CN112571829A - 一种高性能复合材料喷管零件的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高性能复合材料喷管零件的制备方法，属于喷管制备工艺技术领域。解决现有一体化复合材料喷管烧蚀层头部层间强度及抗冲刷能力较弱的技术问题。本发明的制备方法：包括模具设计、铺层设计、Z‑Pin植入工艺、预压工艺和固化工艺。尤其是使用碳布酚醛预浸布铺放，碳纤维Z‑Pin植入增强，金属对模成型的制品。与现有技术相比，可以通过多台阶式模具设计铺层角度，避免层间受到严重的气流冲刷；通过超声辅助的方式Z向植入碳纤维Pin，提升层间结合能力；多次预压和排气式固化提高制品致密度，从而增强喷管耐烧蚀层头部抗气流冲刷的能力。
Description
技术领域
本发明属于喷管制备工艺技术领域，具体涉及一种高性能复合材料喷管零件的制备方法。
背景技术
喷管是火箭将热能转化为动能的关键部件，为了提高火箭的推重比，火箭喷管在不断向轻量化发展。一体化复合材料喷管因耐烧蚀、密度小、结构可靠成为研究热点方向之一。一体化复合材料喷管的结构一般包括喉衬、耐烧蚀层、隔热层、壳体承载层及喉衬柔性堵盖。服役时，烧蚀层头部处于高温高压的工作环境，将受到高浓度的高速粒子冲刷。传统工艺使用短纤维模压制备头部零件，烧蚀率高，结构稳定性差。一体化复合材料喷管一般通过缠绕工艺成型，层间强度较弱，抗冲刷能力弱。
发明内容
本发明要解决现有技术中一体化复合材料喷管烧蚀层头部层间强度及抗冲刷能力较弱的技术问题，提供一种高性能复合材料喷管零件的制备方法，本发明通过制作Z-pin增强的烧蚀层头部零件，可以提高喷管烧蚀层头部的耐烧蚀性能。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：
本发明提供一种高性能复合材料喷管零件的制备方法，该制备方法制备的是以碳布/酚醛为原料、通过金属对模工艺成型或真空袋-热压罐成型的制品；
具体包括以下步骤：
首先通过多台阶式模具设计铺层角度，接着通过将拉挤碳纤维针从Z向植入碳布层增强层间强度，最后通过液压机或真空袋-热压罐进行零件加热固化。
在上述技术方案中，所述多台阶式模具的台阶深度为10-150层，台阶级数为1-50级，用于设计铺层方向与气流冲刷方向的角度；所述多台阶式模具分为上、下模，需根据实际情况增加侧模或将上、下模分块。
在上述技术方案中，所述通过将拉挤碳纤维针从Z向植入碳布层增强层间强度，其植入时机为在每铺5-15mm之间选择；具体包括：使用拉挤工艺制作碳纤维针，将碳纤维针先植入到泡沫预制体当中，然后通过超声辅助或真空袋-热压罐加压的方式将泡沫预制体内的碳纤维针植入到泡沫预制体层间。尤其是可以根据实际使用需求预制体的碳针植入密度和碳针直径进行设计。
在上述技术方案中，使用真空袋-热压罐固化时需使用多根大抽率抽管连接真空泵，用于排除酚醛树脂固化时产生的挥发份；特别地因为产品尺寸不同，挥发份产量不同，使用的抽管总抽滤需要维持真空袋真空度优于-10～-50kPa；固化温度为50-200℃，固化时间为24-72h。
在上述技术方案中，使用液压机固化时，通过在酚醛树脂固化剧烈反应阶段即100±20℃区域内根据设计的工艺制度反复加卸压排气；液压机固化加卸压频率保持在1-50次/10min之间；固化温度为50-200℃，固化时间为24-72h。
在上述技术方案中，金属对模工艺成型的喷管零件还需要通过数控机械加工的方式修整最终尺寸和外形，特别的，使用铣削数控加工的单次进刀量在0.1-5mm之间，进给量在30-4500mm/min之间。
本发明提供一种高性能复合材料喷管零件的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1、铺层方向计算
根据喷管实际服役情况进行仿真计算，确定烧蚀层头部预浸料的铺放方向与气流冲刷方向夹角；
步骤2、设计模具
根据烧蚀层头部与喷管喉衬实际粘接装配关系设计多台阶式模具台阶数量和台阶角度，台阶深度为10-150层，台阶级数为1-50级，设置限位台、观察孔、排气孔、测温孔、吊装孔、定位孔和脱模顶丝孔，按成型和脱模方式将上、下模分块，选择性设立侧模；
步骤3、设计铺放样板
