CN101733614B - 一种火箭发动机喷管的制备方法以及其专用设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种火箭发动机喷管的制备方法，它包括以下步骤：(1)制备所述火箭发动机喷管的毛坯和制备所述毛坯的芯棒；(2)在所述芯棒表面喷涂涂层后，对芯棒的表面进行磨削加工，并将磨削后的芯棒与所述毛坯进行配车；(3)将磨削后的芯棒与所述毛坯在压机上配装；然后将装配好的整体进行包套处理；(4)将包套处理好的整体在热等静压炉内进行热等静压处理；(5)热等静压处理后，去除包套材料和芯棒，再对附着涂层的喷管毛坯进行精加工得本发明产品。本发明还提供这种制备方法的专用设备。本发明方法不仅适用于内孔尺寸较大的喷管，而且适用于内孔尺寸较小且对涂层有特殊要求的喷管。

Description

一种火箭发动机喷管的制备方法以及其专用设备
技术领域
本发明涉及一种火箭发动机喷管的制备方法；本发明还涉及这种制备方法的专用设备。
背景技术
现有的喷管承受的压力在十几个兆帕左右，采用不加涂层的钼喷管完全能达到要求。最接近的现有技术中的喷管的制备方法为：通过机械加工的方法制备金属外壳，再通过等离子喷涂或者化学气相沉积的方法在金属外壳的内孔上制备涂层；这种方法只能适用于内孔尺寸较大的喷管，特别是等离子喷涂方法很难制备多层复合涂层结构，同时也存在涂层不够致密和涂层与金属外壳的结合力不够好等问题。
某种高压火箭发动机喷管需要在高压(30～50MPa)、高过载(1600～1800m/s2)和高转速(11000～16000转/分钟)的环境下工作，其需要满足抗高温、抗烧蚀、抗高速燃烧气体和颗粒的冲刷(700～1600)m/s的要求。只有在喷管的内壁喷涂上抗烧蚀、抗冲刷的涂层才能够达到这种要求。
由于上述的某种高压火箭发动机喷管的尺寸比常规的喷管尺寸小，喉部尺寸仅为Φ8mm，且为拉瓦尔管状结构，常规等离子喷涂方法很难在这种内孔复杂的曲面上均匀、可靠地制备抗高温、抗冲刷的涂层；并且由于等离子喷涂方法工艺的限制，更难以在内孔制备多层复合涂层结构。
发明内容
本发明的目的在于提供一种火箭发动机喷管的制备方法，其不仅能制备一般的火箭发动机喷管，而且适用于制备某种小尺寸的抗高温、抗烧蚀、抗高速燃烧气体和颗粒冲刷的高压火箭发动机喷管。
本发明的另一目的在于提供这种制备方法中的专用设备。
本发明的目的是这样实现的：一种火箭发动机喷管的制备方法，它包括以下步骤：
(1)制备所述火箭发动机喷管的毛坯和制备所述毛坯的芯棒；
(2)在所述芯棒表面喷涂涂层后，对芯棒的表面进行磨削加工，并将磨削后的芯棒与所述毛坯进行配车；
(3)将磨削后的芯棒与所述毛坯在压机上配装；然后将装配好的整体进行包套处理；
(4)将包套处理好的整体在热等静压炉内进行热等静压处理；
(5)热等静压处理后，去除包套材料和芯棒，再对附着涂层的喷管毛坯进行精加工得本发明产品。
上述步骤(1)中：所述毛坯的材料可以选择高强钢或钼。
在芯棒的选择过程中，发明人在铝合金、锡铋合金、石膏、树脂砂、钢管、盐芯和石墨等基体上进行了涂层等离子喷涂工艺试验，并进行了去除芯棒材料工艺试验，试验结果见表1所示，优选出工艺可靠、易于实施的石墨作为芯棒材料。
             表1 芯棒材料选择试验结果
 
材料 试验情况及结果
铝合金 喷涂涂层后，用碱腐蚀剂去除芯棒，效果良好，但时间长。
铜 喷涂涂层后，用酸腐蚀，能去除基体，但对涂层质量有影响。
