CN113814409A - 一种拉瓦尔推力管及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种拉瓦尔推力管及其制造方法，涉及零件增材制造技术领域。拉瓦尔推力管的制造方法是采用固态增材制造的方法，利用铜合金粉末沉积至模型基体表面，以形成推力管结构。在制备过程中能够利用氛围环境对原材料粉末颗粒进行加速，使得粉末颗粒被加速到极高的速度，粉末颗粒撞击到基底上的速度极高，沉积形成的夹壁结构致密且效率高。

Description

一种拉瓦尔推力管及其制造方法
技术领域
本发明涉及零件增材制造技术领域，具体而言，涉及一种拉瓦尔推力管及其制造方法。
背景技术
拉瓦尔推力管是推力室的重要组成部分，如图1所示，推力管的前半部是由大变小向中间收缩至一个窄喉，窄喉之后又由小变大向外扩张。前半部分也是通常所说的燃烧室，气体受高压流入喷嘴的前半部，燃料在燃烧室中进行燃烧，产生高温高压的燃气，穿过窄喉后由后半部逸出，将化学能转化为动能。推力管的结构可使气流的速度因喷截面积的变化而变化，使气流从亚音速到音速，直至加速至超音速，借由将流体的热能转化为动能，可将通过它的热压缩气体加速到超音速。目前，拉瓦尔推力管被广泛用作蒸汽涡轮机、喷涂装备喷嘴、超音速发动机、导弹尾管、火箭发动机推力管等。
由于推力管再生冷却结构制造工艺需要非常精细且较为复杂，并且部件的不同部位的质量需要控制一致，采用传统的焊接技术根本无法完成该推力管结构的制造。由于3D打印满足了制备复杂构件、低成本以及生产效率高的特点，所以目前多家航天公司都利用了3D打印技术制备了发动机推力管。
目前，采用3D打印工艺制备发动机推力管主要存在以下两个问题：(1)基于SLM制造的3D打印技术制造的发动机腔壁和内部冷却流通道表面通常较为粗糙，它会造成热传递增加并降低冷却介质的流动效率；(2)铜合金粉末材料等原材料由于表面具有极好的自然光泽，对激光产生的反射使其难以用作激光成型。
针对上面提到的两个问题的解决，主要通过改进打印工艺以及在打印完成进行后处理来改善，所以也极大的增加了制造难度和制造成本。因此，亟需提供一种制备效率高、成本低的拉瓦尔推力管结构的成型方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种拉瓦尔推力管及其制造方法，旨在提高拉力管的制备效率，降低制备成本。
本发明是这样实现的：
第一方面，本发明提供一种拉瓦尔推力管的制造方法，采用固态增材制造的方法，利用铜合金粉末沉积至模型基体表面，以形成推力管结构。
第二方面，本发明提供一种拉瓦尔推力管，通过前述实施方式中的制造方法制造而得。
本发明具有以下有益效果：发明人创造性地采用固态增材制造的方法，采用铜合金粉末进行沉积形成推力管结构，在制备过程中能够利用氛围环境对原材料粉末颗粒进行加速，使得粉末颗粒被加速到极高的速度，粉末颗粒撞击到基底上的速度极高，沉积形成的夹壁结构致密且效率高。
特别指出的是，传统的焊接技术焊接内衬和外壳结构，内衬为铜合金材料很难焊接，结合强度也不够好，本发明所提供的制造方法很好地解决了上述问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例提供的拉瓦尔推力管结构的结构图；
图2为本申请实施例提供的具有沟壑的内衬结构图；
图3为本申请实施例提供的填充锌材之后的内衬结构示意图；
图4为本申请实施例提供的成型之后的拉瓦尔推力管的示意图；
图5为本申请实施例提供的拉瓦尔推力管结构的制造方法原理图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
拉瓦尔推力管是将燃料进行混合燃烧产生高温高压的燃气的部件，燃烧室喉部燃烧温度高达几千摄氏度，内壁温度超过1000℃，任何金属材料在此温度下都已接近熔化，所以材料需要经受腐蚀性以及高压高速燃气的侵蚀，其结构需要中空冷却通道进行冷却。传统的制备工艺无法满足推力管强度和硬度的要求，常用的3D打印技术虽然可以满足制备要求，但需要对制备样品进行后处理，极大的增加了制造难度，延长了制造周期，同时还提高了制造成本。
