CN109848660B - 一种主动冷却结构的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种主动冷却结构的制备方法，包括以下操作：1)将不锈钢基板卷制成作为高温气体流道的内筒；2)采用激光、高压水或线切割制作不锈钢筋条；3)将合金蒙板卷制成与内筒相匹配的外筒，然后将外筒沿轴向均等分切割成若干瓣；4)将内撑放置在内筒内，将制备好的筋条按划线粘结在内筒外表面上；5)在筋条一侧底部涂注膏状钎料，然后在外筒内表面对应筋条部分固定非晶态箔状钎料；用工装将外筒、内筒夹紧；6)在900℃‑1020℃条件下进行真空钎焊。本发明采用的冷却槽道筋条先批量切割，再进行整体真空钎焊的方法，可大幅减少主动冷却结构内冷却槽道的加工时间，提高整体部件的加工效率，缩减加工成本。
Description
技术领域
本发明属于精密加工技术领域，涉及一种主动冷却结构的制备方法。
背景技术
高超发动机热端部件经常要承受严苛的高温(2300℃)、高压(20兆帕) 工况条件，一般需要设计成主动冷却结构以实现冷却效果。现有的主动冷却结构一般是由高温合金外蒙皮与带有内冷却槽道的不锈钢壳体构成。
目前加工该主动冷却结构的方法主要是：先在内壳体表面铣加工出带有筋条的冷却槽，再用外蒙皮连接成冷却结构。上述方法存在如下缺点：1)由于内冷却槽道需要在机床上逐个铣加工，耗时较长，只有当所有冷却槽道铣加工完毕后，才能进行下一道工序，这大大降低了整体结构部件的加工效率，增加了加工成本；2)当冷却槽道的形状复杂时，铣加工也存在较大的难度，无法保证内冷却槽道的几何尺寸精度；3)当此种主动冷却结构尺寸较大时，加工内冷却槽道还会存在较大的变形。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供一种主动冷却结构的制备方法，采用冷却槽道筋条先批量切割，再进行整体真空钎焊的精密加工方法，提高整体部件的加工精度和加工效率。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种主动冷却结构的制备方法，包括以下操作：
1)将不锈钢基板卷制成作为高温气体流道的内筒；
2)采用激光、高压水或线切割制作不锈钢筋条；
3)将合金蒙板卷制成与内筒相匹配的外筒，然后将外筒沿轴向均等分切割成若干瓣；
4)将内撑放置在内筒内，然后按主动冷却结构设计要求在内筒外表面等分划线，再将制备好的筋条按划线粘结在内筒外表面上，相邻筋条之间为冷却槽道；
5)在筋条一侧底部涂注膏状钎料，然后在外筒内表面对应筋条部分固定非晶态箔状钎料；将外筒各瓣逐个贴合在内筒上，其中箔状钎料与相对应的筋条对准；再用外壳工装将外筒、内筒夹紧；
6)将被内撑、外壳工装夹持的内筒和外筒整体转移至真空钎焊炉中，在 900℃-1020℃条件下进行真空钎焊；
7)钎焊完毕后去除外壳工装和内撑，切割出与各瓣外筒之间的切割缝相匹配的补偿块，采用氩弧焊将补偿块焊接在外筒的对应位置上；再用氩弧焊将冷却槽道与进出水接头焊接。
所述的内撑包括合围成圆柱形支撑件的弧形支撑块和内撑底板，圆柱形支撑件的直径与内筒相匹配；弧形支撑块合围的中间部分留有呈圆台状的调节孔，圆柱形支撑件的上端面设有紧固螺帽，与调节孔形状相匹配的调节器通过紧固螺栓与紧固螺帽相连接；弧形支撑块相接触的侧面之间留有调节缝隙；弧形支撑块分别通过底板固定件与内撑底板固定连接；
所述的外壳工装包括两个对称设置的箍环，箍环两端分别设有相匹配的卡箍；箍环将外筒夹紧后箍环两端的卡箍分别卡合。
