CN109538357A - 一种小型半导体电嘴结构及加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种小型半导体电嘴结构及加工方法，电嘴结构由壳体、绝缘体、中心电极和衬套组成；壳体采用分段结构焊接而成，上壳体采用4J34铁镍钴合金，下壳体采用GH3044高温合金，绝缘体为管状台阶结构，采用GLC‑58高铝瓷，绝缘体小径端外侧面及端面有半导体釉；中心电极插入绝缘体内，绝缘体装于壳体内部，衬套装于绝缘体和壳体之间，在钎焊部位通过陶瓷金属化钎焊将中心电极、绝缘体和壳体三者焊接为一体。本发明实现了总长为43mm，放电端外径的小型半导体电嘴，产品结构紧凑，用一个绝缘体实现了电嘴半导体特性、密封和绝缘功能；焊接工艺采用陶瓷‑金属封接技术，将中心电极、绝缘体和壳体三者焊接为一体，具有高的结合强度、良好的密封性及优良的耐热性能。

Description

一种小型半导体电嘴结构及加工方法

技术领域

本发明涉及航空、航天发动机点火领域，具体为一种小型半导体电嘴结构及加工方法。

背景技术

点火电嘴是航空、航天发动机点火系统中的重要组成部件之一，通过点火电缆接收点火装置输出的高压脉冲电能，在电嘴放电端产生电火花，点燃发动机燃烧室内的燃油、空气混合气。点火电嘴安装在发动机壳体上，放电端伸进燃烧室内，随着发动机机械振动、温度和高度的变化，也要能够保证可靠地工作。由于点火电嘴长期暴露在高温燃气中，工作条件恶劣，点火电嘴应具有以下性能：

a)电气性能好，最小放电电压控制在一定的范围内，受气压、温度、沾油及积炭等影响小。绝缘性能好，放电效率高，长期使用后电气性能基本稳定。

b)耐高温和耐热冲击性好，在高温下能保持一定机械强度。

c)化学性能稳定，能适应燃烧室中的气氛，不易受腐蚀。

d)要有良好的密封性，以免将高温气体漏出燃烧室外。

e)拆卸方便，便于检查、维修或更换。

点火电嘴按结构与原理的不同分为火花电嘴、电蚀电嘴、火炬电嘴、沿面电嘴和半导体电嘴五种类型。不同类型的点火电嘴所匹配的点火系统不同，火花电嘴、火炬电嘴和电蚀电嘴用于早期低能点火系统，沿面电嘴和半导体电嘴用于高能点火系统。半导体电嘴由于具有放电电压低，放电效率高，对使用环境状态敏感性小等特点，已在多种新型发动机上得到了广泛的应用。

申请人单位是我国航空电嘴研制的主要单位，根据设计要求，目前需要研制一种总长为43mm，放电端外径的小型电嘴。该小型电嘴接口尺寸长16mm，有效长度仅27mm。在有限的空间内，要求满足以下设计指标：

1)工作温度：(-55～950)℃；长时环境温度：850℃；

2)气密性：在1MPa气压下，漏气量不大于2ml/min；

3)最小放电电压：配套电容0.34μF，最小放电电压不大于1500V；

4)工作环境：满足GJB150A对产品的高度、高温、低温、温度冲击、温度-高度、振动、机械冲击、加速度、湿热、霉菌、盐雾试验的考核要求；

5)配套点火装置输出电压：6000V；

6)寿命：设计定型时1000辅助动力装置工作小时/2000飞行小时。

最小放电电压不大于1500V，该电嘴属于半导体电嘴。设计指标要求该电嘴必须具有半导体特性、密封、绝缘、耐温等功能。

半导体电嘴是利用放电端半导体元件的导电特性击穿放电间隙，使电能释放，产生电火花。由放电端、绝缘密封部分和接口部分三大部分组成，一般采用密封胶封接密封、陶瓷绝缘体嵌套连接结构，保证了内部结构的绝缘密封性能。因各型号发动机对点火电嘴的技术要求和外形不尽相同，这就对点火电嘴的设计提出了更高的要求。申请人在研制过程中发现：

