CN115302210B - 针对火箭钛合金喷管热蠕变变形的控制及补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种针对火箭钛合金喷管热蠕变变形的控制及补偿方法，属于火箭喷气推进装置技术领域。该方法包括下料以形成初始的喷管内壁、内壁包套、喷管外壁和外壁包套；将它们的贴合面喷涂止焊剂并依次进行套合；将它们一体热膨胀成形并分开；将喷管内壁和喷管外壁分别进行加工形成冷却通道并进行表面处理；将喷管内壁、内壁包套、喷管外壁和外壁包套再次套合、端头封焊，并进行扩散连接；去除内壁包套和外壁包套，对成形后的喷管进行性能检测，完成喷管的制造。该方法可使钛合金喷管在扩散连接过程中由于热蠕变而产生的槽道槽深变浅、槽宽变窄以及槽道悬空区壁面塌陷的问题得到解决，而且避免槽道截面积在扩散连接过程中变小，避免增大流阻。

Description

针对火箭钛合金喷管热蠕变变形的控制及补偿方法
技术领域
本发明涉及火箭喷气推进装置技术领域，特别涉及一种针对火箭钛合金喷管热蠕变变形的控制及补偿方法。
背景技术
在地面级主推液体火箭发动机钛合金喷管制造，上面级液体火箭发动机钛合金喷管制造及轨姿控发动机钛合金喷管的制造时，采用传统喷管制造方法制造的钛合金喷管冷却槽道尺寸不可控，钛合金喷管制造过程中热蠕变变形对槽道尺寸和流阻的影响大。
热蠕变使内壁肋变矮的同时，也使喷管的槽道宽度变窄，槽深变浅，即槽道冷却槽道截面积变小，冷却介质流阻变大，降低了喷管的冷却效果，严重时会使喷管过热烧坏。
对于热蠕变：同种钛合金材料，晶粒度越大热蠕变现象越不明显，晶粒度尺寸越小热蠕变现象越明显；相对TA15、TC4等钛合金而言，纯钛的热蠕变现象相对不明显；不锈钢、碳钢、高温合金等相对钛合金材料热蠕变现象非常不明显。因此，内壁包套、外壁包套材料应选用：1）纯钛类；2）晶粒度较大的钛合金；3）不锈钢、高温合金等材料。
热蠕变使喷管槽道悬空区壁面凹陷，也使喷管的槽深变浅，槽道冷却槽道截面积变小，冷却介质流阻变大，降低了喷管的冷却效果，严重时会使喷管过热烧坏。
发明内容
本发明的目的在于提供一种针对火箭钛合金喷管热蠕变变形的控制及补偿方法，该方法可以使得钛合金喷管在扩散连接过程中由于热蠕变而产生的槽道槽深变浅、槽宽变窄以及槽道悬空区壁面塌陷的问题得到解决，而且避免槽道截面积在扩散连接过程中变小，避免增大流阻。
为实现本发明目的，本发明采用如下技术方案：
根据本发明的一个方面，提供了一种针对火箭钛合金喷管热蠕变变形的控制及补偿方法。所述方法包括对坯料进行下料成形以形成初始的喷管内壁、内壁包套、喷管外壁和外壁包套；将所述内壁包套、所述喷管内壁、所述喷管外壁和所述外壁包套的贴合面喷涂止焊剂并依次进行套合；将套合后的所述内壁包套、所述喷管内壁、所述喷管外壁和所述外壁包套一体热膨胀成形并分开；将所述喷管内壁和所述喷管外壁进行加工形成冷却通道并进行表面处理；将所述内壁包套、所述喷管内壁、所述喷管外壁和所述外壁包套再次套合、将套合后的端头封焊，并进行扩散连接；以及去除所述内壁包套和所述外壁包套，对成形后的喷管进行性能检测，完成喷管的制造。
