CN104948901B - 具有薄壁金属内衬结构的高温高压气瓶的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有薄壁金属内衬结构的高温高压气瓶的制造方法，该方法包括：1)形成薄壁金属内衬的步骤；2)形成金属接头模压件的步骤；3)金属内衬外表面的处理及金属接头模压件的安装和橡胶绝热层的包覆；4)复合材料层的缠绕；5)固化制得成品。本发明方法制备得到的具有薄壁金属内衬结构的高温高压气瓶重量轻、可靠性高、耐高温、成本低廉，爆破压力大于25MPa，可用于固体国体火箭发动机、飞行器推进系统用复合材料高温高压气瓶等航空航天上，具有广泛的应用前景。

Description

具有薄壁金属内衬结构的高温高压气瓶的制造方法

技术领域

本发明涉及一种固体燃气发生器为能源的热喷系统，特别是一种具有薄壁金属内衬结构的高温高压气瓶的制造方法。

背景技术

随着航天器的发展，需要轻质、高性能的小推力火箭发动机，以增加卫星有效载荷；同时，为适应动能拦截器不断向快速响应、轻质、低成本和安全化转化的要求，深空探测器推进系统需要具备高性能、长寿命、多次起动、无污染的特点，因此，对姿轨控制系统的结构质量和性能提出了更高的要求。

目前国内外几乎所有的姿态调整系统都由液体姿控动力系统和冷喷系统组成，该调整系统存在结构复杂、可靠性低、燃料密度小、体积大的缺点，整个系统消极质量大，液体燃料在贮箱的晃动，容易造成整个系统的抖动，乃至偏离轨道，因此，安全性较差，一旦燃料泄露，将会造成整个系统的严重故障。

为了克服上述不足，研究人员提出研制一种采用固体燃气发生器为能源的热喷系统，该系统平时以固体燃料形式系统贮存。当需要使用时，将高能固体燃料通过电点火器引燃，产生高温高压气体通过高温高压气瓶进行储存，然后作为能源进行姿态控制。

为保证热喷系统的正常工作，作为关键结构件的高温高压气瓶必须具有重量较轻、可靠性高、高温高压性能好的特点。目前制作使用的高温高压气瓶的金属内衬一般采用金属铝或钛合金，直径一般≤300mm，壁厚一般≥3mm，应用领域有限。目前国内外还没有能够应用于航空航天多个领域的、可靠性高、成本低廉的一种具有薄壁金属内衬结构复合材料高温高压气瓶成型工艺。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的难点，提出一种具有薄壁金属内衬结构的高温高压气瓶的制造方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案包括以下步骤：

步骤一，椭球体的拉伸：将不锈钢板经冲压机拉伸定型制备得到高温高压气瓶的金属椭球体。

步骤二，再结晶退火处理：将拉伸定型的金属椭球体升温至温度为700～900℃，保温50～150分钟后，降温至环境温度。

步骤三，灌封砂型：用石英砂、聚乙烯醇和水配制石英砂混合胶粘剂，加入到金属椭球体中，固化制备石英砂芯。

步骤四，在金属椭球体表面进行机加工至两端各加工出一个封头型面，然后水洗冲掉石英砂芯。

步骤五，内衬接嘴焊接：将金属椭球体两端的封头型面各与一个内衬接嘴焊接在一起，形成一个半内衬。

步骤六，整体焊接：将两个半内衬通过一条环向焊缝焊接到一起，形成薄壁金属内衬。

步骤七，机加工金属接头：对铝合金锻件进行机加工，得到要求尺寸的金属接头。

步骤八，制备金属接头模压件：对机加工得到的金属接头进行表面阳极化处理，然后将三元乙丙胶片和橡胶粘接剂按照要求进行装模、合模，模压制备得到金属接头模压件。

步骤九，金属内衬外表面处理：对金属内衬外表面进行吹砂处理，并保证外表面吹砂均匀。

步骤十，橡胶绝热层的包覆：对金属内衬外表面及三元乙丙橡胶片表面用无水乙醇清理干净，然后在金属内衬外表面涂刷橡胶粘接剂，安装金属接头模压件，并贴三元乙丙橡胶片形成橡胶绝热层，贴片步骤采用现有工艺实现。

步骤十一，制备耐高温环氧树脂胶：环氧树脂、固化剂、促进剂按照重量比1：0.2～0.6：0.005～0.006的比例混合制备得到耐高温环氧树脂胶。

步骤十二，浸润：将连续碳纤维按照缠绕机穿纱顺序，依次通过出纱口，浸胶辊，在30～40℃下浸润于制得的耐高温环氧树脂胶中。

步骤十三，连续纤维缠绕：使用浸润过的连续纤维对金属内衬外表面上的橡胶绝热层和金属接头模压件进行缠绕，缠绕时采用纵向缠绕和环向缠绕相交替的方式进行，交替缠绕4～6次，每次环向缠绕和纵向缠绕的次数为1～2层，缠绕张力控制为12～20N/股。