钢 喷涂涂层后，用酸腐蚀，去除基体速度太慢。
氯化钠 涂层内表面质量不易控制。
石墨 喷涂涂层质量好，采用机械去除法去除基体，效果较好。
锡铋合金 用熔化的方式去除，涂层易开裂。
石蜡 用熔化的方式去除，效果良好。
上述步骤(2)中：在所述芯棒表面喷涂涂层是采用等离子喷涂法在芯棒表面喷涂上以金属粉末为最外层的涂层。本发明中强调在最外层涂上金属粉末，主要是为了在后续的热等静压处理过程中，最外层的金属粉末层易于与同样为金属的喷管毛坯融合为一体；所以最外层的金属粉末与喷管的毛坯为同一种金属时效果最佳。喷涂材料可以为各种常规的材料，按照工作条件的对喷管的质量要求进行选择。喷涂的厚度也是根据喷管的要求来确定。
上述配车的过盈量一般为0.01mm～0.02mm。
上述步骤(3)中：所述包套处理是为了后续的热等静压处理的需要，发明人进行了大量的热等静压包套材料选择试验，试验结果见表2所示；最后发明人优选使用钼作为包套材料。
              表2 包套材料及方法选择试验结果
 
包套材料 包套方法 试验情况及结果
不锈钢板 真空扩散焊接 不锈钢与等静压设备石墨加热气氛在1100℃左右反应生成渗碳体。
镍板玻璃 真空扩散焊接 Ni会和玻璃中的某些元素形成共晶体，降低了熔点，从而失去包套作用。
玻璃管 真空封接 热等静压时，包覆在喷管表面的玻璃液膜会流失，从而失去包套作用。
钼板 真空扩散焊接 真空扩散焊能保证焊接接头的密封性，热等静压效果良好。
上述步骤(4)中：所述热等静压处理是按常规方法，将所述包套好的整体及玻璃渣放入石墨坩埚内，再将石墨坩埚放入热等静压炉内进行处理；通过热等静压处理，使得涂层更加致密化，同时涂层与喷管毛坯结合力更强。
上述步骤(5)中：所述的去除芯棒是采用机械加工的方法去除。
上述火箭发动机喷管的制备方法，最优选的方案为：步骤(1)中，所述毛坯的材料为钼；步骤(2)中，所述涂层为以钽粉为底层，中间为氧化锆粉和钼粉的交替分布层，以钼粉为最外层的涂层。选择钼为毛坯材料同时选择钼粉为涂层的最外层，是为了在后面的热等静压处理中涂层与喷管毛坯的结合容易。选择钽粉为底层，是因为钽粉易于与石墨在热等静压处理过程中生成一层致密的碳化钽，而碳化钽是一种熔点极高的化合物，去除芯棒以后，碳化钽层就是喷管涂层的最外层，使得喷管能够极好地满足抗高温、抗烧蚀、抗高速燃烧气体和颗粒冲刷的要求。氧化锆粉和钼粉的交替涂层中部分也与石墨反应生成了碳化锆和碳化钼。氧化锆粉和钼粉的交替层的厚度根据喷管的需要决定。
上述火箭发动机喷管的制备方法，为了达到最好的效果，更优选的方案为：步骤(2)中，在所述芯棒表面喷涂涂层之前，对所述石墨芯棒采用汽油去油、丙酮脱脂，除去所述石墨芯棒表面上的所有污物，再将所述石墨芯棒放入电炉中在450℃～500℃下烘烤1小时，烧去石墨中易挥发的汽油和丙酮；在所述芯棒表面喷涂涂层之前，将喷涂用粉末置入烘箱中，在120℃下烘30min以上，再用120目的分样筛过筛，去除筛余物；步骤(3)中，在所述配装之前，将所述磨削后的芯棒与所述毛坯清洗好，再将所述本体毛坯放入烘箱内加热到180℃±15℃，保温2h。
