CN104525670B - 一种铼铱发动机燃烧室内壁防护铂铑环的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种铼铱发动机燃烧室内壁防护铂铑环的制备方法，采用内旋压方式实现设计厚度铂铑环制备，通过设计工装模具‑旋压成型‑脱模‑装配的方式实现燃烧室内壁铂铑环制备，并确保铂铑环与燃烧室内壁结合紧密，采用此方法制备铂铑环后，可保证铼铱发动机工作过程中推进剂及其氧化的中间产物不与铱涂层接触，防止出现热坑，确保发动机工作至要求寿命；将此铂铑环用于铼铱燃烧室后，在试验过程中完全杜绝了甲基肼对铱涂层的腐蚀，并且试验结束后，铂铑合金表面状态良好，未发生任何腐蚀或烧蚀现象，确保了铼铱发动机的可靠、稳定工作。

Description

一种铼铱发动机燃烧室内壁防护铂铑环的制备方法
技术领域
本发明涉及一种铼铱发动机燃烧室内壁防护铂铑环的制备方法，属于表面工程技术领域。
背景技术
小推力双组元液体火箭发动机主要应用于空间飞行器及战略战术武器的姿态及轨道控制，推力室内燃料燃烧温度可达2700℃，采用内壁面液膜主动冷却技术后但壁面温度仍然高于1000℃，因此为保证发动机推力室的高温强度要求，必须采用高温难熔金属(Nb、Ta、W、Mo、Re及铂等)材料作为身部材料，但是这类材料高温抗氧化性能很差，如铌合金在600℃以上就会发生“pest”灾难性氧化，不能直接面对燃烧环境，必须在材料表面涂覆高温抗氧化涂层进行防护。
难熔金属表面涂覆高温抗氧化涂层技术自20世纪50年代开始发展，至今形成了多类材料体系，取得型号应用的主要包括：铌铪合金涂覆硅化物涂层，铌钨合金涂覆硅化物涂层，铂铑推力室以及Re基材+Ir涂层。上述材料体系应用于发动机推力室，其长时工作(一般指2万秒以上)许用工作温度依次提高，分别为1370℃、1600℃、1750℃、2200℃。因此，铼铱材料是目前性能最高的发动机推力室材料，以美国的R-4D-16发动机为例，其推力为445N，发动机比冲可达到235s以上，较铌铪合金推力室提高20s，可大幅延长卫星寿命或提高有效载荷或增大武器射程，具有极其显著的经济价值和军事意义。
铼铱材料应用于发动机推力室，铼作为基材，铱作为涂层。铱的熔点为2447℃，氧渗透率低(10-14gcm-1s-1)，确保其在2200℃下长时间工作。目前面临的问题是，使用铼铱材料的发动机均采用肼类推进剂，该推进剂与铱接触即发生相溶性反应，导致铱涂层快速失效进而裸露铼基材造成推力室失效。在发动机试车过程中，这一问题表现为在点火后数百秒时间内，推进剂中作为主动冷却的部分喷射到燃烧室内壁位置出现“热坑”，国外称之为“hot pit”。因此，为保证铼铱发动机的正常长时工作，必须对该位置进行防护，隔绝未氧化的推进剂以及未完全氧化的推进剂与铱涂层的接触。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种铼铱发动机燃烧室内壁防护铂铑环的制备方法，采用该方法制备铂铑环后装配于发动机燃烧室内壁，可保证铼铱发动机工作过程中推进剂及其氧化的中间产物不与铱涂层接触，防止出现热坑，确保发动机工作至要求寿命。
本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：
一种铼铱发动机燃烧室内壁防护铂铑环的制备方法，包括如下步骤：
步骤(一)、制备工装
(1)、制备第一旋压工装组件和第二旋压工装组件，所述第一旋压工装组件为圆筒结构，内壁设有与铼铱发动机燃烧室内壁相匹配的装配台阶，且一端的端面上均布有若干个螺纹孔；所述第二旋压工装组件为与第一旋压工装组件的圆筒结构相匹配的圆环结构，且一端的端面上均布有若干个通孔；
(2)、制备车床用加工旋轮，所述加工旋轮包括旋轮柄和旋轮，旋轮套装在旋轮柄的一端，旋轮为圆环结构；
步骤(二)、内壁旋压
(3)、将第一旋压工装组件装卡于车床，将圆筒形的铂铑管件装入第一旋压工装组件内，并留出部分管件于第一旋压工装组件端面外；