1)放电端外径为在保证壳体壁厚1mm和中心电极直径的前提下，若电嘴内部结构采用陶瓷绝缘体嵌套形式连接，陶瓷绝缘体的设计厚度最大仅为1.0mm，这个厚度的陶瓷绝缘体加工难度大，陶瓷绝缘体强度低，在发动机振动、冲击等环境应力作用下易产生裂纹。

2)密封胶封接方式为壳体内部填充绝缘密封胶粉，在高温下被上、下陶瓷绝缘体挤压，形成绝缘体密封结构。该电嘴有效长度为27mm，侧电极台阶1mm和中心电极台阶1mm，在保证上陶瓷绝缘体长度10mm、下陶瓷绝缘体(绝缘体表面涂半导体釉)长度15mm的前提下，没有足够的密封胶空间。

由于该电嘴受外径和长度尺寸限制，采用传统的陶瓷绝缘体嵌套、密封胶封接结构根本无法实现。应寻求一种新结构，满足这种小型半导体电嘴的设计要求。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种小型半导体电嘴结构及加工方法。

所述一种小型半导体电嘴结构，其特征在于：由壳体、绝缘体、中心电极和衬套组成；

所述壳体采用分段结构焊接而成，分为上壳体和下壳体；上壳体为圆柱薄壁形状，内壁面开有轴向的台阶面，内壁面的大径段作为与衬套钎焊的部位；下壳体为阶梯圆柱结构，形状与绝缘体形状对应；

所述绝缘体为管状台阶结构，其大径段外壁面具有一圈轴向凹槽，作为与衬套钎焊的部位，绝缘体内部台阶面作为与中心电极钎焊的部位；绝缘体小径端外侧面及端面有半导体釉；

所述中心电极为带台阶的金属杆；

所述中心电极插入绝缘体内，绝缘体装于壳体内部，衬套装于绝缘体和壳体之间，在钎焊部位通过陶瓷金属化钎焊将中心电极、绝缘体和壳体三者焊接为一体。

进一步的优选方案，所述一种小型半导体电嘴结构，其特征在于：上壳体采用4J34铁镍钴合金，下壳体采用GH3044高温合金；所述绝缘体采用GLC-58高铝瓷；绝缘体小径端外侧面及端面有BY-3半导体釉。

上述小型半导体电嘴结构的加工方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：在GLC-58高铝瓷材质的绝缘体小径端外侧面及端面涂覆以二氧化钛、五氧化钽、氧化锡金属氧化物为导电材料的半导体釉料，并进行半导体釉烧，半导体釉烧温度最高为1500℃，在绝缘体小径端上烧结形成BY-3半导体釉；

步骤2：在绝缘体大径段外壁面轴向凹槽部位以及绝缘体内部台阶面上涂覆陶瓷金属化膏，并进行陶瓷金属化膏烧结，陶瓷金属化膏烧结温度最高为1425℃；

步骤3：将中心电极插入绝缘体内，绝缘体装于壳体内部，衬套装于绝缘体和壳体之间，在钎焊部位通过陶瓷金属化钎焊将中心电极、绝缘体和壳体三者焊接为一体，钎焊温度最高为820℃。

有益效果

本发明提出的半导体电嘴设计结构具有以下特点：

1)实现了总长为43mm，放电端外径的小型半导体电嘴。

2)产品结构紧凑，首次用一个绝缘体实现了电嘴半导体特性、密封和绝缘功能。

3)半导体材料是在GLC-58陶瓷基体上涂覆的半导体釉料，高温烧制而成的非晶体半导体材料，放电电压低，放电效率高，受气压、温度环境及工作介质影响小，具有良好的耐热冲击性。

