CN104874985B - 高温合金多孔精密喷注器的制造方法 - Google Patents

高温合金多孔精密喷注器的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高温合金多孔精密喷注器的制造方法，它包括如下步骤：将液氧喷嘴与喷注器中底和喷注器本体组合设计成整体的第一组合件；将燃料喷嘴与喷注器下底组合设计成整体的第二组合件；将第一组合件与第二组合件进行焊接形成第三组合件；对检测合格的第三组合件进行去应力退火；将整流板、喷注器上底和点火通道套管一次装夹完成后进行加工；按设计精加工液氧喷嘴和燃料喷嘴；将整流板、喷注器上底及点火通道套管与所述第三组合件进行焊接，并精加工各焊接处；对合格产品洗净、烘干处理。该方法操作简单，工作效率高、产品合格率高。

Description

高温合金多孔精密喷注器的制造方法
技术领域
本发明涉及航天飞行器动力装置，具体是指一种高温合金多孔精密喷注器的制造方法。
背景技术
液体火箭发动机是航天飞行器的动力装置，由喷注器、燃烧室和尾喷管等主要部分组成。喷注器是液体火箭发动机系统中的关键部件，其功能作用是将液氧和液体燃料气化后均匀混合并点火燃烧，为航天飞行器提供动力。喷注器采用耐高温的合金材料制造而成，包括中心部位设置有点火通道套管的喷注器本体，所述喷注器上底、整流板、喷注器中底、喷注器下底自上而下依次焊接在喷注器本体上，如附图1所示，多个喷嘴设置在所述喷注器中底和喷注器下底之间。
传统的喷注器加工工艺流程为：零件加工→喷注器中底、喷注器下底、喷注器本体、喷嘴零件铜钎焊→检测→试验→其它零件焊接→检测→精加工→试验→产品包装。其中，喷注器中底、喷注器下底、喷注器本体、喷嘴零件铜钎焊是一个难题，难点之一是工艺复杂，零件加工时需要在焊接面之间留出均匀的铜箔钎料间隙，焊接前在焊接面间隙之间均匀填充铜箔钎料，加工和装配难度大，效率低。另一个难题，是钎焊难度大，焊接可靠性较差。焊接需要在真空室中加热完成，加热温度太高，则钎料熔化从焊接面间隙中流失，加热温度太低，则钎料焊接力下降，要保证几十个到数百个喷嘴焊接牢固可靠无渗漏十分困难，产品合格率较低。而喷嘴与喷注器中底的焊接可靠性非常重要，如果中底上喷嘴的焊缝有泄漏，就可能造成燃料泄露到液氧腔中混合燃烧爆炸，造成火箭试验或发射失败，并可能发生安全事故。
发明内容
本发明的目的就是要克服现有技术所存在的不足，提供一种高温合金多孔精密喷注器的制造方法，该方法操作简单，工作效率高、产品合格率高，
为实现上述目的，本发明所设计的高温合金多孔精密喷注器的制造方法，它包括如下步骤：
1)将液氧喷嘴与喷注器中底和喷注器本体组合设计成整体的第一组合件；
2)将燃料喷嘴与喷注器下底组合设计成整体的第二组合件；
3)将第一组合件与第二组合件进行焊接形成第三组合件，焊接处为喷注器下底与喷注器本体之间的本体下底接缝处，以及液氧喷嘴与燃料喷嘴之间的喷嘴接缝处；
4)对第三组合件进行水压强度试验、气密试验和检漏试验；
5)对检测合格的第三组合件进行去应力退火，加热温度为600～700℃，保温90～150min；
6)将整流板、喷注器上底和点火通道套管一次装夹完成后进行加工，加工时控制同轴度、垂直度误差在0.03mm以内；
所述整流板安装在点火通道套管的下端，且位于喷注器上底和喷注器中底之间；
7)按设计精加工液氧喷嘴和燃料喷嘴；
8)将整流板、喷注器上底及点火通道套管与所述第三组合件进行焊接，并精加工各焊接处，精加工时采用水基冷却液充分冷却，切削线速度为30～60m/min，进给量为0.1～0.3mm/r,切削深度为0.05～0.5mm；
9)对喷注器进行水压试验检漏和气密试验、；
10)对合格产品洗净、烘干处理。