(4)、使用加工旋轮自铂铑管件内壁挤压铂铑管件，形成翻边；
(5)、将第二旋压工装组件用螺栓装配在第一旋压工装组件开有螺纹孔的端面上，使第二旋压工装组件压紧翻边后的铂铑管件；
(6)、调节加工旋轮的转速，进行多道次铂铑管件内表面旋压，直至铂铑管件的长度达到要求值；
(7)、拆除第二旋压工装组件；
步骤(三)、工装腐蚀去除
将装有旋压完成的铂铑管件的第一旋压工装组件浸泡于酸液中，直至第一旋压工装组件完全腐蚀去除，得到铂铑环；
步骤(四)、铂铑环安装
将铂铑环装配于铼铱发动机燃烧室内壁面。
在上述铼铱发动机燃烧室内壁防护铂铑环的制备方法中，旋轮柄为圆柱结构，圆柱外径与旋轮圆环结构的内径相匹配，旋轮为截面圆形的圆环结构。
在上述铼铱发动机燃烧室内壁防护铂铑环的制备方法中，第一旋压工装组件和第二旋压工装组件由高碳钢棒料制备得到。
在上述铼铱发动机燃烧室内壁防护铂铑环的制备方法中，步骤(二)的(6)中，调节加工旋轮转速为160-200r/min，每道次进给量为0.1-0.2mm，进行多道次铂铑管件内表面旋压，直至铂铑管件的长度达到要求值。
在上述铼铱发动机燃烧室内壁防护铂铑环的制备方法中，步骤(三)中的酸液由硫酸与盐酸混合得到，混合后硫酸的体积浓度为5-10％，盐酸的体积浓度为10-15％。
在上述铼铱发动机燃烧室内壁防护铂铑环的制备方法中，铂铑管件的合金要求为：Pt质量百分比含量89-91％，Rh质量百分比含量11-9％。
在上述铼铱发动机燃烧室内壁防护铂铑环的制备方法中，铂铑管件的厚度为0.5-0.7mm，外径为Ф44.5-44.7mm。
在上述铼铱发动机燃烧室内壁防护铂铑环的制备方法中，第一旋压工装组件和第二旋压工装组件的内径为：待装配的铼铱发动机燃烧室内壁面内径实测值增加0.01mm～0.02mm。
在上述铼铱发动机燃烧室内壁防护铂铑环的制备方法中，步骤(四)中将脱模后的铂铑环直接装配于发动机燃烧室内壁面，采用轻微敲击或对铂铑环外表面进行打磨，确保铂铑环与燃烧室内壁紧密结合。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)、本发明采用内旋压方式实现设计厚度铂铑环制备，通过设计工装模具-旋压成型-脱模-装配的方式实现燃烧室内壁铂铑环制备，并确保铂铑环与燃烧室内壁结合紧密，采用此方法制备铂铑环后，可保证铼铱发动机工作过程中推进剂及其氧化的中间产物不与铱涂层接触，防止出现热坑，确保发动机工作至要求寿命；
(2)、本发明通过设计专用工装及专用的加工旋轮，并配合精准设计的内壁旋压工艺和工装腐蚀工艺，制备出了与铼铱燃烧室内壁完全贴合并具有较高质量的铂铑环，将此铂铑环用于铼铱燃烧室后，在试验过程中完全杜绝了甲基肼对铱涂层的腐蚀，并且试验结束后，铂铑合金表面状态良好，未发生任何腐蚀或烧蚀现象，确保了铼铱发动机的可靠、稳定工作；
(3)、本发明选择铂铑合金作为隔绝材料，主要考虑铂铑的熔点较高，在1800℃以上，可以满足铼铱发动机工作的高温环境需求，同时铂铑合金不与肼类推进剂发生反应，性质稳定。
附图说明
图1为本发明铂铑环制备工艺流程图；
图2为本发明用于制备铂铑环的PtRh10管型件结构示意图；
图3为本发明加工旋轮结构示意图，其中图3a为加工旋轮外形图，图3b为加工旋轮剖面图；
图4为本发明第一旋压工装组件结构示意图；
图5为本发明铂铑管件装入第一旋压工装组件后示意图；
图6为本发明图5状态下加装第二旋压工装组件后示意图；
图7为本发明旋压完成并酸洗去除工装后的铂铑环示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
如图1所示为本发明铂铑环制备工艺流程图，本发明铼铱发动机燃烧室内壁防护铂铑环的制备方法主要为工装设计加工、铂铑旋压、酸洗去除工装、铂铑环装配，具体如下：
步骤(一)、制备工装
(1)、制备第一旋压工装组件1和第二旋压工装组件2，如图4所示为本发明第一旋压工装组件结构示意图，第一旋压工装组件1为圆筒结构，内壁设有与发动机燃烧室内壁相匹配的装配台阶，且一端的端面上均布有若干个螺纹孔3。