上述的火箭发动机喷管的制备方法，所述热等静压处理工艺参数优选为如下：其中所述热等静压处理的的温度与时间的关系为：升温12分钟，将温度升至1000℃后保温15分钟；再升温7分钟，将温度升至1400℃后保温35分钟；然后降温3分钟将温度降至1200℃后保温20分钟；再降温7分钟将温度降至950℃，保温15分钟后，再持续降温120分钟将温度逐步降至室温；所述热等静压处理的压力与时间的关系为：压力设置为20MPa进行预压处理20分钟；然后继续升压16分钟，在温度达到1400℃之后5分钟使压力达80MPa后保持35分钟；再降压4分钟将压力降至40MPa后保持15分钟；再降压7分钟将压力降至20MPa并一直保持至温度冷却至室温时。
本发明的另一目的是这样实现的：上述火箭发动机喷管的制备方法中的专用设备，即一种芯棒，其特征在于：它包括收敛段、喉部和扩张段，上述的收敛段、喉部和扩张段为一体的；其各部分形状及大小一一对应于所制得的喷管的内孔部分。
为了机械加工的方便以及在芯棒上喷涂均匀可靠，在芯棒的两端分别设置有两个圆柱，在所述收敛段的末端依次设置圆柱A和圆柱B，在所述扩张段的末端依次设置圆柱C和圆柱D；所述圆柱A的直径等于所述收敛段的最大直径，所述圆柱B的直径大于所述收敛段的最大直径，所述圆柱C的直径等于所述扩张段的最大直径，所述圆柱D的直径大于所述扩张段的最大直径。
上述增设的圆柱A、B、C、D在芯棒喷涂上涂层并装配到喷管毛坯之后通过机械方法切除。
由于后续的机械去除方便，同时可以产生高熔点的化合物，上述芯棒优选为石墨芯棒。
本发明的有益效果为：
1、本发明方法不仅适用于内孔尺寸较大的喷管，而且适用于内孔尺寸较小且对涂层有特殊要求的喷管；
2、本发明方法在制备喷管的选材上，不仅可以选择钼，还可以选择高强钢，克服了现有技术中制备高要求的喷管时局限于选择价格昂贵的钼喷管的缺点；
3、本发明方法，对于喷管涂层可以根据要求确定喷涂材料及喷涂厚度，能满足各种工作环境的需要；
4、本发明方法优选石墨芯棒，在芯棒上喷涂时以钽粉为底层，生成的碳化钽是一种熔点极高、硬度极强的化合物；通过热等静压处理和机械加工去除芯棒，使碳化钽转化为喷管涂层的最外层，制得的喷管极好地满足了某型号高压火箭发动机的抗高温、抗冲刷、抗烧蚀的要求；
5、本发明方法通过反向制备技术将内孔的涂层制备转化为芯棒体表面涂层制备，能够轻松的制备出多层复合涂层结构，同时通过热等静压致密化技术得到更致密的涂层，最终制备出优质的高比冲固体火箭发动机喷管；
6、本发明方法制得的喷管内孔涂层表面光洁且厚度均匀，涂层与喷管毛坯的结合力强，能够确保喷管隔热、抗燃气冲刷作用；本发明方法改进了喷管涂层的结构，提高了涂层的致密性，从而进一步提高了喷管的性能，提高导弹的飞行速度和射程；本发明制得的喷管能够满足3000K～3700K高温下抗烧蚀、抗高速燃烧气体和颗粒的冲刷(700～1600)m/s的要求，在3700K高温的工作条件下，喷管的喉部增大量仅为0.3mm以下，完全能够满足高比冲固体火箭发动机的要求。
附图说明
图1为本发明的喷管毛坯结构示意图；
图2为本发明的石墨芯棒示意图；
图3为石墨芯棒喷涂涂层结构示意图；
图4为本发明的喷管毛坯和涂层芯棒配装示意图；
图5为本发明的喷管包套示意图；
图6为本发明的喷管最终结构示意图；
图7为本发明实施例1的热等静压工艺曲线图；
图中：1、收敛段；2、喉部；3、扩张段；4、圆柱A；5、圆柱B；6、圆柱C；7、圆柱D；8、涂层；9、包套材料；10、喷管；11、芯棒。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例的方式进一步说明本发明，并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例1
一种火箭发动机喷管的制备方法，它包括以下步骤：
