CN105299369B - 推进剂的金属膜盒贮箱的双金属过渡接头及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种推进剂的金属膜盒贮箱的双金属过渡接头及其制作方法，该双金属过渡接头包括不锈钢段(1)、过渡层(2)和钛合金段(3)，所述不锈钢段(1)与金属膜盒焊接，所述钛合金段(3)与贮箱壳体焊接，不锈钢段(1)采用不锈钢棒材机械加工制成，过渡层(2)采用镀层技术，镀覆在不锈钢段(1)表面，钛合金段(3)采用钛合金粉末作为原料，采用热等静压技术通过过渡层(2)与不锈钢段(1)密封连接。本发明解决了推进剂贮箱不锈钢和钛合金之间异种金属过渡的问题，双金属过渡接头成形后为一整体结构，没有螺纹连接，没有非金属密封件，具有极高的密封性能、较低的结构质量，提高了产品性能及可靠性，实现了贮箱长期贮存推进剂。

Description

推进剂的金属膜盒贮箱的双金属过渡接头及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种推进剂贮箱，具体涉及一种推进剂的金属膜盒贮箱的双金属过渡接头及其制作方法。
背景技术
推进剂贮箱是一种带液体管理装置的中低压压力容器，根据航天某型号要求，该型号推进剂贮箱需满足推进剂长期贮存并具备空间在轨补加功能。为此研制了一种金属膜盒贮箱，为满足长期贮存要求(一般工作寿命不少于15年)，金属膜盒贮箱采用全金属焊接结构，由金属膜盒将推进剂和挤压气体隔绝，并通过金属膜盒的往复运动实现贮液的加注和排放，保证在各种重力环境下排放的推进剂不夹气；采用与推进剂长期相容的不锈钢、钛合金材料，实现各种推进剂的预包装；完全消除由外界冲击引起的推进剂晃动；通过安装位移传感器精确测量贮箱内推进剂的剩余量，且能够实现推进剂在轨反复补加，是当今空间站系统必须采用的贮箱种类。
当今只有俄罗斯、中国等少数几个国家具备金属膜盒贮箱的研制能力，前苏联的礼炮空间站、和平号空间站和目前正在轨飞行的国际空间站用于空间补加推进剂的贮箱均采用了俄罗斯研制的金属膜盒贮箱，而中国未来的空间站上用于空间补加推进剂的贮箱将采用我国自行研制的金属膜盒贮箱，其在轨工作寿命要求不少于20年，补加次数不少于40次。为满足与推进剂的长期贮存，并实现贮箱的反复补加，贮箱中的金属膜盒采用与推进剂I级相容且具有良好延伸性的不锈钢材料制造，为降低贮箱的结构质量，贮箱壳体采用高强度，低密度的钛合金TC4材料制造，而这两种材料之间需要进行可靠连接。
发明内容
针对上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种推进剂的金属膜盒贮箱的双金属过渡接头及其制作方法，实现了金属膜盒的不锈钢材料与贮箱壳体的钛合金材料之间的密封焊接，解决了两种材料之间可靠连接的问题。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种推进剂的金属膜盒贮箱的双金属过渡接头，包括不锈钢段、过渡层和钛合金段，所述不锈钢段与金属膜盒焊接，所述钛合金段与贮箱壳体焊接，不锈钢段采用不锈钢棒材机械加工制成，过渡层采用镀层技术，镀覆在不锈钢段表面，钛合金段采用钛合金粉末作为原料，采用热等静压技术通过过渡层与不锈钢段密封连接。
为增加不锈钢段和钛合金段界面间的接触面积及提高双金属接头的抗拉性能，所述不锈钢段在与钛合金段的接触界面呈锁扣结构，所述呈锁扣结构的表面镀覆过渡层，在钛合金粉末通过过渡层与不锈钢段连接时，锁扣结构的突出部伸入钛合金段内，凹进部被钛合金段填充。
所述不锈钢段材料为不锈钢1Cr18Ni9Ti，钛合金段材料为钛合金TC4。
所述过渡层根据贮箱内所装载推进剂的种类不同，选择镍、铜、钒或镁作为过渡材料。
所述过渡层的镀覆厚度为150μm～400μm。
所述不锈钢段与金属膜盒之间、所述钛合金段与贮箱壳体之间采用电子束焊焊接。
一种推进剂的金属膜盒贮箱的双金属过渡接头的制作方法，用于完成上述双金属过渡接头，包括以下步骤：
步骤1：制造加工不锈钢段；
步骤2：不锈钢段镀覆过渡材料，形成过渡层；
步骤3：制造加工双金属过渡接头热等静压包套工装；