根据已设计的铺放工艺和模具铺放样板，样板设计原则为沿纤维方向纤维不发生断裂，以拼接方式铺放；
步骤4、模具处理
除油完成后打磨清理，涂脱模剂；
步骤5、铺放成型
按照设计的样板裁切预浸料，手工铺贴；Z-Pin植入时机可在每铺1-15mm之间选择；植入深度在1-5mm时选用真空袋-热压罐方式加压，或者植入深度在5-15mm时使用超声辅助的方式加压；
步骤6、固化
使用真空袋-热压罐方式固化时，真空袋结构如下：依次包括一层有孔隔离膜、一层吸胶毡、一层无孔隔离膜、一层导气毡，最后封装真空袋膜；真空吸管抽滤保证排气高峰时真空袋内真空度优于-10～-50kPa即可，固化压力0.1-5MPa；
或者使用液压机固化时，液压机压力为0.1-20MPa，加卸压频率保持在1-50次/10min之间，合模缝隙不超过0.7mm；
上述两种固化方式的固化温度均为50-200℃，固化时间均为24-72h；
步骤7、脱模、机械加工
使用铣削数控加工的单次进刀量在0.1-5mm之间，进给量在30-4500mm/min之间。
本发明的有益效果是：
1、本发明根据服役情况通过仿真分析设计铺层角度，避免服役时高速气流冲击层间，造成喷管耐烧蚀层局部烧蚀严重。
2、本发明引入Z-Pin增强工艺，提高层间作用力，增强烧蚀层层间抵抗气流冲刷的能力。
3、安装有本发明方法制造的喷管零件的复合材料喷管，在最大压强为10MPa，最高温度为3554K，带有高浓度高速气流冲刷的条件下正常工作90s以上。
4、本发明反复预压，增强制品致密度，能将制品密度提升到1.52g/cm3以上，从而增强喷管耐烧蚀层头部抗气流冲刷的能力。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1为喷管零件烧蚀情况示意图，其中a)为短纤维模压工艺制备的喷管零件烧蚀情况示意图，b)为本发明工艺制备的喷管零件烧蚀情况示意图。
图2为Z-Pin增强的喷管零件示意图。
图3为金属对模成型模具、粗坯和产品示意图。
图4为金属对模成型铺放和Z-Pin植入分区示意图。
图5为真空袋-热压罐成型Z-Pin增强喷管零件成型模具、粗坯和产品关系示意图。
图6为真空袋-热压罐成型铺放和Z-Pin植入分区示意图。
具体实施方式
本发明的发明思想为：本发明的目的是为了解决现有一体化复合材料喷管烧蚀层头部层间强度及抗冲刷能力较弱的问题，通过制作Z-pin增强的烧蚀层头部零件，可以提高喷管烧蚀层头部的耐烧蚀性能，进而本发明提供一种Z-pin增强复合材料喷管零件制备方法：包括模具设计、铺层设计、Z-Pin植入工艺和固化工艺。尤其是使用碳布酚醛预浸布铺放，碳纤维Z-Pin植入增强，金属对模成型的制品。与现有技术相比，可以通过多台阶式模具设计铺层角度，避免层间受到严重的气流冲刷；通过超声辅助的方式Z向植入碳纤维Pin，提升层间结合能力；多次预压和排气式固化提高制品致密度，从而增强喷管耐烧蚀层头部抗气流冲刷的能力。
为实现上述目的，本发明提出设计铺层层间方向与冲刷粒子间的角度和使用拉挤碳纤维针进行Z向加强的烧蚀层头部喷管零件制备方法。所采用的原材料为碳布/钡酚醛或碳布/酚醛氰酸酯预浸布，成型工艺为真空袋-热压罐或金属对模。
一种Z-pin增强复合材料喷管零件热压罐制备方法：
步骤1、根据喷管服役要求进行仿真计算，选择原材料、设计铺层，确定预压次数、固化制度等关键工艺参数。
步骤2、根据产品尺寸设计模具，台阶角度和台阶级数根据仿真分析结果设定。
步骤3、按设计裁切预浸料样板，拼接铺放，每铺平模具一节台阶深度后铺放Z-Pin预制体，制作真空袋，一层无孔隔离膜，一层导气毡，使用真空袋膜封装。保证真空袋真空度优于-10～-50kPa后，进入预压程序，温度40-160℃，压力0.1-3MPa，保压时间0.5-8h。
步骤4、铺放结束后，制作真空袋。真空袋结构如下：一层有孔隔离膜、一层吸胶毛毡、一层无孔隔离膜、一层导气毡，最后封装一层真空袋膜。
步骤5、当真空袋真空度可以稳定优于-10～-50kPa后进行固化，固化温度为50-200℃，升温速率为0.1-5℃/min，降温速率0.1-3℃/min；固化压力0.1-5MPa，升压速率1-100kPa/min，泄压速率1-60kPa/min，固化时间为24-72h。