根据本发明的一实施方式，其中，对坯料进行下料成形以形成初始的喷管内壁、内壁包套、喷管外壁和外壁包套包括：对钛合金坯料进行激光下料以形成为扇形展开料；将扇形展开料热滚弯成形、去除焊接边激光切割重熔层、以及纵焊缝焊接以形成为锥筒形结构的喷管内壁、内壁包套、喷管外壁和外壁包套；以及分别将所述喷管内壁、所述内壁包套、所述喷管外壁和所述外壁包套进行纵焊缝焊接质量检测。
根据本发明的一实施方式，其中，所述坯料为板料，所述板料的壁厚预留防止变薄的厚度补偿量，所述厚度补偿量为0.1～0.3m，所述热膨胀成形的温度为600～800℃，所述热滚弯成形的温度为700～850℃。
根据本发明的一实施方式，其中，将所述内壁包套、所述喷管内壁、所述喷管外壁和所述外壁包套的贴合面喷涂止焊剂并依次进行套合包括：将所述内壁包套的外型面，所述喷管内壁的内外型面、所述喷管外壁的内外型面、以及所述外壁包套的内型面喷涂止焊剂以防止在后续的热膨胀成形过程中发生粘连；将所述内壁包套、所述喷管内壁、所述喷管外壁和所述外壁包套按照形状套合于一起，且相邻的二者之间设置2～3mm的间距。
其中，所述内壁包套和所述外壁包套材料应为在高温状态下抗蠕变性能好的材料，包括晶粒度相对内壁外壁较大的钛合金、纯钛、不锈钢等材料。
根据本发明的一实施方式，其中，将套合后的所述内壁包套、所述喷管内壁、所述喷管外壁和所述外壁包套一体热膨胀成形并分开包括：所述内壁包套、所述喷管内壁、所述喷管外壁和所述外壁包套的两端预留40～60mm加工余量，其中，加工余量目的是补偿在胀形过程中的轴向长度缩短；通过动力装置和成形模具对所述内壁包套、所述喷管内壁、所述喷管外壁和所述外壁包套进行一体胀形；以及通过车加工去除两端端头的余量并分开所述内壁包套、所述喷管内壁、所述喷管外壁和所述外壁包套。
根据本发明的一实施方式，其中，所述成形模具包括：模具上压板；胀形模具胀芯固接于所述模具上压板的底侧；模具下底板；多个胀形模具胀瓣均布于以胀形模具胀芯投影到所述模具下底板的中心点为圆心的圆周上，且在所述胀形模具胀芯的下压作用下沿着所述圆周的直径方向向外胀形；其中，多个胀形模具胀瓣围设成为倒圆锥形空腔，所述胀形模具胀芯的形状匹配所述空腔的形状；其中，所述动力装置为热成形机，所述模具上压板在所述热成形机的作用下带动所述胀形模具胀芯向下运动，并使得多个所述胀形模具胀瓣径向向外移动，从而带动所述内壁包套、所述喷管内壁、所述喷管外壁和所述外壁包套一体膨胀。
根据本发明的一实施方式，其中，所述胀形模具胀瓣的数量根据零件的尺寸和零件形状复杂程度确定，膨胀过程中，胀形模具胀瓣的数量由少到多逐渐增加以形成多级膨胀；其中，所述胀形模具胀瓣为10瓣，所述多级膨胀为3级膨胀，其中，在第一级膨胀时，在所述模具下底板上均匀安装8个所述胀形模具胀瓣，在第二级膨胀时，在所述模具下底板上均匀安装9个所述胀形模具胀瓣，在第三级膨胀时，在所述模具下底板上均匀安装10个所述胀形模具胀瓣。
根据本发明的一实施方式，其中，将所述喷管内壁和所述喷管外壁进行机械加工形成冷却通道并进行表面处理包括：在所述喷管内壁的外型面加工冷却介质的槽道，在所述喷管外壁的两端加工冷却介质流入流出的长孔；将所述喷管内壁和所述喷管外壁的扩散连接面的止焊剂去除并进行酸碱洗以保证清洁；将所述喷管内壁和所述喷管外壁套合并使得所述槽道与所述长孔对正以形成冷却通道。