(1)以钼为材料制备如图1所示的火箭发动机喷管的毛坯；同时制备如图2所示的与制备的喷管内孔配合的石墨芯棒；
(2)将上述石墨芯棒采用汽油去油、丙酮脱脂，除去所述石墨芯棒表面上的所有污物，再将所述石墨芯棒放入电炉中在450℃～500℃下烘烤1小时，烧去石墨中易挥发的汽油和丙酮；与此同时，将喷涂用钽粉、钼粉和氧化锆粉置入烘箱中，在120℃下烘30min以上，再用120目的分样筛过筛，去除筛余物；
然后用等离子喷涂法在芯棒表面喷涂上钽粉、氧化锆粉与钼粉，其中与芯棒接触的一层为钽粉层，中间为氧化锆粉与钼粉交替分布层，最外层为钼粉层；喷涂涂层后的芯棒结构如图3所示；
最后对芯棒的表面的涂层进行磨削加工，并将磨削后的芯棒与所述毛坯进行配车，配车的过盈量为0.01mm～0.02mm；
(3)将所述磨削后的芯棒与所述毛坯清洗好，再将所述本体毛坯放入烘箱内加热到180℃±15℃，保温2h；
然后将磨削后的芯棒与所述毛坯在压机上配装；装配好的结构如图4所示；然后用钼板作为包套材料，将装配好的整体进行包套处理；包套处理后的结果如图5所示；
(4)将所述包套好的整体及玻璃渣放入石墨坩埚内，再将石墨坩埚放入热等静压炉内进行热等静压处理；
上述热等静压处理的的温度与时间的关系为：升温12分钟，将温度升至1000℃后保温15分钟；再升温7分钟，将温度升至1400℃后保温35分钟；然后降温3分钟将温度降至1200℃后保温20分钟；再降温7分钟将温度降至950℃，保温15分钟后，再持续降温120分钟将温度逐步降至室温；所述热等静压处理的压力与时间的关系为：压力设置为20MPa进行预压处理20分钟；然后继续升压16分钟，在温度达到1400℃之后5分钟使压力达80MPa后保持35分钟；再降压4分钟将压力降至40MPa后保持15分钟；再降压7分钟将压力降至20MPa并一直保持至温度冷却至室温时；热等静压处理曲线图如图7所示；
(5)热等静压处理后，用机械方法去除包套材料和芯棒，再对附着涂层的喷管毛坯进行精加工得本发明产品，如图6所示。
实施例2
一种火箭发动机喷管的制备方法，其具体步骤和工艺参数同实施例1，不同点在于：采用高强钢为材料制备火箭发动机喷管毛坯。
实施例3
如图2所示，一种芯棒，其特征在于：它包括收敛段1、喉部2和扩张段3；在芯棒的两端分别设置有两个圆柱，在所述收敛段1的末端依次设置圆柱A4和圆柱B5，在所述扩张段3的末端依次设置圆柱C6和圆柱D7；所述圆柱A4的直径等于所述收敛段1的最大直径，所述圆柱B5的直径大于所述收敛段1的最大直径，所述圆柱C6的直径等于所述扩张段3的最大直径，所述圆柱D7的直径大于所述扩张段3的最大直径；上述芯棒为石墨芯棒。

Claims (7)

1.一种火箭发动机喷管的制备方法，它包括以下步骤：  
    (1)制备所述火箭发动机喷管的毛坯和制备所述毛坯的芯棒； 所述芯棒包括收敛段(1)、喉部(2)和扩张段(3)； 所述收敛段和所述扩张段分别设置在芯棒的两端，在所述收敛段(1)的末端依次设置圆柱A(4)和圆柱B(5)，在所述扩张段(3)的末端依次设置圆柱C(6)和圆柱D(7)；所述圆柱A(4)的直径等于所述收敛段(1)的最大直径，所述圆柱B(5)的直径大于所述收敛段(1)的最大直径，所述圆柱C(6)的直径等于所述扩张段(3)的最大直径，所述圆柱D(7)的直径大于所述扩张段(3)的最大直径；
    (2)在所述芯棒表面喷涂涂层后，对芯棒表面的涂层进行磨削加工，并将磨削后的芯棒与所述毛坯进行配车；  