步骤十四，固化：以2℃/min的升温速度，升高至100℃保温2小时，再升高至120℃保温3.5小时，再升高到150℃保温10小时，最后以不大于2℃/min的降到室温即完成固化，制得成品。

进一步地，所述步骤三中，石英砂、聚乙烯醇和水的重量比为100∶(1～2)∶6。

进一步地，所述步骤十一中，环氧树脂由缩水甘油醚类环氧树脂和缩水甘油胺类环氧树脂组成，所述固化剂为甲基纳迪克酸酐，所述促进剂为2-乙基-4-甲基咪唑。

进一步地，所述步骤十三中，连续纤维为日本东丽T700连续纤维或日本东丽T800连续纤维。

进一步地，所述步骤十三中，纵向缠绕面和金属内衬轴心线夹角即纵向缠绕角度为35度，纵向缠绕时连续纤维从一端的金属接头模压件绕经金属内衬外表面的橡胶绝热层至另一端金属接头模压件，再绕经金属内衬外表面的橡胶绝热层回到起始金属接头模压件，如此反复进行缠绕完成。其中缠绕方式为：环向缠绕八层，纵向缠绕八层，缠绕张力设置为18N/股。

本发明的有益效果为：使用本发明所述的制造方法制备得到的具有薄壁金属内衬结构的高温高压气瓶重量轻、可靠性高、耐高温、成本低廉，爆破压力大于25MPa，可用于固体国体火箭发动机、飞行器推进系统用复合材料高温高压气瓶等航空航天上，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明方法制备得到的具有薄壁金属内衬结构的高温高压气瓶成型结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

步骤一，金属椭球体采用2mm厚不锈钢板(1Cr18Ni9Ti)，在500T冲压机上拉伸定型制备得到高温高压气瓶的金属椭球体。

步骤二，将拉伸定型的金属椭球体在结晶温度为800℃，保温100分钟，然后降温至环境温度。

步骤三，用石英砂、聚乙烯醇和水配制石英砂混合胶粘剂，石英砂、聚乙烯醇和水的重量比为100∶(1～2)∶6，加入到金属椭球体中，用槌子捣实成型后，置入烘箱中，固化制备石英砂芯。

步骤四，按照建模的数控程序对金属椭球体表面进行机加至两端各加工出一个封头型面1-1，然后水洗冲掉石英砂芯。

步骤五，通过手工氩弧焊将金属椭球体两端加工好的封头型面1-1各与一个内衬接嘴1-2焊接在一起，形成一个半内衬1。

步骤六，通过手工氩弧焊将两个半内衬1通过一条环向焊缝焊接到一起，形成薄壁金属内衬。

步骤七，采用铝合金锻件(LC9CGS1)进行数控加工，得到要求尺寸的金属接头。

步骤八，对机加工得到的金属接头(LC9CGS1)零件进行表面阳极化AL/Et.A(s)处理，然后将裁剪好的三元乙丙胶片、橡胶粘接剂按照要求进行装模、合模，启动设备，进行模压，制备得到金属接头模压件4。所述橡胶粘接剂为三聚氰胺改性树脂胶粘剂。

步骤九，对即将使用的金属内衬外表面进行吹砂处理，并保证外表面吹砂均匀。

步骤十，对金属内衬外表面及备用的三元乙丙橡胶表面用无水乙醇清理干净，然后在金属内衬表面涂刷橡胶粘接剂，安装金属接头模压件4，手工贴三元乙丙橡胶片形成橡胶绝热层2，贴片步骤采用现有工艺实现；所述橡胶粘接剂为三聚氰胺改性树脂胶粘剂。

步骤十一，制备耐高温环氧树脂胶，环氧树脂：固化剂：促进剂按照重量比1：0.2～0.6：0.005～0.006的比例混合制备耐高温环氧树脂胶；所述环氧树脂由缩水甘油醚类环氧树脂和缩水甘油胺类环氧树脂组成，所述固化剂为甲基纳迪克酸酐，所述促进剂为2-乙基-4-甲基咪唑。

步骤十二，将连续碳纤维按照缠绕机穿纱顺序，依次通过出纱口，浸胶辊，在30～40℃下浸润于制得的耐高温环氧树脂胶；

步骤十三，使用浸润过的连续纤维对金属内衬外表面上的橡胶绝热层2和金属接头模压件4进行缠绕，缠绕时采用纵向缠绕和环向缠绕相交替的方式进行，纵向缠绕面和金属内衬轴心线夹角即纵向缠绕角度为35度，纵向缠绕时连续纤维从一端的金属接头模压件4绕经金属内衬外表面的橡胶绝热层2至另一端金属接头模压件4，再绕经金属内衬外表面的橡胶绝热层2回到起始金属接头模压件4，如此反复进行缠绕完成形成复合材料层3。其中，纵向缠绕4次，环向缠绕4次，每次环向缠绕和纵向缠绕的次数为2层，缠绕张力控制为18N/股。

步骤十四，固化：以2℃/min的升温速度，升高至100℃保温2小时，再升高至120℃保温3.5小时，再升高到150℃保温10小时，最后以2℃/min的降到室温即完成固化，制得成品。