步骤4：在包套工装内装入不锈钢段、过渡层和钛合金粉末，并进行真空除气；
步骤5：采用热等静压技术成形出双金属过渡接头；
步骤6：机械加工制成符合图样尺寸要求的双金属过渡接头。
所述步骤4，将不锈钢段、过渡层安装于包套工装内并进行定位，在空隙处加入钛合金粉末，经过反复振动和装粉，直到装入指定量粉末，为保证双金属过渡接头的致密性和避免气孔缺陷，在进行热等静压前，需对完成装粉的包套工装进行除气处理。
所述除气处理在高温和真空环境下进行，温度为250℃～350℃，真空度应优于8×10-3Pa，处理时间为3h～5h，除气处理后对包套进行真空封焊，确保包套内保持良好的真空状态。
所述步骤5，所述热等静压需在加热的同时，在各个方向上对产品施加均匀的压力，从而实现不锈钢段(1)、过渡层(2)和钛合金粉末三者的高强度扩散连接，热等静压处理的主要参数为：温度为900℃～1050℃，压力为100MPa～120MPa，处理时间6h～8h。
本发明的推进剂贮箱双金属过渡接头具有以下优点：
1、采用过渡材料解决了不锈钢和钛合金材料结合问题，解决了不锈钢和钛合金线膨胀系数、导热系数差异引起的变形不均的问题；
2、采用锁扣结构，提高了不锈钢和钛合金界面的抗拉强度，其抗拉强度由220MPa，提高至460MPa；
3、双金属过渡接头具有非常好的密封性能，过渡接头的氦检漏率不大于1×10- 7Pa.m3/s；
4、利用热等静压技术解决了复杂结构的成形问题，该技术制造工艺性好、材料利用率高、生产成本低、周期短。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明双金属过渡接头一实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
请参阅图1，一种推进剂贮箱双金属过渡接头，包括不锈钢段1、过渡层2和钛合金段3。
不锈钢段1采用不锈钢棒材机械加工制成，过渡层2采用镀层技术，镀覆在不锈钢段1表面，钛合金段3采用钛合金粉末作为原料，通过热等静压技术与不锈钢段1、过渡层2连接，最终通过机械加工制成符合图样尺寸要求的双金属过渡接头。
进一步地，不锈钢段1材料为不锈钢1Cr18Ni9Ti，过渡层2可根据贮箱内所装载推进剂的种类不同，选择镍、铜、钒、镁等作为过渡材料，钛合金段3段材料为钛合金TC4。
进一步地，双金属过渡接头其不锈钢段1的直径D1为Ф14mm，直径D2为Ф23mm，所述过渡层2交界面的直径D3为Ф36mm，所述钛合金段3的直径D4为Ф43mm，直径D5为Ф80mm。
进一步地，双金属过渡接头总长度L4为55mm～65mm，不锈钢段1和钛合金段3与推进剂贮箱其他部件均采用电子束焊焊接连接。不锈钢段1焊接处的厚度T3为3mm～4.5mm，厚度T4为1.0mm～1.5mm。钛合金段3焊接处的厚度T5为3mm～4.5mm。
进一步地，利用不锈钢棒机械加工制成不锈钢段1，采用镀层技术在不锈钢段1表面镀覆厚度为150μm～400μm的过渡材料。
进一步地，为增加不锈钢和钛合金界面间的接触面积及提高双金属接头的抗拉性能，将过渡层2设计为一种独特的“锁扣”结构，厚度T1为1mm，厚度T2为5mm，长度L1为15mm，长度L2为4mm，长度L3为2mm，倒角R1为0.5mm，倒角R2为1mm。
进一步地，不锈钢段1、过渡层2和钛合金段3采用热等静压技术连接。
本发明还提供一种推进剂贮箱双金属过渡接头的制作方法，包括以下步骤：
步骤1：制造加工不锈钢段1。
步骤2：不锈钢段1镀覆过渡材料，形成过渡层2。
具体地，在不锈钢段1表面采用镀覆技术，将过渡材料镀覆在不锈钢段表面，镀覆层厚度为150μm～400μm。
步骤3：制造加工双金属过渡接头热等静压包套工装。
步骤4：在包套工装内装入不锈钢段1、过渡层2和钛合金TC4粉末，并进行真空除气。
具体地，将不锈钢段1、过渡层2安装于包套工装内并进行定位，在空隙处加入钛合金TC4合金粉末，经过反复振动和装粉，直到装入指定量粉末。为保证双金属过渡接头的致密性和避免气孔等缺陷的产品，在进行热等静压前，需对完成装粉的包套工装进行除气处理。除气处理在高温和真空环境下进行，温度为250℃～350℃，真空度应优于8×10-3Pa，处理时间为3h～5h。除气处理后对包套进行真空封焊，确保包套内保持良好的真空状态。