所述的内撑包括合围成圆柱形支撑件的三个弧形支撑块，弧形支撑块以中心对称的方式设置。
所述的调节器紧贴调节孔，调节器通过紧固螺栓的旋转调节其在调节孔内的位置，调节器的位置变化调节弧形支撑块之间的调节缝隙的大小。
所述的膏状钎料Ni-Li基钎料Ni-Li-Gr14B3Si4.5，并含有质量分数 0.01～0.08％的C，其在真空钎焊的过程中在毛细作用下融化后的钎料被吸入钎缝；
所述的非晶态箔状钎料为Ni-Li基钎料Ni-Li-Gr14B3Si4.5，并含有质量分数0.01～0.06％的C，其厚度为0.02～0.04mm，通过储能点焊固定在外筒内表面。
所述的真空钎焊时，抽真空为：抽真空冷态真空度：1×10-2Pa，工作真空度：100-500Pa；
抽真空后的加热程序为：以120℃/h的速率加热到450℃，保温60min；
再以180℃/h的速率加热到700℃，保温20min；
再以360℃/h的速率加热到900℃，保温120min；
再以500℃/h的速率加热到1020℃，在1020℃±5℃钎焊，保持30min；
钎焊后的冷却程序为：以240℃/h的速率冷却到700℃，随炉真空冷却到200℃充填惰性气体，使炉内压力达到9×104Pa后出炉。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供的主动冷却结构的制备方法，采用的冷却槽道筋条先批量切割，再进行整体真空钎焊的方法，可大幅减少主动冷却结构内冷却槽道的加工时间，提高整体部件的加工效率，缩减加工成本；本发明采用在筋条两端分别加入膏状钎料和非晶态箔状钎料，增加了钎焊的面积，保证了筋条与内筒、外筒连接的可靠性；本发明方法采用的真空钎焊方法，可有效控制主动冷却结构内冷槽道的加工变形，保证内里槽道的几何外形一致性，整体结构性能可靠。
本发明提供的主动冷却结构的制备方法，采用了内外结合的夹紧工装，内撑放置在内筒为其提供支撑力，外壳夹持在外筒外侧，这样就可以从两侧为内筒、外筒提供压力，从而使得内筒和外筒以及钎料能够压紧压实；而且本发明的内撑部分通过弧形支撑块合围成圆柱形支撑件，通过内撑底板紧固形成整体的同时，相邻弧形支撑块之间留有调节缝隙，只需要通过紧固螺栓调节调节器的位置，使得夹持在弧形支撑块之间的调节器的直径进行变化，从而调节弧形支撑块之间的调节缝隙，进而微调内撑所提供的支撑力；而在真空钎焊完成后只要松开紧固螺栓使得调节缝隙变大，就使得弧形支撑块很容易就从内筒脱落，保证了部件成型后不会存在强的剥离力而导致的形变；而且所采用的夹紧工装结构简单、方案简单快捷、成本低。
附图说明
图1为内撑、外壳对内筒、外筒的固定示意图；
图2为内筒、外筒局部放大示意图；
图3为内撑、外壳夹紧内筒、外筒后的剖视图；
其中，其中，1为内筒，2为冷却槽道，3为外筒，4为内撑，5为内撑固定垫，6为调节器，7为紧固螺帽，8为内撑底板，9为底板固定件，10为外壳固定垫，11为外壳；12为卡箍；13为弧形支撑块；14为紧固螺栓；15 为调节缝隙。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明提供的一种主动冷却结构的制备方法，包括以下操作：
1)将不锈钢基板卷制成作为高温气体流道的内筒；
2)采用激光、高压水或线切割制作不锈钢筋条；
3)将合金蒙板卷制成与内筒相匹配的外筒，然后将外筒沿轴向均等分切割成若干瓣；
4)将内撑放置在内筒内，然后按主动冷却结构设计要求在内筒外表面等分划线，再将制备好的筋条按划线粘结在内筒外表面上，相邻筋条之间为冷却槽道；