根据本发明的一实施方式，其中，将所述内壁包套、所述喷管内壁、所述喷管外壁和所述外壁包套再次套合、将套合后的端头封焊，并进行扩散连接包括：对所述喷管内壁的内型面、所述内壁包套的外型面、述喷管外壁的外型面和所述外壁包套的内型面喷涂止焊剂；依次将所述内壁包套、所述喷管内壁、所述喷管外壁和所述外壁包套套合于一起；将套合后的所述内壁包套、所述喷管内壁、所述喷管外壁和所述外壁包套的上下两侧连接端部的端头焊接封闭；将所述内壁包套、所述喷管内壁、所述喷管外壁和所述外壁包套进行扩散连接，其中，根据不同的喷管材料和槽道结构尺寸设置扩散连接压力为0.2～0.8MPa，扩散连接温度为880～1000℃，对所述槽道进行抽真空且真空度高于9×10-1Pa，焊接时间设置为50～120分钟之间。
根据本发明的一实施方式，其中，去除所述内壁包套和所述外壁包套，对成形后的喷管进行性能检测，完成喷管的制造包括：扩散连接完成后，去除两端部预留的40～60mm加工余量并将所述内壁包套和所述外壁包套去除以形成喷管；对喷管的内表面和外表面进行打磨抛光处理，去除表面可能压坑、划伤以及扩散连接时涂的止焊剂；对喷管进行液压试验以检测内外壁扩散连接的强度、进行液流试验以检测喷管槽道的通畅性以及进行气密试验以检测喷管的密封性。
本发明中的一个实施例具有如下优点或有益效果：
本发明的针对火箭钛合金喷管热蠕变变形的控制及补偿方法在扩散连接时，在喷管内壁的内侧增加内包套，喷管外壁的外侧增加外包套，间接增大喷管内壁和喷管外壁悬空区避免的当量壁厚，并且，由于内壁包套和外壁包套采用抵抗高温状态下的热蠕变能力较强的材料。在扩散连接的装配过程中，需要在内包套与喷管内壁之间、外包套与喷管外壁之间涂覆止焊剂剂，防止在在高温状态下内包套与喷管内壁之间、外包套与喷管外壁之间发生扩散连接，便于在喷管内外壁扩散连接完成后，顺利取出内包套及外包套。喷管内壁槽底壁厚+内包套壁厚即为槽道悬空区内侧当量壁厚；喷管内壁槽底壁厚+内包套壁厚即为槽道悬空区内侧当量壁厚。该方法可以使得钛合金喷管在扩散连接过程中由于热蠕变而产生的槽道槽深变浅、槽宽变窄以及槽道悬空区壁面塌陷的问题得到解决，而且避免槽道截面积在扩散连接过程中变形。
附图说明
通过参照附图详细描述其示例实施方式，本发明的上述和其它特征及优点将变得更加明显。
图1是根据一示例性实施方式示出的一种针对火箭钛合金喷管热蠕变变形的控制及补偿方法的流程图。
图2是根据一示例性实施方式示出的一种坯料下料后的扇形展开料示意图。
图3是根据一示例性实施方式示出的一种初始喷管内壁、内壁包套、喷管外壁和外壁包套套合后的部分示意图。
图4是根据一示例性实施方式示出的一种成形模具胀形前的剖视示意图。
图5是根据一示例性实施方式示出的一种成形模具从8个胀瓣胀形过程到10个胀瓣的俯视示意图。
图6是根据一示例性实施方式示出的一种成形模具胀形后的剖视示意图。
图7是根据一示例性实施方式示出的一种喷管内壁加工槽道后的示意图。
图8是图7中A-A部分的剖视示意图。
图9是根据一示例性实施方式示出的一种喷管外壁加工长孔后的示意图。
图10是根据一示例性实施方式示出的一种喷管内壁、内壁包套、喷管外壁和外壁包套扩散连接状态的示意图。
图11是根据一示例性实施方式示出的一种去除内壁包套和外壁包套后形成喷管的示意图。
图12是图11中B-B部分的剖视示意图。