优选地，步骤4)中，所述水压强度试验时，按照喷注器工作压力的1.2～1.8倍压力对第三组合件进行水压强度试验；所述气密试验时，按照喷注器的工作压力对第三组合件放入水中进行气密试验；所述检漏试验时，采用常规的氦质谱检漏方法，要求无泄漏，其中，氦质谱检漏仪的分辨精度应小于5×10-12Pa·m3/s；
再进一步地，步骤10)中，所述洗净操作时，先采用浓度为20～30g/L的盐酸溶液进行除锈处理，浸泡15～20s后清水洗净；然后采用浓度为80～120g/L的碳酸钠溶液进行除油处理，浸泡90～120s后清水洗净；再采用真空炉进行烘干处理，烘干加热温度300～360℃，加热时间120～240min。
本发明的高温合金多孔精密喷注器的制造方法，通过采用一系列专用方法，加工精度高，精密小孔完全满足产品设计精度要求；加工效率较高，工程实现容易，较传统的钎焊工艺提高效率1.5倍以上；产品可靠性好，电子束焊缝正常情况下不需返修。
附图说明
图1为高温合金多孔精密喷注器结构示意。
图2为图1的高温合金多孔精密喷注器仰视结构示意图。
图3为图2中E部放大结构示意图
图4为第一组合件结构示意图。
图5为第二组合件结构示意图。
图6为第一组合件与第二组合件焊接成第三组合件的焊接工序示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的高温合金多孔精密喷注器的制造方法作进一步的详细说明：
实施例1
针对某型号液体发动机推力室高温合金多孔精密喷注器如图1和图2和图3所示，其液氧喷嘴上的液氧喷孔71为φ2mm，个数为90个，燃料喷嘴上的燃料喷孔81为φ1mm，个数为180，喷注器外径φc为φ300mm，其制造方法包括以下步骤：
1)将90个液氧喷嘴7与喷注器中底4和喷注器本体6组合设计成第一组合件11的整体结构，液氧喷嘴7上液氧喷孔71设计成实体，如附图4所示；
2)将90个燃料喷嘴8(每个喷嘴上设置两个燃料喷孔81)与喷注器下底5组合设计成第二组合件12整体结构，燃料喷嘴8上180个燃料喷孔81设计成实体，如图5所示；
3)将第一组合件11与第二组合件12真空电子束焊接形成第三组合件13，如附图6所示，采用常规的X、Y两轴坐标数字控制真空电子束焊机，焊接处为喷注器下底5与喷注器本体6之间的本体下底接缝处B，以及液氧喷嘴7与燃料喷嘴8之间的喷嘴接缝处A；数字控制焊机X、Y两轴坐标行程应不小于本体直径φc；
4)对第三组合件13进行水压强度试验、气密试验和检漏试验：按照喷注器工作压力的1.2倍压力进行水压强度试验，观察组合件外观要求无变形和泄漏；气密试验时按照喷注器的工作压力放入水中进行气密试验，观察组合件外观要求无泄漏气泡；采用常规的氦质谱检漏方法进行氦质谱检漏，要求无泄漏；氦质谱检漏仪的分辨精度应小于5×10-12Pa·m3/s；
5)对检测合格的第三组合件13进行去应力退火，减小焊接应力，加热温度600℃，保温时间90min；
6)按设计精加工液氧喷嘴7上的液氧喷孔71和燃料喷嘴8的燃料喷孔81；数控加工喷孔时采用五轴加工中心加工；其中，燃料喷孔81底孔深度留1mm不钻通，以防止铁屑进入燃料腔无法清除；然后采用电火花电极加工打通燃料喷孔。加工时，采用旋转、倾斜两轴分度头装夹零件，分度头分度精度不大于1′；电火花加工采用铜电极，电极直径通过加工试验确定，比燃料喷孔小0.10mm；
7)将整流板3、喷注器上底2和点火通道套管1一次装夹完成后进行加工，加工时保证同轴度、垂直度误差不大于0.03mm；述整流板3安装在点火通道套管1的下端，且位于喷注器上底2和喷注器中底4之间；