5)在筋条一侧底部涂注膏状钎料，然后在外筒内表面对应筋条部分固定非晶态箔状钎料；将外筒各瓣逐个贴合在内筒上，其中箔状钎料与相对应的筋条对准；再用外壳工装将外筒、内筒夹紧；
6)将被内撑、外壳工装夹持的内筒和外筒整体转移至真空钎焊炉中，在 900℃-1020℃条件下进行真空钎焊；
7)钎焊完毕后去除外壳工装和内撑，切割出与各瓣外筒之间的切割缝相匹配的补偿块，采用氩弧焊将补偿块焊接在外筒的对应位置上；再用氩弧焊将冷却槽道与进出水接头焊接。
进一步的，所述的内撑4包括合围成圆柱形支撑件的弧形支撑块13和内撑底板8，圆柱形支撑件的直径与内筒相匹配；弧形支撑块13合围的中间部分留有呈圆台状的调节孔，圆柱形支撑件的上端面设有紧固螺帽7，与调节孔形状相匹配的调节器6通过紧固螺栓14与紧固螺帽7相连接；弧形支撑块 13相接触的侧面之间留有调节缝隙15；弧形支撑块13分别通过底板固定件 9与内撑底板8固定连接；
所述的外壳工装11包括两个对称设置的箍环，箍环两端分别设有相匹配的卡箍12；箍环将外筒夹紧后箍环两端的卡箍12分别卡合。
具体的，所述的内撑4包括合围成圆柱形支撑件的三个弧形支撑块13，弧形支撑块13以中心对称的方式设置。
所述的调节器6紧贴调节孔，调节器6通过紧固螺栓14的旋转调节其在调节孔内的位置，调节器6的位置变化调节弧形支撑块13之间的调节缝隙 15的大小。
进一步的，所述的膏状钎料Ni-Li基钎料Ni-Li-Gr14B3Si4.5，并含有质量分数0.01～0.08％的C，其在真空钎焊的过程中在毛细作用下融化后的钎料被吸入钎缝；
所述的非晶态箔状钎料为Ni-Li基钎料Ni-Li-Gr14B3Si4.5，并含有质量分数0.01～0.06％的C，其厚度为0.02～0.04mm，通过储能点焊固定在外筒内表面。
所述的真空钎焊时，抽真空为：抽真空冷态真空度：1×10-2Pa，工作真空度：100-500Pa；
抽真空后的加热程序为：以120℃/h的速率加热到450℃，保温60min；
再以180℃/h的速率加热到700℃，保温20min；
再以360℃/h的速率加热到900℃，保温120min；
再以500℃/h的速率加热到1020℃，在1020℃±5℃钎焊，保持30min；
钎焊后的冷却程序为：以240℃/h的速率冷却到700℃，随炉真空冷却到200℃充填惰性气体，使炉内压力达到9×104Pa后出炉。
下面给出具体的实施例。
实施例1
一种主动冷却结构的制备方法，包括以下操作：
1)加工一块1Cr18Ni9Ti不锈钢基板卷制成内筒(作为高温气体的流道，内筒要求符合设计要求，其直径分别由两端向中部递减，呈两端粗中间细的类纺锤形)；
2)根据设计要求，采用激光、高压水或线切割设计尺寸要求的1Cr18Ni9Ti 不锈钢筋条；
3)将GH3128合金蒙板卷制成型；
4)设计满足真空钎焊要求的工装，工装包括内撑和外壳工装，
参见图1-图3，内撑4包括合围成圆柱形支撑件的弧形支撑块13和内撑底板8，圆柱形支撑件的直径与内筒相匹配；弧形支撑块13合围的中间部分留有呈圆台状的调节孔，圆柱形支撑件的上端面设有紧固螺帽7，与调节孔形状相匹配的调节器6通过紧固螺栓14与紧固螺帽7相连接；弧形支撑块 13相接触的侧面之间留有调节缝隙15；弧形支撑块13分别通过底板固定件 9与内撑底板8固定连接；
所述的外壳工装11包括两个对称设置的箍环，箍环两端分别设有相匹配的卡箍12；箍环将外筒夹紧后箍环两端的卡箍12分别卡合；
具体的，内撑由三部分弧形支撑块合围，外壳由两个箍环组成，固定内筒外筒时调节缝隙错开外壳卡环接口；