    (3)将表面涂层磨削后的芯棒与所述毛坯在压机上配装；然后将装配好的整体进行包套处理；  
    (4)将包套处理好的整体在热等静压炉内进行热等静压处理；  
    (5)热等静压处理后，去除包套材料和芯棒，再对附着涂层的喷管毛坯进行精加工得到喷管。
2.  根据权利要求1所述的火箭发动机喷管的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述毛坯的材料为高强钢或钼；所述芯棒的材料为石墨；步骤(2)中在所述芯棒表面喷涂涂层是用等离子喷涂法在芯棒表面喷涂上以金属粉末为最外层的涂层；配车的过盈量为0.01mm～0.02mm；步骤(3)中，所述包套处理使用钼作为包套材料；步骤(4)中，所述热等静压处理是将所述包套处理好的整体及玻璃渣放入石墨坩埚内，再将石墨坩埚放入热等静压炉内进行处理；步骤(5)中，所述的去除芯棒采用机械加工去除。
3. 根据权利要求2所述的火箭发动机喷管的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述毛坯的材料为钼；步骤(2)中，所述涂层为以钽粉为底层，中间为氧化锆粉和钼粉的交替分布层，以钼粉为最外层的涂层。
4. 根据权利要求2或3所述的火箭发动机喷管的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，在所述芯棒表面喷涂涂层之前，对所述石墨芯棒采用汽油去油、丙酮脱脂，除去所述石墨芯棒表面上的所有污物，再将所述石墨芯棒放入电炉中在450℃～500℃下烘烤1小时，烧去石墨中易挥发的汽油和丙酮；在所述芯棒表面喷涂涂层之前，将喷涂用粉末置入烘箱中，在120℃下烘30min以上，再用120目的分样筛过筛，去除筛余物；步骤(3)中，在所述配装之前，将所述磨削后的芯棒与所述毛坯清洗好，再将所述毛坯放入烘箱内加热到180℃±15℃，保温2h。
5. 根据权利要求4所述的火箭发动机喷管的制备方法，其特征在于：步骤(4)中，所述热等静压处理的的温度与时间的关系为：升温12分钟，将温度升至1000℃后保温15分钟；再升温7分钟，将温度升至1400℃后保温35分钟；然后降温3分钟将温度降至1200℃后保温20分钟；再降温7分钟将温度降至950℃，保温15分钟后，再持续降温120分钟将温度逐步降至室温；所述热等静压处理的压力与时间的关系为：压力设置为20MPa进行预压处理20分钟；然后继续升压16分钟，在温度达到1400℃之后5分钟使压力达80MPa后保持35分钟；再降压4分钟将压力降至40MPa后保持15分钟；再降压7分钟将压力降至20MPa并一直保持至温度冷却至室温时。
6.  一种芯棒，其特征在于：它包括收敛段(1)、喉部(2)和扩张段(3)；所述收敛段和所述扩张段分别设置在芯棒的两端，在所述收敛段(1)的末端依次设置圆柱A(4)和圆柱B(5)，在所述扩张段(3)的末端依次设置圆柱C(6)和圆柱D(7)；所述圆柱A(4)的直径等于所述收敛段(1)的最大直径，所述圆柱B(5)的直径大于所述收敛段(1)的最大直径，所述圆柱C(6)的直径等于所述扩张段(3)的最大直径，所述圆柱D(7)的直径大于所述扩张段(3)的最大直径。
7.  根据权利要求6所述的芯棒，其特征在于：所述芯棒为石墨芯棒。
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