8)将整流板3、喷注器上底2及点火通道套管1与所述第三组合件13进行焊接，采用常规的真空电子束方法焊接，焊接处为各零件的接触面，然后精加工各密封面和装配定位面的焊接处，针对镍基高温合金切削热量大、导热性差的特点，切削加工时采用水基冷却液充分冷却，并采用慢速、大进给、大切深的切削参数，以减少刀具磨损，提高加工效率和加工表面质量，切削线速度为30m/min，进给量为0.1mm/r,切削深度为0.05mm；
9)按照喷注器工作压力的1.2倍压力进行水压试验检漏，观察外观有无泄漏，如有泄漏处，采用手工氩弧焊对泄漏处进行补焊；按照喷注器的工作压力放入清洁的水中进行气密试验，观察组合件外观要求无泄漏气泡；
10)对合格产品进行除锈、除油、清洗、烘干洗净处理，采用质量浓度为20g/L的盐酸溶液进行除锈处理，浸泡时间15s，然后放入清水槽中冲洗；采用质量浓度为80g/L的碳酸钠溶液进行除油处理，浸泡时间90s，然后放入清水槽中冲洗；采用真空炉进行烘干处理，加热温度300℃，加热时间120min。
实践证明，本实施例的制造方法的加工精度高，90个精密液氧喷孔φa(φ2mm)实际尺寸为1.98～2.02mm，180燃料喷孔φb(φ1mm)实际尺寸为0.98～1.02mm，完全满足产品设计精度要求；本实施例的加工效率较高，工程实现容易，较传统的钎焊工艺提高效率1.5倍；本实施例方法加工所得产品可靠性好，水压试验、气密试验、氦质谱检漏一次合格，电子束焊缝一次合格无返修。
实施例2
针对某型号液体发动机推力室喷注器如图1和图2所示，其液氧喷嘴上液氧喷孔φa为φ2mm，个数为180个，燃料喷嘴上的燃料喷孔φb为φ1mm，个数为360，喷注器外径φc为φ460mm，其制造方法包括以下步骤：
1)将180个液氧喷嘴7与喷注器中底4和喷注器本体6组合设计成第一组合件11的整体结构，液氧喷嘴7上的180个液氧喷孔71设计成实体，如附图4所示；
2)将180个燃料喷嘴8(每个喷嘴上设置两个燃料喷孔81)与喷注器下5底组合设计成第二组合件12整体结构，燃料喷嘴上360个燃料喷孔81设计成实体，如附图5所示；
3)将第一组合件11与第二组合件12真空电子束焊接形成第三组合件13，如图6所示，采用常规的X、Y两轴坐标数字控制真空电子束焊机，焊接处为喷注器下底5与喷注器本体6之间的本体下底接缝处B，以及液氧喷嘴7与燃料喷嘴8之间的喷嘴接缝处A；数字控制焊机X、Y两轴坐标行程应不小于本体直径φc；
4)对第三组合件13进行水压强度试验、气密试验和检漏试验：按照喷注器工作压力的1.8倍压力进行水压强度试验，观察组合件外观要求无变形和泄漏；气密试验时按照喷注器的工作压力放入水中进行气密试验，观察组合件外观要求无泄漏气泡；采用常规的氦质谱检漏方法进行氦质谱检漏，要求无泄漏；氦质谱检漏仪的分辨精度应小于5×10-12Pa·m3/s；
5)对检测合格的第三组合件13进行去应力退火，减小焊接应力，加热温度700℃，保温时间150min；
6)按设计精加工液氧喷嘴7上的液氧喷孔71和燃料喷嘴8的燃料喷孔81；数控加工喷孔时采用四轴加工中心加工；其中，燃料喷孔底孔深度留1mm不钻通，以防止铁屑进入燃料腔无法清除；然后采用电火花电极加工打通燃料喷孔加工时，采用旋转、倾斜两轴分度头装夹零件，分度头分度精度不大于1′；电火花加工采用铜电极，电极直径通过加工试验确定，比燃料喷孔0.10mm；
7)将整流板3、喷注器上底2和点火通道套管1一次装夹完成后进行加工，加工时保证同轴度、垂直度误差不大于0.03mm；述整流板3安装在点火通道套管1的下端，且位于喷注器上底2和喷注器中底4之间；
8)将整流板3、喷注器上底2及点火通道套管1与所述第三组合件13进行焊接，采用常规的真空电子束方法焊接，焊接处为各零件的接触面，然后精加工各密封面、装配定位面的焊接处，针对镍基高温合金切削热量大、导热性差的特点，切削加工时采用水基冷却液充分冷却，并采用慢速、大进给、大切深的切削参数，以减少刀具磨损，提高加工效率和加工表面质量，切削线速度为60m/min，进给量为0.3mm/r,切削深度为0.5mm；