5)工装内撑部分将内筒撑圆，按设计要求在内筒外圆面等分划线，把制备好的筋条用粘结剂按划线粘结在内筒上；
6)在筋条一侧底部涂膏状钎料Ni-Li基钎料Ni-Li-Gr14B3Si4.5(C含量为0.01～0.08％，放置一侧是由于考虑钎料的毛细作用，在真空钎焊的过程中在毛细作用下融化后的钎料被吸入钎缝)；
7)在外筒内侧储能点焊0.02-0.03mm厚的非晶态箔状钎料箔状钎料Ni-Li 基钎料Ni-Li-Gr14B3Si4.5(C含量为0.01～0.06％)；将蒙板有钎料一面置于基板筋条上，工装外壳夹紧(如图1所示)；
对筋条两侧的钎料采用不同含碳量的钎料是为了钎焊的时候元素能够扩散，制出满足高强度要求的主动冷却结构；
8)将整体结构在900℃-1020℃条件下进行真空钎焊；
9)钎焊完毕后去除工装，切割出与各瓣外筒之间的切割缝相匹配的补偿块，采用氩弧焊将补偿块焊接在外筒的对应位置上；再用氩弧焊将冷却槽道与进出水接头焊接；
采用补偿块焊接保证了主动冷却结构能够承受高温、高压；
10)对制作完成的主动冷却结构进行压力性能检验。
实施例2
一种主动冷却结构的制备方法，包括以下操作：
1)加工一块1Cr18Ni9Ti不锈钢基板卷制成内筒(作为高温气体的流道，内筒要求符合设计要求，其直径分别由两端向中部递减，呈两端粗中间细的类纺锤形)；
2)根据设计要求，采用激光、高压水或线切割设计尺寸要求的1Cr18Ni9Ti 不锈钢筋条；
3)将GH3128合金蒙板卷制成型；
4)设计满足真空钎焊要求的工装，工装包括内撑和外壳工装，
参见图1-图3，内撑4包括合围成圆柱形支撑件的弧形支撑块13和内撑底板8，圆柱形支撑件的直径与内筒相匹配；弧形支撑块13合围的中间部分留有呈圆台状的调节孔，圆柱形支撑件的上端面设有紧固螺帽7，与调节孔形状相匹配的调节器6通过紧固螺栓14与紧固螺帽7相连接；弧形支撑块 13相接触的侧面之间留有调节缝隙15；弧形支撑块13分别通过底板固定件 9与内撑底板8固定连接；
所述的外壳工装11包括两个对称设置的箍环，箍环两端分别设有相匹配的卡箍12；箍环将外筒夹紧后箍环两端的卡箍12分别卡合；
具体的，内撑由三部分弧形支撑块合围，外壳由两个箍环组成，固定内筒外筒时调节缝隙错开外壳卡环接口；
5)工装内撑部分将内筒撑圆，按设计要求在内筒外圆面等分划线，把制备好的筋条用粘结剂按划线粘结在内筒上；
6)在筋条一侧底部涂膏状钎料Ni-Li基钎料Ni-Li-Gr14B3Si4.5(C含量为0.05～0.08％，放置一侧是由于考虑钎料的毛细作用，在真空钎焊的过程中在毛细作用下融化后的钎料被吸入钎缝)；
7)在外筒内侧储能点焊0.02-0.03mm厚的非晶态箔状钎料箔状钎料Ni-Li 基钎料Ni-Li-Gr14B3Si4.5(C含量为0.04～0.06％)；将蒙板有钎料一面置于基板筋条上，工装外壳夹紧(如图1所示)；
对筋条两侧的钎料采用不同含碳量的钎料是为了钎焊的时候元素能够扩散，制出满足高强度要求的主动冷却结构；
8)将整体结构在900℃-1020℃条件下进行真空钎焊；
具体的，真空钎焊时抽真空为：抽真空冷态真空度：1×10-2Pa，工作真空度：100-500Pa；
抽真空后的加热程序为：以120℃/h的速率加热到450℃，保温60min；
再以180℃/h的速率加热到700℃，保温20min；
再以360℃/h的速率加热到900℃，保温120min；
再以500℃/h的速率加热到1020℃，在1020℃±5℃钎焊，保持30min；