步骤5：采用热等静压技术成形出双金属过渡接头。
具体地，将真空封焊好的包套进行热等静压处理。热等静压需在加热的同时，在各个方向上对产品施加均匀的压力，从而实现不锈钢段1、过渡层2和钛合金TC4合金粉末三者的高强度扩散连接。热等静压处理的主要参数为：温度为900℃～1050℃，压力为100MPa～120MPa，处理时间6h～8h。
步骤6：机械加工制成符合图样尺寸要求的双金属过渡接头。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种推进剂的金属膜盒贮箱的双金属过渡接头，其特征在于，应用于航天领域，包括不锈钢段(1)、过渡层(2)和钛合金段(3)，所述不锈钢段(1)与金属膜盒焊接，所述钛合金段(3)材料为钛合金TC4，与贮箱壳体焊接，不锈钢段(1)采用不锈钢棒材机械加工制成，过渡层(2)采用镀层技术，镀覆在不锈钢段(1)表面，钛合金段(3)采用钛合金粉末作为原料，采用热等静压技术通过过渡层(2)与不锈钢段(1)密封连接，所述不锈钢段(1)、过渡层(2)和钛合金粉末三者扩散连接。
2.根据权利要求1所述的推进剂的金属膜盒贮箱的双金属过渡接头，其特征在于，为增加不锈钢段和钛合金段界面间的接触面积及提高双金属接头的抗拉性能，所述不锈钢段(1)在与钛合金段(3)的接触界面呈锁扣结构，所述呈锁扣结构的表面镀覆过渡层(2)，在钛合金粉末通过过渡层(2)与不锈钢段(1)连接时，锁扣结构的突出部伸入钛合金段(3)内，凹进部被钛合金段(3)填充。
3.根据权利要求1所述的推进剂的金属膜盒贮箱的双金属过渡接头，其特征在于，所述不锈钢段(1)材料为不锈钢1Cr18Ni9Ti，钛合金段(3)材料为钛合金TC4。
4.根据权利要求1所述的推进剂的金属膜盒贮箱的双金属过渡接头，其特征在于，所述过渡层(2)根据贮箱内所装载推进剂的种类不同，选择镍、铜、钒或镁作为过渡材料。
5.根据权利要求1所述的推进剂的金属膜盒贮箱的双金属过渡接头，其特征在于，所述过渡层(2)的镀覆厚度为150μm～400μm。
6.根据权利要求1所述的推进剂的金属膜盒贮箱的双金属过渡接头，其特征在于，所述不锈钢段(1)与金属膜盒之间、所述钛合金段(3)与贮箱壳体之间采用电子束焊焊接。
7.一种推进剂的金属膜盒贮箱的双金属过渡接头的制作方法，其特征在于，用于完成权利要求1所述双金属过渡接头，包括以下步骤：
步骤1：制造加工不锈钢段(1)；
步骤2：不锈钢段(1)镀覆过渡材料，形成过渡层(2)；
步骤3：制造加工双金属过渡接头热等静压包套工装；
步骤4：在包套工装内装入不锈钢段(1)、过渡层(2)和钛合金粉末，并进行真空除气；
步骤5：采用热等静压技术成形出双金属过渡接头；
步骤6：机械加工制成符合图样尺寸要求的双金属过渡接头。
8.根据权利要求7所述的推进剂的金属膜盒贮箱的双金属过渡接头的制作方法，其特征在于，所述步骤4，将不锈钢段(1)、过渡层(2)安装于包套工装内并进行定位，在空隙处加入钛合金粉末，经过反复振动和装粉，直到装入指定量粉末，为保证双金属过渡接头的致密性和避免气孔缺陷，在进行热等静压前，需对完成装粉的包套工装进行除气处理。
9.根据权利要求8所述的推进剂的金属膜盒贮箱的双金属过渡接头的制作方法，其特征在于，所述除气处理在高温和真空环境下进行，温度为250℃～350℃，真空度应优于8×10-3Pa，处理时间为3h～5h，除气处理后对包套进行真空封焊，确保包套内保持良好的真空状态。
10.根据权利要求9所述的推进剂的金属膜盒贮箱的双金属过渡接头的制作方法，其特征在于，所述步骤5，所述热等静压需在加热的同时，在各个方向上对产品施加均匀的压力，从而实现不锈钢段(1)、过渡层(2)和钛合金粉末三者的扩散连接，热等静压处理的主要参数为：温度为900℃～1050℃，压力为100MPa～120MPa，处理时间6h～8h。
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