针对现有技术中存在的制造工艺复杂成本高的问题，发明人创造性地利用固态增材制造的技术，采用固体粉末直接沉积的方式制备推力管结构，工艺简便，且制备成本低。
本发明实施例提供一种拉瓦尔推力管的制造方法，采用固态增材制造的方法，利用铜合金粉末沉积至模型基体表面，以形成推力管结构。由于铜合金具有良好的导热性、抗蠕变(变形)性和耐高温强度，同时兼具经济性，所以完美的符合了该推力管结构的制造的要求。
为形成冷却道，发明人还对整体工艺的方法做了改进。在实际操作过程中，包括如下步骤：
S1、模型基体的制备
按照内衬的形状加工基体材料，并在基体材料的表面形成沟壑，如图2中所示；然后用锌材填补沟壑，以形成齐平的表面，如图3中所示。采用常规的方法对内衬的结构进行加工，形成图2中的结构。具体地，沟壑为从一端延伸至另一端的槽状结构，且槽状结构为均分分布的多个，形状，深度，分布可根据冷却需要改变。
在一些实施例中，锌材为锌合金和锌锭中的至少一种，锌材中需含有锌单质，用于和碱液反应，形成冷却孔道。
在一些实施例中，基体材料为铜合金材料，采用现有的铜材料进行制备即可，在此不对材料的具体组成进行限制。
S2、推力管的形成
采用固态增材制造的方法，利用铜合金粉末在模型基体具有沟壑的一面沉积外壳结构，再利用碱液进行浸泡，以使碱液与锌材反应形成冷却道，得到图4中的结构。碱液可以为氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液等，均可以与锌发生反应，形成冷却道。
需要说明的是，固态增材制造的方法是采用氛围环境对原材料粉末颗粒进行加速，使得粉末颗粒被加速到极高的速度，粉末颗粒撞击到基底上的速度极高，沉积形成的夹壁结构更为致密，且制备工艺的效率更高。由于粉末被加速到极高的速度，以较高的速度撞击基底，颗粒撞击过程中不断增加制备产品的密实度降低孔隙率，颗粒在此过程中体积会发生收缩，夯实硬化效应使得样品的强度、硬度和致密度均能够提高。也就是说，喷涂过程中，后续粒子的冲击对先前粒子形成的涂层起到了夯实作用，颗粒的体积收缩也不明显，使得样品具有较高的硬度和强度。
通过调控铜合金粉末的粒径，使本申请实施例所提供的制造方法是一种微米级颗粒固态沉积的方法，通过氛围环境加速粉末颗粒，使其达到超音速，以粉末固态的形式堆积夯实效应沉积形成制备样品。铜合金粉末的粒径为5-90μm。优选地，铜合金粉末的粒径为5-45μm。铜合金粉末的粒径可以为5μm、10μm、15μm、20μm、25μm、30μm、35μm、40μm、45μm、50μm、55μm、60μm、65μm、70μm、75μm、80μm、85μm、90μm等。控制铜合金粉末在上述粒度范围内，有利于提高粉末的沉积效率。
需要说明的是，粉末颗粒的粒径范围对产品的性能影响很大，发明人通过不断探索，将铜合金粉末的粒径范围控制为5-90μm。由于沉积过程中粉末被加速到较高的速度，以固态的形式撞击基体沉积，粉末尺寸过大会使得加速效果过差，无法有效的沉积；粉末尺寸过小，会受到压缩冲击波的影响，也无法有效沉积。将粉末颗粒的粒径控制在上述范围内，粉末才能不断地夯实撞击基体和先前沉积的粉末颗粒，使颗粒体积收缩，进一步使制备产品的密实度不断增加，硬度和强度也不断升高。
进一步地，在进行外壳结构的沉积之前，对气体进行预热；预热的温度为800-1200℃，如800℃、900℃、1000℃、1100℃、1200℃等。铜合金粉末无需进行预热，对沉积所用气体进行预热即可。
此外，由于铜合金粉末易于变形，沉积过程无需进行加热，沉积过程的温度低，不会造成样品原材料的氧化和相变，提高制备样品的硬度和强度。采用固态沉积的方法直接将粉末颗粒进行固态沉积，无需过多的前处理和后处理，制备过程简单、成本低，还可以大大提升生产效率。
进一步地，通过工艺条件之间相配合，能够提高粉末的沉积效率，以及产品的强度和硬度，具体的工艺参数如下：
具体地，喷涂时控制喷嘴到模型基体的距离为20-50mm，如20mm、30mm、40mm、50mm等。该喷涂距离使得从喷嘴喷出的金属粉末能够在基底上形成致密、孔隙率低的产品。若喷涂的间距较小，喷出的金属粉末撞击至基底上的作用力较大，容易损坏喷嘴，并且也无法达到最大的沉积速度，影响生产效率；若喷涂间距较大，喷出的金属粉末撞击至基底上的速度较小，无法有效地沉积形成产品。