第二旋压工装组件2为与第一旋压工装组件1的圆筒结构相匹配的圆环结构，且一端的端面上均布有若干个通孔。第一旋压工装组件1和第二旋压工装组件2由高碳钢棒料制备得到。第一旋压工装组件1和第二旋压工装组件2的内径为待装配的发动机燃烧室内壁面内径实测值增加0.01mm～0.02mm。
(2)、制备车床用加工旋轮5，如图3所示为本发明加工旋轮结构示意图，其中图3a为加工旋轮外形图，图3b为加工旋轮剖面图，加工旋轮5包括旋轮柄6和旋轮7，旋轮柄6为圆柱结构，旋轮7为圆环结构，旋轮柄6圆柱外径与旋轮7圆环结构的内径相匹配，旋轮柄6的一端装卡在旋轮7的圆环空腔内，旋轮7为截面圆形的圆环结构。
步骤(二)、内壁旋压
(3)、将第一旋压工装组件1装卡于车床，将圆筒形的铂铑管件8装入第一旋压工装组件1内，并留出部分管件于第一旋压工装组件1端面外。如图2所示为本发明用于制备铂铑环的PtRh10管型件结构示意图。铂铑管件8的合金要求为：Pt质量百分比含量89-91％，Rh质量百分比含量11-9％。铂铑管件8的厚度为0.5-0.7mm，外径为Ф44.5-44.7mm。
(4)、使用加工旋轮5自铂铑管件8内壁挤压铂铑管件8，形成翻边9，如图5所示为本发明铂铑管件装入第一旋压工装组件后示意图。
(5)、将第二旋压工装组件2用螺栓10装配在第一旋压工装组件1开有螺纹孔3的端面上，使第二旋压工装组件2压紧翻边后的铂铑管件8。如图6所示为本发明图5状态下加装第二旋压工装组件后示意图。
(6)、调节加工旋轮5的转速为160-200r/min，每道次进给量为0.1-0.2mm，进行多道次铂铑管件8内表面旋压，直至铂铑管件8的长度达到要求值；
(7)、拆除第二旋压工装组件2。
步骤(三)、工装腐蚀去除
将装有旋压完成的铂铑管件8的第一旋压工装组件1浸泡于酸液中，酸液由硫酸与盐酸混合得到，混合后硫酸的体积浓度为5-10％，盐酸的体积浓度为10-15％。直至第一旋压工装组件1完全腐蚀去除，得到铂铑环；如图7所示为本发明旋压完成并酸洗去除工装后的铂铑环示意图。
步骤(四)、铂铑环安装
将脱模后的铂铑环直接装配于发动机燃烧室内壁面，采用轻微敲击或对铂铑环外表面进行打磨，确保铂铑环与燃烧室内壁结合紧密。
实施例1
一、管型坯件准备：如图2所示，市场采购厚度为0.7mm，长度10mm，外径为Ф44.6mm的PtRh10管型件。
二、旋压工艺在普通车床上实现，设计加工旋轮5的直径为D＝Ф15mm，d＝Ф6mm,如图3。
三、工装设计加工
1、第一旋压工装组件1的制备
(1)、选用45#高碳钢棒料：外径为Ф60mm，长度50mm；
(2)、以需要装配的燃烧室产品内径为内径尺寸、Ф56mm为外径尺寸、40mm为长度加工步骤(1)所选棒料，并且加工随产品内形面变化的装配台阶。
(3)、在步骤(2)加工完成的基础上，管型工装端面加工4个深度为10mm的M3螺纹孔3，完成第一旋压工装组件1的制备，如图4所示。
(4)、采用步骤(2)加工后的余料加工外径Ф56mm，内径Ф45mm，厚度为5mm的圆环，端面加工4个Ф3.5mm的通孔，4个通孔与4个M3螺纹孔3位置相对应，完成第二旋压工装组件2的制备。
(5)、选取M3、长度10mm的外六角螺栓4件备用。
四、内壁旋压
(1)、将第一旋压工装组件1装卡于车床，将铂铑管件8装入其中并留2mm与工装组件1端面外；
(2)、使用加工旋轮5自铂铑管件8内壁缓缓挤压铂铑管件8，形成2mm翻边，如图5所示；
(3)、将第二旋压工装组件2用螺栓10装配与第一旋压组件1上，使第二旋压组件2压紧翻边后的铂铑管件8，如图6所示；
(4)、调节旋轮转速为160r/min，每道次进给量为0.1mm，进行多道次内表面旋压，直至铂铑环长度达到25mm；
(5)、拆除第二旋压工装组件2
五、工装腐蚀去除
(1)、配制酸液1L，硫酸体积浓度5％，盐酸体积浓度15％；
(2)、将装有旋压完成铂铑管件8的第一旋压工装组件1浸泡于酸液中，直至碳钢完全腐蚀去除，得到铂铑环。