4)焊接工艺采用陶瓷-金属封接技术，将中心电极、绝缘体和壳体三者焊接为一体，具有高的结合强度、良好的密封性及优良的耐热性能。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1：电嘴结构图；

其中：1、上壳体；2、衬套；3、中心电极；4、绝缘体；5、下壳体；

图2：绝缘体结构图；

其中：“—--—”为表面涂半导体釉BY-3，“—-—”为部位金属化。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本实施例中的小型半导体电嘴采用陶瓷金属化钎焊密封结构，设计结构如图1所示，由壳体、绝缘体、中心电极和衬套组成。

为满足金属化钎焊和放电端耐高温和耐电腐蚀需求，壳体采用分段结构焊接而成，分为上壳体和下壳体；上壳体选用4J34铁镍钴合金，下壳体选用GH3044高温合金。

上壳体为圆柱薄壁形状，内壁面开有轴向的台阶面，内壁面的大径段作为与衬套钎焊的部位；下壳体为阶梯圆柱结构，形状与绝缘体形状对应。

所述绝缘体为管状台阶结构，其大径段外壁面具有一圈轴向凹槽，作为与衬套钎焊的部位，绝缘体内部台阶面作为与中心电极钎焊的部位。

所述中心电极为带台阶的金属杆。

所述中心电极插入绝缘体内，绝缘体装于壳体内部，衬套装于绝缘体和壳体之间，在图1图示的钎焊部位通过陶瓷金属化钎焊将中心电极、绝缘体和壳体三者焊接为一体，满足产品的密封性要求。

电嘴绝缘体结构如图2所示，用一个绝缘体实现半导体特性、密封和绝缘功能。绝缘体采用GLC-58高铝瓷，满足耐温绝缘要求；绝缘体小径端外侧面及端面部位有BY-3半导体釉。BY-3半导体釉是以二氧化钛、五氧化钽、氧化锡金属氧化物为导电材料，在GLC-58瓷件上烧结而成的非晶体半导体材料，实现半导体功能。在绝缘体大径段外壁面轴向凹槽部位以及绝缘体内部孔台阶面上涂覆陶瓷金属化膏，通过高温烧结，为钎焊做准备。

上述小型半导体电嘴结构的加工方法，包括以下步骤：

步骤1：在GLC-58高铝瓷材质的绝缘体小径端外侧面及端面涂覆以二氧化钛、五氧化钽、氧化锡金属氧化物为导电材料的半导体釉料，并进行半导体釉烧，半导体釉烧温度最高为1500℃，在绝缘体小径端上烧结形成BY-3半导体釉；

步骤2：在绝缘体大径段外壁面轴向凹槽部位以及绝缘体内部台阶面上涂覆陶瓷金属化膏，并进行陶瓷金属化膏烧结，陶瓷金属化膏烧结温度最高为1425℃；

步骤3：将中心电极插入绝缘体内，绝缘体装于壳体内部，衬套装于绝缘体和壳体之间，在钎焊部位通过陶瓷金属化钎焊将中心电极、绝缘体和壳体三者焊接为一体，钎焊温度最高为820℃。

产品加工过程中，涉及半导体釉烧、陶瓷金属化和钎焊3个高温工序，半导体釉烧温度最高为1500℃，陶瓷金属化膏烧结温度最高为1425℃，钎焊温度最高为820℃。所有高温作业均在氢气保护气氛中进行，温度梯度选择合理，高温作业互不影响，避免高温氧化影响半导体性能。

