CN105773082B - 一种发动机复合尾喷管的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种发动机复合尾喷管的制备方法，属于复合管制备及金属压力加工技术领域。首先，对钛合金管、高温合金管、纯锆管表面进行净化处理；用间隙固定物控制三层管坯之间的间隙并进行同心装配；将装配好的管坯放入润滑过的刚性内模夹紧，再整体放入外模中；采用内爆法制备金属复合管；对金属复合管进行冷挤压或内高压胀形，制备出发动机尾喷管；对尾喷管内纯锆层实施微弧氧化工艺生成氧化锆涂层，最终获得一种发动机复合尾喷管。本发明提出的新的制备方法，能够有效解决发动机尾喷管对耐高温、电绝缘、耐腐蚀及耐磨损等性能方面特殊要求的技术问题。

Description

一种发动机复合尾喷管的制备方法
技术领域
本发明属于复合管制备及金属压力加工技术领域，特别涉及一种发动机复合尾喷管的制备方法。
背景技术
发动机尾喷管承受来自高温燃气的热负荷，是发动机的高温部件之一，对耐高温性能方面具有特殊的要求。钛合金由于优良的综合性能，在航空航天工程、舰船工程、石化工程的诸多管道系统中得到广泛的应用，尤其是用于制作飞机发动机压气机部件，但其使用温度仅在中等温度下能够保持较好的强度。高温合金能在高温及一定应力作用下长期工作，具有较高的高温强度，良好的疲劳性能等综合性能，广泛的用于制作航空、航天发动机以及工业燃气轮机的各种高温零部件，是航空发动机高温热端部件迄今为止不可替代的材料。发动机尾喷管对电绝缘、耐磨损、抗腐蚀等性能方面具有特殊的要求，钛合金和高温合金自身的抗冲刷、耐磨损性能较差，而氧化锆材料具有高硬度，高强度，高韧性，耐高温，极高的耐磨性及耐化学腐蚀性等优良的物化性能，所以需要在尾喷管内表面制备致密的高质量的氧化锆陶瓷涂层可以有效的解决上述问题。发动机尾喷管的形状相对复杂，目前采用常规方法难以实现在其内表面制备氧化锆涂层的目的。
爆炸复合法，其实质是以炸药为能源的压力焊、熔化焊和扩散焊“三位一体”的焊接工艺，是制备组分金属大面积结合的层状双金属或多金属复合材料的有效方法。在爆炸焊接过程中，结合区发生金属的塑性变形、熔化和扩散现象，从而导致覆材与基材在界面处形成冶金结合，使制备的金属复合材料有着优异的界面结合性能。爆炸焊接的覆层和基层材料之间为冶金结合，其抗剪强度数据高于或相当于其中中强度较低者的抗拉强度数据；爆炸焊接后，表面、基体和整体材料都有不同程度的硬化和强化。这种硬化有利于覆层材料耐蚀性能和耐磨性能的提高。这种强化有利于复合材料的强度设计。从理论上来说，采用爆炸焊接工艺可以焊接任何金属。由于爆炸焊接工艺制备的金属复合管材的界面结合强度高，基本能满足后续的二次塑性加工要求。
发明内容
本发明在于提供一种发动机复合尾喷管的制备方法，以有效解决发动机尾喷管对耐高温、电绝缘、耐腐蚀及耐磨损等性能方面特殊要求的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种发动机复合尾喷管的制备方法，首先将涂层前驱体材料与基体金属层间复合，然后利用其层间结合强度的优势，将层状复合管坯进行二次塑形成形，即覆层金属与基体金属同步变形，从而制备出带有金属覆层的复合零件；最后将制备出的复合零件的前驱体材料覆层金属进行氧化处理，获得带有金属氧化物涂层的复杂异型零件。
所述的发动机复合尾喷管的制备方法，所述发动机复合尾喷管为三层或三层以上的复合尾喷管。
所述的发动机复合尾喷管的制备方法，所述三层复合尾喷管包括钛合金管、高温合金管、纯锆管，钛合金管、高温合金管及纯锆管同心装配，钛合金管位于最外层、高温合金管位于中间层、纯锆管位于最内层。
所述的发动机复合尾喷管的制备方法，包括以下步骤：(1)、将钛合金管、高温合金管、纯锆管壁进行磨、抛处理，以净化内表面，减小杂质对爆炸焊接复合管界面质量的有害影响；
(2)、将钛合金管、高温合金管及纯锆管3同心装配；使用间隙固定物控制三者之间的装配间隙；
(3)、在钛合金管和内模的外表面涂抹黄油，将装配好的待复合的三层管坯放入刚性内模夹紧后，整体放入外模中；
(4)、采用内爆法制备金属复合管，在纯锆管内安装适量的炸药，使用电雷管引爆管内的炸药，选取合适的轰爆速度，在炸药爆轰作用下使三层金属管发生冶金结合，最终形成三层金属复合管；