六、铂铑环安装
(1)、将(五)中获得的铂铑环使用蒸馏水清洗，吹干，如图7所示；
(2)、将铂铑环装配与燃烧室内表面，可轻微敲击协助装配。在装配过程中，允许使用砂纸对铂铑环外壁面进行轻微打磨以满足装配需求。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种铼铱发动机燃烧室内壁防护铂铑环的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤(一)、制备工装
(1)、制备第一旋压工装组件(1)和第二旋压工装组件(2)，所述第一旋压工装组件(1)为圆筒结构，内壁设有与铼铱发动机燃烧室内壁相匹配的装配台阶，且一端的端面上均布有若干个螺纹孔(3)；所述第二旋压工装组件(2)为与第一旋压工装组件(1)的圆筒结构相匹配的圆环结构，且一端的端面上均布有若干个通孔；
(2)、制备车床用加工旋轮(5)，所述加工旋轮(5)包括旋轮柄(6)和旋轮(7)，旋轮(7)套装在旋轮柄(6)的一端，旋轮(7)为圆环结构；
步骤(二)、内壁旋压
(3)、将第一旋压工装组件(1)装卡于车床，将圆筒形的铂铑管件(8)装入第一旋压工装组件(1)内，并留出部分管件于第一旋压工装组件(1)端面外；
(4)、使用加工旋轮(5)自铂铑管件(8)内壁挤压铂铑管件(8)，形成翻边(9)；
(5)、将第二旋压工装组件(2)用螺栓(10)装配在第一旋压工装组件(1)开有螺纹孔(3)的端面上，使第二旋压工装组件(2)压紧翻边后的铂铑管件(8)；
(6)、调节加工旋轮(5)的转速，进行多道次铂铑管件(8)内表面旋压，直至铂铑管件(8)的长度达到要求值；
(7)、拆除第二旋压工装组件(2)；
步骤(三)、工装腐蚀去除
将装有旋压完成的铂铑管件(8)的第一旋压工装组件(1)浸泡于酸液中，直至第一旋压工装组件(1)完全腐蚀去除，得到铂铑环；
步骤(四)、铂铑环安装
将铂铑环装配于铼铱发动机燃烧室内壁面。
2.根据权利要求1所述的一种铼铱发动机燃烧室内壁防护铂铑环的制备方法，其特征在于：所述旋轮柄(6)为圆柱结构，圆柱外径与旋轮(7)圆环结构的内径相匹配，旋轮(7)为截面圆形的圆环结构。
3.根据权利要求1所述的一种铼铱发动机燃烧室内壁防护铂铑环的制备方法，其特征在于：所述第一旋压工装组件(1)和第二旋压工装组件(2)由高碳钢棒料制备得到。
4.根据权利要求1所述的一种铼铱发动机燃烧室内壁防护铂铑环的制备方法，其特征在于：所述步骤(二)的(6)中，调节加工旋轮(5)转速为160-200r/min，每道次进给量为0.1-0.2mm，进行多道次铂铑管件(8)内表面旋压，直至铂铑管件(8)的长度达到要求值。
5.根据权利要求1所述的一种铼铱发动机燃烧室内壁防护铂铑环的制备方法，其特征在于：所述步骤(三)中的酸液由硫酸与盐酸混合得到，混合后硫酸的体积浓度为5-10％，盐酸的体积浓度为10-15％。
6.根据权利要求1所述的一种铼铱发动机燃烧室内壁防护铂铑环的制备方法，其特征在于：所述铂铑管件(8)的合金要求为：Pt质量百分比含量89-91％，Rh质量百分比含量11-9％。
7.根据权利要求1或6所述的一种铼铱发动机燃烧室内壁防护铂铑环的制备方法，其特征在于：所述铂铑管件(8)的厚度为0.5-0.7mm，外径为Ф44.5-44.7mm。
8.根据权利要求1所述的一种铼铱发动机燃烧室内壁防护铂铑环的制备方法，其特征在于：所述第一旋压工装组件(1)和第二旋压工装组件(2)的内径为：待装配的铼铱发动机燃烧室内壁面内径实测值增加0.01mm～0.02mm。
9.根据权利要求1所述的一种铼铱发动机燃烧室内壁防护铂铑环的制备方法，其特征在于：所述步骤(四)中将脱模后的铂铑环直接装配于发动机燃烧室内壁面，采用轻微敲击或对铂铑环外表面进行打磨，确保铂铑环与燃烧室内壁紧密结合。
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