具体地，在外壳结构的沉积过程中，控制送粉量为100-500g/min，控制喷嘴的扫描速度为200-800mm/s。送粉量可以为100g/min、200g/min、300g/min、400g/min、500g/min等，扫描速度可以为200mm/s、300mm/s、400mm/s、500mm/s、600mm/s、700mm/s、800mm/s等。
为进一步提高喷涂的效果，提高产品的硬度、强度等综合性能，在外壳结构的沉积过程中，控制送粉量为250-350g/min，控制喷嘴到模型基体的距离为20-40mm，控制喷嘴的扫描速度为150-550mm/s。
需要说明的是，送粉量、喷嘴扫描速度、喷嘴到模型基体的距离这些参数的控制是一个整体方案，各个工艺参数控制在上述范围内才能提高金属粉末喷涂至基底表面的效果，提高沉积效率、提高产品的强度。若其中一个参数超出上述范围，均会显著影响产品的质量，如强度、硬度等。
如图5所示，铜合金粉末在氛围环境中可以进行加速，通过送粉管将铜合金粉末输送至喷嘴，喷出之后沉积在基材上。
需要补充的是，固态增材制造的方法在进行沉积之前，需要根据所制备的形状进行建模，以指导沉积的过程，建模的具体过程可以参照现有技术即可。
本发明实施例还提供一种拉瓦尔推力管，通过上述的制造方法制造而得，制备的拉瓦尔推力管具有高的导热性、高的强度、硬度的优点，此外该拉瓦尔推力管还具备制备成本低的优点。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供一种拉瓦尔推力管的制造方法，包括：
(1)按照内衬的形状加工基体材料(铬锆铜)，并在基体材料的表面形成沟壑如图2所示，然后用锌合金填补所述沟壑，以形成齐平的表面，得到模型基体，如图3所示。
(2)采用固态增材制造的方法，选取粒径为5-35μm的铬锆铜合金粉末为原料，先将气体在800℃的条件下进行预热，启动喷涂装置，在模型基体具有沟壑的一面上来回扫描，沉积形成外壳结构，再利用碱液进行浸泡，以使氢氧化钠溶液与锌材充分反应形成冷却道，如图4所示。其中，控制扫描速率为200mm/s，送粉量为300g/min，冷喷涂时设定喷嘴到基底的距离为20mm。
实施例2
本实施例提供一种拉瓦尔推力管的制造方法，与实施例1不同之处仅在于以下参数：预热温度为900℃，扫描速率为400mm/s，送粉量为400g/min，冷喷涂时设定喷嘴到基底的距离为30mm。
实施例3
本实施例提供一种拉瓦尔推力管的制造方法，与实施例1不同之处仅在于以下参数：预热温度为1000℃，扫描速率为600mm/s，送粉量为400g/min，冷喷涂时设定喷嘴到基底的距离为40mm。
实施例4
本实施例提供一种拉瓦尔推力管的制造方法，与实施例1不同之处仅在于以下参数：预热温度为1100℃，扫描速率为200mm/s，送粉量为300g/min，冷喷涂时设定喷嘴到基底的距离为30mm。
实施例5
本实施例提供一种拉瓦尔推力管的制造方法，与实施例1不同之处仅在于以下参数：预热温度为800℃，扫描速率为300mm/s，送粉量为400g/min，冷喷涂时设定喷嘴到基底的距离为40mm。
实施例6
本实施例提供一种拉瓦尔推力管的制造方法，与实施例1不同之处仅在于以下参数：预热温度为1200℃，扫描速率为500mm/s，送粉量为500g/min，冷喷涂时设定喷嘴到基底的距离为50mm。
对比例1
本对比例提供一种拉瓦尔推力管的制造方法，与实施例1不同之处仅在于以下参数：沉积过程中的扫描速率为1000mm/s，送粉量为500g/min。
对比例2
本对比例提供一种拉瓦尔推力管的制造方法，采用3D打印的方式进行制备，具体参照文献：Sen K,Mehta T,Sansare S,et al.Pharmaceutical applications of Powder-based Binder Jet 3D printing process-A Review[J].Advanced Drug DeliveryReviews,2021:113943。
