有特殊的要求，鈦合金和高溫合金自身的抗衝刷、耐磨損性能較差，而氧化鋯材料具有高硬度，高強度，高韌性，耐高溫，極高的耐磨性及耐化學腐蝕性等優良的物化性能，所以需要在尾噴管內表面製備緻密的高質量的氧化鋯陶瓷塗層可以有效的解決上述問題。發動機尾噴管的形狀相對複雜，目前採用常規方法難以實現在其內表面製備氧化鋯塗層的目的。爆炸複合法，其實質是以炸藥為能源的壓力焊、熔化焊和擴散焊「三位一體」的焊接工藝，是製備組分金屬大面積結合的層狀雙金屬或多金屬複合材料的有效方法。在爆炸焊接過程中，結合區發生金屬的塑性變形、熔化和擴散現象，從而導致覆材與基材在界面處形成冶金結合，使製備的金屬複合材料有著優異的界面結合性能。爆炸焊接的覆層和基層材料之間為冶金結合，其抗剪強度數據高於或相當於其中中強度較低者的抗拉強度數據；爆炸焊接後，表面、基體和整體材料都有不同程度的硬化和強化。這種硬化有利於覆層材料耐蝕性能和耐磨性能的提高。這種強化有利於複合材料的強度設計。從理論上來說，採用爆炸焊接工藝可以焊接任何金屬。由於爆炸焊接工藝製備的金屬複合管材的界面結合強度高，基本能滿足後續的二次塑性加工要求。
技術實現要素：
本發明在於提供一種發動機複合尾噴管的製備方法，以有效解決發動機尾噴管對耐高溫、電絕緣、耐腐蝕及耐磨損等性能方面特殊要求的技術問題。為了解決上述技術問題，本發明採用以下技術方案：一種發動機複合尾噴管的製備方法，首先將塗層前驅體材料與基體金屬層間複合，然後利用其層間結合強度的優勢，將層狀複合管坯進行二次塑形成形，即覆層金屬與基體金屬同步變形，從而製備出帶有金屬覆層的複合零件；最後將製備出的複合零件的前驅體材料覆層金屬進行氧化處理，獲得帶有金屬氧化物塗層的複雜異型零件。所述的發動機複合尾噴管的製備方法，所述發動機複合尾噴管為三層或三層以上的複合尾噴管。所述的發動機複合尾噴管的製備方法，所述三層複合尾噴管包括鈦合金管、高溫合金管、純鋯管，鈦合金管、高溫合金管及純鋯管同心裝配，鈦合金管位於最外層、高溫合金管位於中間層、純鋯管位於最內層。所述的發動機複合尾噴管的製備方法，包括以下步驟：(1)、將鈦合金管、高溫合金管、純鋯管壁進行磨、拋處理，以淨化內表面，減小雜質對爆炸焊接複合管界面質量的有害影響；(2)、將鈦合金管、高溫合金管及純鋯管3同心裝配；使用間隙固定物控制三者之間的裝配間隙；(3)、在鈦合金管和內模的外表面塗抹黃油，將裝配好的待覆合的三層管坯放入剛性內模夾緊後，整體放入外模中；(4)、採用內爆法製備金屬複合管，在純鋯管內安裝適量的炸藥，使用電雷管引爆管內的炸藥，選取合適的轟爆速度，在炸藥爆轟作用下使三層金屬管發生冶金結合，最終形成三層金屬複合管；(5)、採用冷擠壓或內高壓脹形的先進成形工藝對帶有鋯層的複合金屬管坯進行塑形變形，製備發動機尾噴管；(6)、對尾噴管的外接觸表面進行塗刷密封，僅留下內管表面(純鋯層)單獨與電解液接觸；(7)、進行微弧氧化工藝，將尾噴管作為陽極，不鏽鋼電解液槽或者不鏽鋼電極作為陰極，選取合適的工藝參數組合，在尾噴管內表面原位生成氧化鋯塗層，最終獲得一種發動機複合尾噴管。所述的發動機複合尾噴管的製備方法，所述步驟(3)中的剛性內模材料為磨具鋼Cr12MoV，設計為兩瓣式錐形，有利於快速脫模。所述的發動機複合尾噴管的製備方法，所述步驟(4)中的炸藥組分為乳化炸藥+敏化劑B，不同配方下的對應爆轟速度不同。所述的發動機複合尾噴管的製備方法，所述步驟(6)中的電解液，溶質包括主鹽、輔鹽、鹼和穩定劑等組分，溶劑為去離子水。所述的發動機複合尾噴管的製備方法，發動機複合尾噴管的製備方法中，所述步驟(7)中通過對微弧氧化工藝的控制與優化，可以獲得不同厚度及不同含量的氧化鋯表面塗層。用類似的方法還可以做4層複合管或者更多層的複合管。基於現有的氧化鋯塗層製備技術的缺陷，本發明突破傳統的先製備基體，再採用其他塗層製備工藝在金屬基體上製備塗層的思路，而是首先將塗層前驅體材料與基體金屬層間複合，利用其層間結合強度的優勢，將層狀複合管坯進行二次塑形成形，即覆層金屬與基體金屬同步變形，從而製備出帶有金屬覆層的複合零件。製備出的複合零件的前驅體材料鋯層通過氧化處理，從而最終獲得帶有金屬氧化物塗層的複雜異型零件。雙層或多層金屬可以協調變形，能夠經受複雜大變形，製備出具有複雜形狀的複合零件。