9)按照喷注器工作压力的1.8倍压力进行水压试验检漏，观察外观有无泄漏，如有泄漏处，采用手工氩弧焊对泄漏处进行补焊；按照喷注器的工作压力放入清洁的水中进行气密试验，观察组合件外观要求无泄漏气泡；
10)对合格产品进行除锈、除油、清洗、烘干洗净处理，采用质量浓度为30g/L的盐酸溶液进行除锈处理，浸泡时间20s，然后放入清水槽中冲洗；采用质量浓度为120g/L的碳酸钠溶液进行除油处理，浸泡时间120s，然后放入清水槽中冲洗；采用真空炉进行烘干处理，加热温度360℃，加热时间240min。
实践证明，本实施例的制造方法的加工精度高，180个精密液氧喷孔φa(φ2mm)实际尺寸为1.98～2.02mm，360个燃料喷孔φb(φ1mm)实际尺寸为0.98～1.02mm，完全满足产品设计精度要求；本实施例的加工效率较高，工程实现容易，较传统的钎焊工艺提高效率1.5倍；本实施例方法加工所得产品可靠性好，水压试验、气密试验、氦质谱检漏一次合格，电子束焊缝一次合格无返修。

Claims (3)

1.一种高温合金多孔精密喷注器的制造方法，其特征在于：它包括以下步骤：
1)将液氧喷嘴(7)与喷注器中底(4)和喷注器本体(6)组合设计成整体的第一组合件(11)；
2)将燃料喷嘴(8)与喷注器下底(5)组合设计成整体的第二组合件(12)；
3)将第一组合件(11)与第二组合件(12)进行焊接形成第三组合件(13)，焊接处为喷注器下底(5)与喷注器本体(6)之间的本体下底接缝处(B)，以及液氧喷嘴(7)与燃料喷嘴(8)之间的喷嘴接缝处(A)；
4)对第三组合件(13)进行水压强度试验、气密试验和检漏试验；所述水压强度试验时，按照喷注器工作压力的1.2～1.8倍压力对第三组合件(13)进行水压强度试验；所述气密试验时，按照喷注器的工作压力对第三组合件(13)放入水中进行气密试验；所述检漏试验时，采用常规的氦质谱检漏方法，要求无泄漏，其中，氦质谱检漏仪的分辨精度应小于5×10- 12Pa·m3/s；
5)对检测合格的第三组合件(13)进行去应力退火，加热温度为600～700℃，保温90～150min；
6)按设计精加工液氧喷嘴(7)上的液氧喷孔(71)和燃料喷嘴(8)上的燃料喷孔(81)；
7)将整流板(3)、喷注器上底(2)和点火通道套管(1)在一次装夹完成后进行加工，加工时控制三者同轴度、垂直度误差在0.03mm以内；
8)将整流板(3)、喷注器上底(2)及点火通道套管(1)与所述第三组合件(13)进行焊接，并精加工各焊接处，精加工时采用水基冷却液充分冷却，切削线速度为30～60m/min，进给量为0.1～0.3mm/r，切削深度为0.05～0.5mm；
9)对喷注器进行水压试验检漏和气密试验检漏；
10)对合格产品洗净、烘干处理。
2.根据权利要求1所述高温合金多孔精密喷注器的制造方法，其特征在于：步骤10)中，所述洗净操作时，先采用浓度为20～30g/L的盐酸溶液进行除锈处理，浸泡15～20s后清水洗净，然后采用浓度为80～120g/L的碳酸钠溶液进行除油处理，浸泡90～120s后清水洗净，再采用真空炉进行烘干处理，烘干加热温度300～360℃，加热时间120～240min。
3.根据权利要求1或2所述高温合金多孔精密喷注器的制造方法，其特征在于：步骤7)中，所述整流板(3)安装在点火通道套管(1)的下端，且位于喷注器上底(2)和喷注器中底(4)之间。
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