步骤6、固化后脱模，机械加工。使用铣削数控加工的单次进刀量在0.1-5mm之间，进给量在30-4500mm/min之间。
一种Z-pin增强复合材料喷管零件金属对模制备方法：
步骤1、根据喷管服役要求进行仿真计算，选择原材料、设计铺层，确定预压次数、固化制度等关键工艺参数。
步骤2、根据产品尺寸设计模具，台阶角度和台阶级数根据仿真分析结果设定，一般要设计观察孔、排气孔、测温孔、吊装孔、定位孔和脱模顶丝孔。
步骤3、按设计裁切预浸料样板，拼接铺放，每铺平模具一节台阶深度后铺放Z-Pin预制体，使用超声辅助的方式将Z-Pin植入，植入完成后清除残余泡沫预制体，在表面铺放无孔隔离膜作为保护，剩余模腔按尺寸裁切硅胶片占位，合模预压，液压机预压的压力为0.1-20MPa，温度为40-160℃，保压时间为0.5-8h，合模缝隙不超过0.5mm。
步骤4、铺放结束后进行热合模，热合模液压机的压力为0.1-20MPa，温度为40-160℃，保压时间为0.5-8h，合模缝隙不超过0.7mm。
步骤5、热合模合模缝隙达到要求后进行固化，固化温度为50-200℃，升温速率为0.5-5℃/min，降温速率0.1-3℃/min；固化压力维持热合模最终压力不变，固化时间为24-72h。
步骤6、固化后脱模，机械加工。使用铣削数控加工的单次进刀量在0.1-5mm之间，进给量在30-4500mm/min之间。
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的描述。
实施例1
一种高性能复合材料喷管零件，如图1、图2所示，制备方法包括以下步骤：
1.根据喷管实际服役情况进行仿真计算，确定烧蚀层头部预浸料的铺放方向与气流冲刷方向夹角为20°；
2.首先设计成型模具，用于粗坯成型，如图3、图4所示，成型模具分为上下模和侧模，侧模为分瓣结构，与下模通过螺钉连接。下模台阶级数为3级，台阶深度为10-70mm；上模带有四处观察孔用于测量侧模之间及上下模合模缝，下模与侧模上端面对上模形成约束限位，上模内径下凸台对侧模形成约束限位。
3.模具检验合格后，在180℃下保温3h除油，除油后使用360#和600#砂纸打磨模具并用抹布擦拭干净，涂脱模剂。
4.使用裁切下料机按模具成型面形状裁切下料。
5.脱模剂干燥后，将成型下模预热至70℃。
6.按图4设计台阶分区进行铺放和超声辅助Z-Pin植入，植入深度不少于10mm，台阶三进行7次Z-Pin植入。
7.铺放结束后保压固化，固化温度为60-200℃，升温速率为0.5-5℃/min，降温速率0.1-3℃/min，固化时间为24-72h。
8.固化后脱模，进行机械加工，根据设计图纸进行铣削加工，以台阶柱面及端面作为基准找正加工，加工进给量不超过0.1mm/r，转速10-30r/h之间。
实施例2
一种高性能复合材料喷管零件，如图1、图2所示，制备方法包括以下步骤：
1.根据喷管实际服役情况进行仿真计算，确定烧蚀层头部预浸料的铺放方向与气流冲刷方向夹角为20°；
2.首先设计成型模具，用于粗坯成型，如图5、图6所示，成型模具分为上下模和侧模，侧模为分瓣结构，与下模通过螺钉连接。下模台阶级数为3级，台阶深度为10-70mm；下模上端面带有内外两处真空胶条密封槽，槽宽10mm。
3.模具检验合格后，在180℃下保温3h除油，除油后使用360#和600#砂纸打磨模具并用抹布擦拭干净，涂脱模剂。
4.使用裁切下料机按模具成型面形状裁切下料。
5.脱模剂干燥后，将成型下模预热至50℃。
6.按图5设计分区进行铺放、真空袋-热压罐预压和Z-Pin植入，植入深度不少于10mm，台阶三进行7次Z-Pin植入。真空袋制作结构为一层无孔隔离膜，一层导气毡，最后使用真空袋膜封装。
7.铺放及Z-Pin植入结束后进行真空袋-热压罐固化，真空袋制作结构为一层有孔隔离膜，一层吸胶毡，一层无孔隔离膜，一层导气毡，最后使用真空袋膜封装。固化温度为50-200℃，升温速率为0.5-5℃/min，降温速率0.1-3℃/min，固化时间为24-72h。固化压力为0.1-5MPa。
8.固化后脱模，进行机械加工，根据设计图纸进行铣削加工，以台阶柱面及端面作为基准找正加工，加工进给量不超过0.1mm/r，转速10-30r/h之间。