製備出的雙金屬或多金屬複合零件可以直接使用，也可以繼續對之氧化處理，而採用合適的氧化工藝如微弧氧化，將零件整體浸入電解液，通過塗刷保護塗層，可以實現溶液與複雜覆層的充分接觸，從而將其覆層轉化為金屬氧化層。通過本發明提出的新的製備方法，能夠實現耐高溫的金屬複合管的製備，並且在金屬複合管內表面製備氧化鋯塗層的目的，為有效解決發動機尾噴管由於基體電絕緣性能較差導致的表面磁流體動力學效應問題及腐蝕問題提供新的思路。本發明的有益效果在於：(1)、本發明採用新的綜合製備方法可以有效解決在複雜管件內表面難以有效製備高質量氧化鋯塗層的問題；(2)、本發明從技術的可行性方面來說，不需要新的設備，藉助於原有的冷擠壓及內高壓脹形塑形成形裝備及模具即可製備出大尺寸複合零件。附圖說明圖1為本發明發動機複合尾噴管制備步驟流程圖；圖2為三層管坯的裝配示意圖；圖3為剛性模約束形式裝配示意圖；圖中，1-鈦合金管、2-高溫合金管、3-純鋯管、4-間隙固定物、5-內模、6-外模、7-炸藥、8-電雷管。具體實施方式以下結合具體實施例，對本發明進行詳細說明。實施例1(1)、將鈦合金管1、高溫合金管2、純鋯管3內外壁面進行磨、拋處理，以淨化內表面，減小雜質對爆炸焊接複合管界面質量的有害影響；(2)、將鈦合金管1、高溫合金管2及純鋯管3同心裝配，鈦合金管1位於最外層、高溫合金管2位於中間層、純鋯管3位於最內層。使用間隙固定物4控制三者之間的裝配間隙為0.5mm；(3)、在鈦合金管1和內模5的外表面塗抹黃油，將裝配好的待覆合的三層管坯放入剛性內模5夾緊後，整體放入外模6中；內模5外部輪廓為錐形，與內部腔體輪廓為錐形的外模6配合使用，內模5、內模6均為兩瓣式結構。(4)、採用內爆法製備金屬複合管：在純鋯管3內安裝適量的乳化炸藥+敏化劑B，使用電雷管8引爆管內的炸藥7，選取轟爆速度為2000m/s，在炸藥7爆轟作用下使三層金屬管發生冶金結合，最終形成三層金屬複合管；(5)、採用冷擠壓或內高壓脹形的先進成形工藝對帶有鋯層的複合金屬管坯進行塑形變形，製備發動機尾噴管；(6)、對尾噴管的外接觸表面採用化銑膠塗刷密封，僅留下內管表面(純鋯管3內表面)單獨與電解液接觸，電解液為氫氧化鉀2g/L、矽酸鹽3g/L(主鹽)、六偏磷酸鈉5g/L(輔鹽)及酒石酸鈉10g/L(穩定劑)；(7)、進行微弧氧化工藝，將尾噴管作為陽極，不鏽鋼電解液槽或者不鏽鋼電極作為陰極，設置工作頻率300HZ，正佔空比為50％；負佔空比為50％；正向脈衝數1；負向脈衝數1；時間為30min，電流密度為15A/dm2，從而在尾噴管內表面原位生成氧化鋯塗層，最終獲得一種發動機複合尾噴管。實施例2(1)、將鈦合金管1、高溫合金管2、純鋯管3內外壁面進行磨、拋處理，以淨化內表面，減小雜質對爆炸焊接複合管界面質量的有害影響；(2)、將鈦合金管1、高溫合金管2及純鋯管3同心裝配，鈦合金管1位於最外層、高溫合金管2位於中間層、純鋯管3位於最內層。使用間隙固定物4控制三者之間的裝配間隙為0.5mm；(3)、在鈦合金管1和內模5的外表面塗抹黃油，將裝配好的待覆合的三層管坯放入剛性內模5夾緊後，整體放入外模6中；(4)、採用內爆法製備金屬複合管，在純鋯管3內安裝適量的乳化炸藥+敏化劑B，使用電雷管8引爆管內的炸藥7，選取轟爆速度為2200m/s，在炸藥7爆轟作用下使三層金屬管發生冶金結合，最終形成三層金屬複合管；(5)、採用冷擠壓或內高壓脹形的先進成形工藝對帶有鋯層的複合金屬管坯進行塑形變形，製備發動機尾噴管；(6)、對尾噴管的外接觸表面採用保護塗層塗刷密封，僅留下內管表面(純鋯管3內表面)單獨與電解液接觸，電解液為氟鋯酸鉀9g/L(主鹽)、氟硼酸鉀10g/L(穩定劑)、乙酸鋅7g/L(輔鹽)及氫氧化鈉9g/L；(7)、進行微弧氧化工藝，將尾噴管作為陽極，不鏽鋼電解液槽或者不鏽鋼電極作為陰極，設置工作頻率400HZ，正佔空比為50％；負佔空比為50％；正向脈衝數1；負向脈衝數1；時間為20min，電流密度為10A/dm2，從而在尾噴管內表面原位生成氧化鋯塗層，最終獲得一種發動機複合尾噴管。應當理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應屬於本發明所附權利要求的保護範圍。