(5)、采用冷挤压或内高压胀形的先进成形工艺对带有锆层的复合金属管坯进行塑形变形，制备发动机尾喷管；
(6)、对尾喷管的外接触表面进行涂刷密封，仅留下内管表面(纯锆层)单独与电解液接触；
(7)、进行微弧氧化工艺，将尾喷管作为阳极，不锈钢电解液槽或者不锈钢电极作为阴极，选取合适的工艺参数组合，在尾喷管内表面原位生成氧化锆涂层，最终获得一种发动机复合尾喷管。
所述的发动机复合尾喷管的制备方法，所述步骤(3)中的刚性内模材料为磨具钢Cr12MoV，设计为两瓣式锥形，有利于快速脱模。
所述的发动机复合尾喷管的制备方法，所述步骤(4)中的炸药组分为乳化炸药+敏化剂B，不同配方下的对应爆轰速度不同。
所述的发动机复合尾喷管的制备方法，所述步骤(6)中的电解液，溶质包括主盐、辅盐、碱和稳定剂等组分，溶剂为去离子水。
所述的发动机复合尾喷管的制备方法，发动机复合尾喷管的制备方法中，所述步骤(7)中通过对微弧氧化工艺的控制与优化，可以获得不同厚度及不同含量的氧化锆表面涂层。
用类似的方法还可以做4层复合管或者更多层的复合管。
基于现有的氧化锆涂层制备技术的缺陷，本发明突破传统的先制备基体，再采用其他涂层制备工艺在金属基体上制备涂层的思路，而是首先将涂层前驱体材料与基体金属层间复合，利用其层间结合强度的优势，将层状复合管坯进行二次塑形成形，即覆层金属与基体金属同步变形，从而制备出带有金属覆层的复合零件。制备出的复合零件的前驱体材料锆层通过氧化处理，从而最终获得带有金属氧化物涂层的复杂异型零件。
双层或多层金属可以协调变形，能够经受复杂大变形，制备出具有复杂形状的复合零件。制备出的双金属或多金属复合零件可以直接使用，也可以继续对之氧化处理，而采用合适的氧化工艺如微弧氧化，将零件整体浸入电解液，通过涂刷保护涂层，可以实现溶液与复杂覆层的充分接触，从而将其覆层转化为金属氧化层。
通过本发明提出的新的制备方法，能够实现耐高温的金属复合管的制备，并且在金属复合管内表面制备氧化锆涂层的目的，为有效解决发动机尾喷管由于基体电绝缘性能较差导致的表面磁流体动力学效应问题及腐蚀问题提供新的思路。
本发明的有益效果在于：(1)、本发明采用新的综合制备方法可以有效解决在复杂管件内表面难以有效制备高质量氧化锆涂层的问题；(2)、本发明从技术的可行性方面来说，不需要新的设备，借助于原有的冷挤压及内高压胀形塑形成形装备及模具即可制备出大尺寸复合零件。
附图说明
图1为本发明发动机复合尾喷管制备步骤流程图；
图2为三层管坯的装配示意图；
图3为刚性模约束形式装配示意图；
图中，1-钛合金管、2-高温合金管、3-纯锆管、4-间隙固定物、5-内模、6-外模、7-炸药、8-电雷管。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
实施例1
(1)、将钛合金管1、高温合金管2、纯锆管3内外壁面进行磨、抛处理，以净化内表面，减小杂质对爆炸焊接复合管界面质量的有害影响；
(2)、将钛合金管1、高温合金管2及纯锆管3同心装配，钛合金管1位于最外层、高温合金管2位于中间层、纯锆管3位于最内层。使用间隙固定物4控制三者之间的装配间隙为0.5mm；
(3)、在钛合金管1和内模5的外表面涂抹黄油，将装配好的待复合的三层管坯放入刚性内模5夹紧后，整体放入外模6中；内模5外部轮廓为锥形，与内部腔体轮廓为锥形的外模6配合使用，内模5、内模6均为两瓣式结构。
(4)、采用内爆法制备金属复合管：在纯锆管3内安装适量的乳化炸药+敏化剂B，使用电雷管8引爆管内的炸药7，选取轰爆速度为2000m/s，在炸药7爆轰作用下使三层金属管发生冶金结合，最终形成三层金属复合管；
(5)、采用冷挤压或内高压胀形的先进成形工艺对带有锆层的复合金属管坯进行塑形变形，制备发动机尾喷管；
(6)、对尾喷管的外接触表面采用化铣胶涂刷密封，仅留下内管表面(纯锆管3内表面)单独与电解液接触，电解液为氢氧化钾2g/L、硅酸盐3g/L(主盐)、六偏磷酸钠5g/L(辅盐)及酒石酸钠10g/L(稳定剂)；
(7)、进行微弧氧化工艺，将尾喷管作为阳极，不锈钢电解液槽或者不锈钢电极作为阴极，设置工作频率300HZ，正占空比为50％；负占空比为50％；正向脉冲数1；负向脉冲数1；时间为30min，电流密度为15A/dm2，从而在尾喷管内表面原位生成氧化锆涂层，最终获得一种发动机复合尾喷管。