按照上面方法设计加工的点火电嘴，已完成了设计鉴定厂内试验、发动机长试考核和试飞考核，并在相应设备中进行了使用：

厂内试验情况

1)物理特性试验

该点火电嘴进行了物理特性试验，完成了外观检查、外形和安装尺寸检查、重量检查等3项试验，试验结果合格。

2)性能试验

该点火电嘴进行了性能试验。点火电嘴完成了气密性、放电电压2项试验；随点火系统进行了火花持续时间、火花能量、工作频率3项试验，试验结果合格。

3)环境试验

该点火电嘴随点火系统进行了低气压(高度)试验、高温试验、低温试验、温度冲击试验、温度-高度试验、盐雾试验、加速度试验、振动试验、冲击试验、砂尘试验、淋雨试验，湿热试验、霉菌试验及点火电嘴积碳水污垢试验，试验结果合格。

4)电磁兼容性试验

该点火电嘴随点火系统进行了RE101、RE102、CE102、CE107、CS106、CS116、RS103、CS101、CS114、CS115电磁兼容试验，试验全部合格，满足产品技术协议要求。

5)模拟工作试验

该点火电嘴随某点火系统进行了模拟工作试验，包括加速老化试验、高温模拟工作试验、低温模拟工作试验，室温持久试验，累计起动1696次，试验结果合格。

6)寿命试验

该点火电嘴随点火系统累计进行了2000次起动的1.5倍即3000次起动寿命试验，试验结果合格。

7)耐久振动试验

该点火电嘴随点火系统完成了40小时耐久振动试验，产品工作正常，结构完好。

试车、试飞情况

试车情况

该点火电嘴随某型辅助动力装置及辅助动力系统和组合动力装置进行了以下试验：

1、随辅助动力装置进行的试验：60h持久模拟试验、225h持久摸底试验、超温试验；

2、随辅助动力系统和组合动力装置进行地面综合试验：持久寿命试验、环境适应性试验、高空试验等。

试飞情况

该点火电嘴随某架累计飞行386架次/488h30min，并完成了高原、高寒及空中使用等专项试验。

经过上述的试验验证和使用考核表明，该产品性能稳定、功能良好、工作正常。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (3)

1.一种小型半导体电嘴结构，其特征在于：由壳体、绝缘体、中心电极和衬套组成；

所述壳体采用分段结构焊接而成，分为上壳体和下壳体；上壳体为圆柱薄壁形状，内壁面开有轴向的台阶面，内壁面的大径段作为与衬套钎焊的部位；下壳体为阶梯圆柱结构，形状与绝缘体形状对应；

所述绝缘体为管状台阶结构，其大径段外壁面具有一圈轴向凹槽，作为与衬套钎焊的部位，绝缘体内部台阶面作为与中心电极钎焊的部位；绝缘体小径端外侧面及端面有半导体釉；

所述中心电极为带台阶的金属杆；

所述中心电极插入绝缘体内，绝缘体装于壳体内部，衬套装于绝缘体和壳体之间，在钎焊部位通过陶瓷金属化钎焊将中心电极、绝缘体和壳体三者焊接为一体。

2.根据权利要求1所述一种小型半导体电嘴结构，其特征在于：上壳体采用4J34铁镍钴合金，下壳体采用GH3044高温合金；所述绝缘体采用GLC-58高铝瓷；绝缘体小径端外侧面及端面有BY-3半导体釉。

3.权利要求2所述小型半导体电嘴结构的加工方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：在GLC-58高铝瓷材质的绝缘体小径端外侧面及端面涂覆以二氧化钛、五氧化钽、氧化锡金属氧化物为导电材料的半导体釉料，并进行半导体釉烧，半导体釉烧温度最高为1500℃，在绝缘体小径端上烧结形成BY-3半导体釉；

步骤2：在绝缘体大径段外壁面轴向凹槽部位以及绝缘体内部台阶面上涂覆陶瓷金属化膏，并进行陶瓷金属化膏烧结，陶瓷金属化膏烧结温度最高为1425℃；

步骤3：将中心电极插入绝缘体内，绝缘体装于壳体内部，衬套装于绝缘体和壳体之间，在钎焊部位通过陶瓷金属化钎焊将中心电极、绝缘体和壳体三者焊接为一体，钎焊温度最高为820℃。