对比例3
本对比例提供一种拉瓦尔推力管的制造方法，与实施例1不同之处仅在于以下参数：预热温度为200℃。
对比例4
本对比例提供一种拉瓦尔推力管的制造方法，与实施例1不同之处仅在于以下参数：冷喷涂时设定喷嘴到基底的距离为100mm。
试验例1
测试实施例和对比例的服役性能，测试方法参照GB/T35777-2017。
结果显示，由实施例1-6提供的拉瓦尔推力管服役性能明显优于对比例1、2，并且由微米级颗粒固态沉积技术制备的拉瓦尔推力管，制造周期更短，经济成本更低。
试验例2
测试实施例和对比例的综合性能，如强度、硬度、结合强度，测试方法参照GB/T35777-2017，测试结果见表1。
表1拉瓦尔推力管的性能测试结果
Figure BDA0003299833400000101
Figure BDA0003299833400000111
从表1可以看出，本发明实施例的方法制备得到的拉瓦尔推力管的综合性能更为优异，明显好于对比例。
综上所述，本发明提供一种拉瓦尔推力管及其制造方法，发明人创造性地采用固态增材制造的方法，采用铜合金粉末进行沉积形成推力管结构，在制备过程中能够利用氛围环境对原材料粉末颗粒进行加速，使得粉末颗粒被加速到极高的速度，粉末颗粒撞击到基底上的速度极高，沉积形成的夹壁结构致密且效率高，相对于3D打印，加工速度明显提升。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种拉瓦尔推力管的制造方法，其特征在于，采用固态增材制造的方法，利用铜合金粉末沉积至模型基体表面，以形成具有中空冷却流道的推力管结构。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
模型基体的制备：按照内衬的形状加工基体材料，并在基体材料的表面形成沟壑，然后用锌材填补所述沟壑，以形成齐平的表面；
推力管的形成：采用固态增材制造的方法，利用铜合金粉末在所述模型基体具有沟壑的一面沉积外壳结构，再利用碱液进行浸泡，以使碱液与所述锌材反应形成冷却道；
优选地，为从一端延伸至另一端的槽状结构，且所述槽状结构为均分分布的多个。
3.根据权利要求1或2所述的制造方法，其特征在于，所述铜合金粉末的粒径为5-90μm；
优选地，所述铜合金粉末的粒径为5-45μm。
4.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于，所述基体材料为铬锆铜、青铜等铜合金材料。
5.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于，在所述外壳结构的沉积过程中，采用冷喷涂的方式，控制送粉量为100-500g/min，控制喷嘴到所述模型基体的距离为20-50mm，控制喷嘴的扫描速度为200-800mm/s。
6.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，在所述外壳结构的沉积过程中，控制送粉量为250-350g/min，控制喷嘴到所述模型基体的距离为20-40mm，控制喷嘴的扫描速度为150-550mm/s。
7.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于，在进行所述外壳结构的沉积之前，对气体进行预热；
优选地，预热的温度为800-1200℃。
8.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于，所述锌材为锌合金和锌锭中的至少一种。
9.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于，所述碱液选自氢氧化钠溶液和氢氧化钾溶液中的至少一种。
10.一种拉瓦尔推力管，其特征在于，通过权利要求1-9中任一项所述的制造方法制造而得。
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