安装有实施例1或2方法制造的喷管零件的复合材料喷管，在最大压强为10MPa，最高温度为3554K，带有高浓度高速气流冲刷的条件下正常工作90s以上。本发明反复预压，增强制品致密度，能将制品密度提升到1.52g/cm3以上。
Claims (7)
1.一种高性能复合材料喷管零件的制备方法，该制备方法制备的是以碳布/酚醛为原料、通过金属对模工艺成型或真空袋-热压罐成型的制品；
其特征在于，具体包括以下步骤：
首先通过多台阶式模具设计铺层角度，接着通过将拉挤碳纤维针从Z向植入碳布层增强层间强度，最后通过液压机或真空袋-热压罐进行零件加热固化。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述多台阶式模具的台阶深度为10-150层，台阶级数为1-50级，用于设计铺层方向与气流冲刷方向的角度；所述多台阶式模具分为上、下模，需根据实际情况增加侧模或将上、下模分块。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述通过将拉挤碳纤维针从Z向植入碳布层增强层间强度，其植入时机为在每铺5-15mm之间选择；具体包括：使用拉挤工艺制作碳纤维针，将碳纤维针先植入到泡沫预制体当中，然后通过超声辅助或真空袋-热压罐加压的方式将泡沫预制体内的碳纤维针植入到泡沫预制体层间。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，使用真空袋-热压罐固化时需使用多根大抽率抽管连接真空泵，用于排除酚醛树脂固化时产生的挥发份；使用的抽管总抽滤需要维持真空袋真空度优于-10～-50kPa；固化温度为50-200℃，固化时间为24-72h。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，使用液压机固化时，通过在酚醛树脂固化剧烈反应阶段即100±20℃区域内根据设计的工艺制度反复加卸压排气；液压机固化加卸压频率保持在1-50次/10min之间；固化温度为50-200℃，固化时间为24-72h。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，金属对模工艺成型的喷管零件还需要通过数控机械加工的方式修整最终尺寸和外形，使用铣削数控加工的单次进刀量在0.1-5mm之间，进给量在30-4500mm/min之间。
7.一种高性能复合材料喷管零件的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1、铺层方向计算
根据喷管实际服役情况进行仿真计算，确定烧蚀层头部预浸料的铺放方向与气流冲刷方向夹角；
步骤2、设计模具
根据烧蚀层头部与喷管喉衬实际粘接装配关系设计多台阶式模具台阶数量和台阶角度，台阶深度为10-150层，台阶级数为1-50级，设置限位台、观察孔、排气孔、测温孔、吊装孔、定位孔和脱模顶丝孔，按成型和脱模方式将上、下模分块，选择性设立侧模；
步骤3、设计铺放样板
根据已设计的铺放工艺和模具铺放样板，样板设计原则为沿纤维方向纤维不发生断裂，以拼接方式铺放；
步骤4、模具处理
除油完成后打磨清理，涂脱模剂；
步骤5、铺放成型
按照设计的样板裁切预浸料，手工铺贴；Z-Pin植入时机可在每铺1-15mm之间选择；植入深度在1-5mm时选用真空袋-热压罐方式加压，或者植入深度在5-15mm时使用超声辅助的方式加压；
步骤6、固化
使用真空袋-热压罐方式固化时，真空袋结构如下：依次包括一层有孔隔离膜、一层吸胶毡、一层无孔隔离膜、一层导气毡，最后封装真空袋膜；真空吸管抽滤保证排气高峰时真空袋内真空度优于-10～-50kPa即可，固化压力0.1-5MPa；
或者使用液压机固化时，液压机压力为0.1-20MPa，加卸压频率保持在1-50次/10min之间，合模缝隙不超过0.3mm；
上述两种固化方式的固化温度均为50-200℃，固化时间均为24-72h；
步骤7、脱模、机械加工
使用铣削数控加工的单次进刀量在0.1-5mm之间，进给量在30-4500mm/min之间。
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