钎焊后的冷却程序为：以240℃/h的速率冷却到700℃，随炉真空冷却到200℃充填惰性气体，使炉内压力达到9×104Pa后出炉。
9)钎焊完毕后去除工装，切割出与各瓣外筒之间的切割缝相匹配的补偿块，采用氩弧焊将补偿块焊接在外筒的对应位置上；再用氩弧焊将冷却槽道与进出水接头焊接；
采用补偿块焊接保证了主动冷却结构能够承受高温、高压；
10)对制作完成的主动冷却结构进行压力性能检验。
实施例3：
一种主动冷却结构的制备方法，包括以下操作：
1)加工一块1Cr18Ni9Ti不锈钢基板卷制成内筒(作为高温气体的流道，内筒要求符合设计要求，其直径分别由两端向中部递减，呈两端粗中间细的类纺锤形)；
2)根据设计要求，采用激光、高压水或线切割设计尺寸要求的1Cr18Ni9Ti 不锈钢筋条；
3)将GH3128合金蒙板卷制成型；
4)设计满足真空钎焊要求的工装，工装包括内撑和外壳工装，
参见图1-图3，内撑4包括合围成圆柱形支撑件的弧形支撑块13和内撑底板8，圆柱形支撑件的直径与内筒相匹配；弧形支撑块13合围的中间部分留有呈圆台状的调节孔，圆柱形支撑件的上端面设有紧固螺帽7，与调节孔形状相匹配的调节器6通过紧固螺栓14与紧固螺帽7相连接；弧形支撑块13相接触的侧面之间留有调节缝隙15；弧形支撑块13分别通过底板固定件 9与内撑底板8固定连接；
所述的外壳工装11包括两个对称设置的箍环，箍环两端分别设有相匹配的卡箍12；箍环将外筒夹紧后箍环两端的卡箍12分别卡合；
具体的，所述的内撑4包括合围成圆柱形支撑件的三个弧形支撑块13，弧形支撑块13以中心对称的方式设置。
具体的，所述的调节器6紧贴调节孔，调节器6通过紧固螺栓14的旋转调节其在调节孔内的位置，调节器6的位置变化调节弧形支撑块13之间的调节缝隙15的大小。
具体的，所述的内撑底板留有调节器6旋进/旋出的空间；固定内筒外筒时调节缝隙错开外壳卡环接口；
5)工装内撑部分将内筒撑圆，按设计要求在内筒外圆面等分划线，把制备好的筋条用粘结剂按划线粘结在内筒上；
外筒内表面对应筋条部分固定有箔状钎料；外筒与内筒相贴合时箔状钎料与相对应的筋条对准。
6)在筋条一侧底部涂膏状钎料Ni-Li基钎料Ni-Li-Gr14B3Si4.5(C含量为0.06～0.08％，放置一侧是由于考虑钎料的毛细作用，在真空钎焊的过程中在毛细作用下融化后的钎料被吸入钎缝)；
7)在外筒内侧储能点焊0.02-0.03mm厚的非晶态箔状钎料箔状钎料Ni-Li 基钎料Ni-Li-Gr14B3Si4.5(C含量为0.04～0.05％)；将蒙板有钎料一面置于基板筋条上，工装外壳夹紧(如图1所示)；
对筋条两侧的钎料采用不同含碳量的钎料是为了钎焊的时候元素能够扩散，制出满足高强度要求的主动冷却结构；
8)将整体结构在900℃-1020℃条件下进行真空钎焊；
所述的真空钎焊时，抽真空为：抽真空冷态真空度：1×10-2Pa，工作真空度：100-500Pa；
抽真空后的加热程序为：以120℃/h的速率加热到450℃，保温60min；
再以180℃/h的速率加热到700℃，保温20min；
再以360℃/h的速率加热到900℃，保温120min；
再以500℃/h的速率加热到1020℃，在1020℃±5℃钎焊，保持30min；
钎焊后的冷却程序为：以240℃/h的速率冷却到700℃，随炉真空冷却到200℃充填惰性气体，使炉内压力达到9×104Pa后出炉。
9)钎焊完毕后去除工装，切割出与各瓣外筒之间的切割缝相匹配的补偿块，采用氩弧焊将补偿块焊接在外筒的对应位置上；再用氩弧焊将冷却槽道与进出水接头焊接；