按照上述工艺，对成型的2个具有薄壁金属内衬结构复合材料高温高压气瓶进行了水压爆破试验、模拟固体姿态控制的热气承载试验，具体的试验结果如下表所示：

采用此缠绕方法缠绕成型的一种具有薄壁金属内衬结构复合材料高温高压气瓶承压能力较高，可以作为固体姿轨控制系统高温高压气瓶，用于高温燃气承压容器。

Claims (6)

1.一种具有薄壁金属内衬结构的高温高压气瓶的制造方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤一，椭球体的拉伸：将不锈钢板经冲压机拉伸定型制备得到高温高压气瓶的金属椭球体；

步骤二，再结晶退火处理：将拉伸定型的金属椭球体升温至温度为700～900℃，保温50～150分钟后，降温至环境温度；

步骤三，灌封砂型：用石英砂、聚乙烯醇和水配制石英砂混合胶粘剂，加入到金属椭球体中，固化制备石英砂芯；

步骤四，在金属椭球体表面进行机加工至两端各加工出一个封头型面，然后水洗冲掉石英砂芯；

步骤五，内衬接嘴焊接：将金属椭球体两端的封头型面各与一个内衬接嘴焊接在一起，形成一个半内衬；

步骤六，整体焊接：将两个半内衬通过一条环向焊缝焊接到一起，形成薄壁金属内衬；

步骤七，机加工金属接头：对铝合金锻件进行机加工，得到要求尺寸的金属接头；

步骤八，制备金属接头模压件：对机加工得到的金属接头进行表面阳极化处理，然后将三元乙丙胶片和橡胶粘接剂按照要求进行装模、合模，模压制备得到金属接头模压件；

步骤九，金属内衬外表面处理：对金属内衬外表面进行吹砂处理，并保证外表面吹砂均匀；

步骤十，橡胶绝热层的包覆：对金属内衬外表面及三元乙丙橡胶片表面用无水乙醇清理干净，然后在金属内衬外表面涂刷橡胶粘接剂，安装金属接头模压件，并贴三元乙丙橡胶片形成橡胶绝热层；

步骤十一，制备耐高温环氧树脂胶：环氧树脂、固化剂、促进剂按照重量比1：0.2～0.6：0.005～0.006的比例混合制备得到耐高温环氧树脂胶；

步骤十二，浸润：将连续碳纤维按照缠绕机穿纱顺序，依次通过出纱口，浸胶辊，在30～40℃下浸润于制得的耐高温环氧树脂胶中；

步骤十三，连续纤维缠绕：使用浸润过的连续纤维对金属内衬外表面上的橡胶绝热层和金属接头模压件进行缠绕，缠绕时采用纵向缠绕和环向缠绕相交替的方式进行，交替缠绕4～6次，每次环向缠绕和纵向缠绕的次数为1～2层，缠绕张力控制为12～20N/股；

步骤十四，固化：以2℃/min的升温速度，升高至100℃保温2小时，再升高至120℃保温3.5小时，再升高到150℃保温10小时，最后以不大于2℃/min的降至室温即完成固化，制得成品。

2.根据权利要求1所述的具有薄壁金属内衬结构的高温高压气瓶的制造方法，其特征在于：

所述步骤三中，石英砂、聚乙烯醇和水的重量比为100∶(1～2)∶6。

3.根据权利要求1或2所述的具有薄壁金属内衬结构的高温高压气瓶的制造方法，其特征在于：

所述步骤十一中，环氧树脂由缩水甘油醚类环氧树脂和缩水甘油胺类环氧树脂组成，所述固化剂为甲基纳迪克酸酐，所述促进剂为2-乙基-4-甲基咪唑。

4.根据权利要求1或2所述的具有薄壁金属内衬结构的高温高压气瓶的制造方法，其特征在于：

所述步骤十三中，连续纤维为日本东丽T700连续纤维或日本东丽T800连续纤维。

5.根据权利要求1或2所述的具有薄壁金属内衬结构的高温高压气瓶的制造方法，其特征在于：

所述步骤十三中，纵向缠绕面和金属内衬轴心线夹角为35度；纵向缠绕时连续纤维从一端的金属接头模压件绕经金属内衬外表面的橡胶绝热层至另一端金属接头模压件，再绕经金属内衬外表面的橡胶绝热层回到起始金属接头模压件，如此反复进行缠绕完成；其中缠绕方式为：环向缠绕八层，纵向缠绕八层，缠绕张力为18N/股。

6.根据权利要求3所述的具有薄壁金属内衬结构的高温高压气瓶的制造方法，其特征在于：

所述步骤十三中，纵向缠绕面和金属内衬轴心线夹角为35度；纵向缠绕时连续纤维从一端的金属接头模压件绕经金属内衬外表面的橡胶绝热层至另一端金属接头模压件，再绕经金属内衬外表面的橡胶绝热层回到起始金属接头模压件，如此反复进行缠绕完成；其中缠绕方式为：环向缠绕八层，纵向缠绕八层，缠绕张力为18N/股。