实施例2
(1)、将钛合金管1、高温合金管2、纯锆管3内外壁面进行磨、抛处理，以净化内表面，减小杂质对爆炸焊接复合管界面质量的有害影响；
(2)、将钛合金管1、高温合金管2及纯锆管3同心装配，钛合金管1位于最外层、高温合金管2位于中间层、纯锆管3位于最内层。使用间隙固定物4控制三者之间的装配间隙为0.5mm；
(3)、在钛合金管1和内模5的外表面涂抹黄油，将装配好的待复合的三层管坯放入刚性内模5夹紧后，整体放入外模6中；
(4)、采用内爆法制备金属复合管，在纯锆管3内安装适量的乳化炸药+敏化剂B，使用电雷管8引爆管内的炸药7，选取轰爆速度为2200m/s，在炸药7爆轰作用下使三层金属管发生冶金结合，最终形成三层金属复合管；
(5)、采用冷挤压或内高压胀形的先进成形工艺对带有锆层的复合金属管坯进行塑形变形，制备发动机尾喷管；
(6)、对尾喷管的外接触表面采用保护涂层涂刷密封，仅留下内管表面(纯锆管3内表面)单独与电解液接触，电解液为氟锆酸钾9g/L(主盐)、氟硼酸钾10g/L(稳定剂)、乙酸锌7g/L(辅盐)及氢氧化钠9g/L；
(7)、进行微弧氧化工艺，将尾喷管作为阳极，不锈钢电解液槽或者不锈钢电极作为阴极，设置工作频率400HZ，正占空比为50％；负占空比为50％；正向脉冲数1；负向脉冲数1；时间为20min，电流密度为10A/dm2，从而在尾喷管内表面原位生成氧化锆涂层，最终获得一种发动机复合尾喷管。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种发动机复合尾喷管的制备方法，其特征在于，首先将涂层前驱体材料与基体金属层间复合，然后利用其层间结合强度的优势，将层状复合管坯进行二次塑形成形，即覆层金属与基体金属同步变形，从而制备出带有金属覆层的复合零件；最后将制备出的复合零件的前驱体材料覆层金属进行氧化处理，获得带有金属氧化物涂层的复杂异型零件；具体包括以下步骤：
(1)、将钛合金管、高温合金管、纯锆管壁进行磨、抛处理，以净化内表面；
(2)、将钛合金管、高温合金管及纯锆管（3）同心装配；使用间隙固定物控制三者之间的装配间隙；
(3)、在钛合金管和内模的外表面涂抹黄油，将装配好的待复合的三层管坯放入刚性内模夹紧后，整体放入外模中；
(4)、采用内爆法制备金属复合管，在纯锆管内安装适量的炸药，使用电雷管引爆管内的炸药，选取合适的轰爆速度，在炸药爆轰作用下使三层金属管发生冶金结合，最终形成三层金属复合管；
(5)、采用冷挤压或内高压胀形的先进成形工艺对带有锆层的复合金属管坯进行塑形变形，制备发动机尾喷管；
(6)、对尾喷管的外接触表面进行涂刷密封，仅留下内管表面纯锆层单独与电解液接触；
(7)、进行微弧氧化工艺，将尾喷管作为阳极，不锈钢电解液槽或者不锈钢电极作为阴极，选取合适的工艺参数组合，在尾喷管内表面原位生成氧化锆涂层，最终获得一种发动机复合尾喷管。
2.根据权利要求1所述的发动机复合尾喷管的制备方法，其特征在于：所述发动机复合尾喷管为三层或三层以上的复合尾喷管。
3.根据权利要求2所述的发动机复合尾喷管的制备方法，其特征在于：所述三层复合尾喷管包括钛合金管(1)、高温合金管(2)、纯锆管(3)，钛合金管(1)、 高温合金管(2)及纯锆管(3)同心装配，钛合金管(1)位于最外层、高温合金管(2)位于中间层、纯锆管(3)位于最内层。
4.根据权利要求1所述的发动机复合尾喷管的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中的刚性内模材料为磨具钢Cr12MoV，设计为两瓣式锥形，有利于快速脱模。
5.根据权利要求1所述的发动机复合尾喷管的制备方法中，其特征在于：所述步骤(4)中的炸药组分为乳化炸药+敏化剂B，不同配方下的对应爆轰速度不同。
6.根据权利要求1所述的发动机复合尾喷管的制备方法中，其特征在于：所述步骤(6)中的电解液，溶质包括主盐、辅盐、碱和稳定剂，溶剂为去离子水。
7.根据权利要求1所述的发动机复合尾喷管的制备方法，其特征在于：发动机复合尾喷管的制备方法中，所述步骤(7)中通过对微弧氧化工艺的控制与优化，获得不同厚度及不同含量的氧化锆表面涂层。
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