采用补偿块焊接保证了主动冷却结构能够承受高温、高压；
10)对制作完成的主动冷却结构进行压力性能检验。
本发明提供的主动冷却结构的制备方法，采用的冷却槽道筋条先批量切割，再进行整体真空钎焊的方法，可大幅减少主动冷却结构内冷却槽道的加工时间，提高整体部件的加工效率，缩减加工成本；本发明采用在筋条两端分别加入膏状钎料和非晶态箔状钎料，增加了钎焊的面积，保证了筋条与内筒、外筒连接的可靠性；本发明方法采用的真空钎焊方法，可有效控制主动冷却结构内冷槽道的加工变形，保证内里槽道的几何外形一致性，整体结构性能可靠。
以上给出的实施例是实现本发明较优的例子，本发明不限于上述实施例。本领域的技术人员根据本发明技术方案的技术特征所做出的任何非本质的添加、替换，均属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种主动冷却结构的制备方法，其特征在于，包括以下操作：
1）将不锈钢基板卷制成作为高温气体流道的内筒；
2）采用激光、高压水或线切割制作不锈钢筋条；
3）将合金蒙板卷制成与内筒相匹配的外筒，然后将外筒沿轴向均等分切割成若干瓣；
4）将内撑放置在内筒内，然后按主动冷却结构设计要求在内筒外表面等分划线，再将制备好的筋条按划线粘结在内筒外表面上，相邻筋条之间为冷却槽道；
5）在筋条一侧底部涂注膏状钎料，然后在外筒内表面对应筋条部分固定非晶态箔状钎料；将外筒各瓣逐个贴合在内筒上，其中箔状钎料与相对应的筋条对准；再用外壳工装将外筒、内筒夹紧；
所述的膏状钎料为Ni-Li基钎料Ni-Li-Gr14B3Si4.5，并含有质量分数0.01~0.08%的C，其在真空钎焊的过程中在毛细作用下融化后的钎料被吸入钎缝；
所述的非晶态箔状钎料为Ni-Li基钎料Ni-Li-Gr14B3Si4.5，并含有质量分数0.01~0.06%的C，其厚度为0.02~0.04mm，通过储能点焊固定在外筒内表面；
6）将被内撑、外壳工装夹持的内筒和外筒整体转移至真空钎焊炉中，在900℃-1020℃条件下进行真空钎焊；
7）钎焊完毕后去除外壳工装和内撑，切割出与各瓣外筒之间的切割缝相匹配的补偿块，采用氩弧焊将补偿块焊接在外筒的对应位置上；再用氩弧焊将冷却槽道与进出水接头焊接。
2.如权利要求1所述的主动冷却结构的制备方法，其特征在于，所述的内撑（4）包括合围成圆柱形支撑件的弧形支撑块（13）和内撑底板（8），圆柱形支撑件的直径与内筒相匹配；弧形支撑块（13）合围的中间部分留有呈圆台状的调节孔，圆柱形支撑件的上端面设有紧固螺帽（7），与调节孔形状相匹配的调节器（6）通过紧固螺栓（14）与紧固螺帽（7）相连接；弧形支撑块（13）相接触的侧面之间留有调节缝隙（15）；弧形支撑块（13）分别通过底板固定件（9）与内撑底板（8）固定连接；
所述的外壳工装（11）包括两个对称设置的箍环，箍环两端分别设有相匹配的卡箍（12）；箍环将外筒夹紧后箍环两端的卡箍（12）分别卡合。
3.如权利要求2所述的主动冷却结构的制备方法，其特征在于，所述的内撑（4）包括合围成圆柱形支撑件的三个弧形支撑块（13），弧形支撑块（13）以中心对称的方式设置。
4.如权利要求2所述的主动冷却结构的制备方法，其特征在于，所述的调节器（6）紧贴调节孔，调节器（6）通过紧固螺栓（14）的旋转调节其在调节孔内的位置，调节器（6）的位置变化调节弧形支撑块（13）之间的调节缝隙（15）的大小。
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