图13是图12的部分在扩散连接过程中蠕变造成的肋变形示意图。
图14是图12的部分在扩散连接过程中蠕变造成的槽道悬空区塌陷示意图。
图15是图12的部分肋高补偿示意图。
图16是图12的部分防止槽道悬空区蠕变塌陷示意图。
其中，附图标记如下：
1、喷管内壁；11、槽道；12、肋；2、内壁包套；3、喷管外壁；31、长孔；4、外壁包套；51、模具上压板；52、胀形模具胀芯；53、模具下底板；54、胀形模具胀瓣；6、抽真空接口；7、封焊焊缝；8、止焊剂；9、扩散连接气压。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。
用语“一个”、“一”、“该”、“所述”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。
如图1所示，图1示出了本发明提供的一种针对火箭钛合金喷管热蠕变变形的控制及补偿方法的流程图。
本发明实施例的一种针对火箭钛合金喷管热蠕变变形的控制及补偿方法包括：001对坯料进行下料成形以形成初始的喷管内壁1、内壁包套2、喷管外壁3和外壁包套4；002将内壁包套2、喷管内壁1、喷管外壁3和外壁包套4的贴合面喷涂止焊剂8并依次进行套合；003将套合后的内壁包套2、喷管内壁1、喷管外壁3和外壁包套4一体热膨胀成形并分开；004将喷管内壁1和喷管外壁3进行加工形成冷却通道并进行表面处理；005将内壁包套2、喷管内壁1、喷管外壁3和外壁包套4再次套合、将套合后的端头封焊，并进行扩散连接；以及006去除内壁包套2和外壁包套4，对成形后的喷管进行性能检测，完成喷管的制造。
其中，为了对喷管进行降温需要将喷管壁做成两层，也就是喷管内壁1和喷管外壁3。由于钛合金在高温状态下具有典型的热蠕变特性，为了减少热蠕变导致的肋12变矮的同时，也使喷管的槽道11的宽度变窄，槽深变浅的问题，引入了内壁包套2和外壁包套4。对内壁包套2、喷管内壁1、喷管外壁3和外壁包套4先在端部封焊并通过扩散连接于一体，然后去除多余的内壁包套2和外壁包套4。通过性能检测测量其性能稳定性。
图2示出了本发明提供的一种坯料下料后的扇形展开料的示意图。
在本发明的一个优选实施例中，001对坯料进行下料成形以形成初始的喷管内壁1、内壁包套2、喷管外壁3和外壁包套4包括：对钛合金坯料进行激光下料以形成为扇形展开料；将扇形展开料热滚弯成形、去除焊接边激光切割重熔层、以及纵焊缝焊接以形成为锥筒形结构的喷管内壁1、内壁包套2、喷管外壁3和外壁包套4；以及分别将喷管内壁1、内壁包套2、喷管外壁3和外壁包套4进行纵焊缝焊接质量检测。
如图2所示，初始的喷管内壁1、内壁包套2、喷管外壁3和外壁包套4均为锥筒形结构，因此截取的配料成扇形，利于热滚弯成形。而且成形之后焊缝更容易焊接。焊缝质量检测，包括X光探伤、荧光探伤等，确保焊缝无缺陷。
在本发明的一个优选实施例中，坯料为板料，板料的壁厚预留防止变薄的厚度补偿量，厚度补偿量为0.1～0.3m，热膨胀成形的温度为600～800℃，热滚弯成形的温度为700～850℃。
如图2所示，喷管内壁1、内壁包套2、喷管外壁3和外壁包套4在胀形过程中，由于直径变大，板料壁厚会变薄，因此需要原材料厚度预留变薄补偿量，使成形后的材料壁厚符合设计要求，厚度补偿值优选为0.1～0.3mm。
图3示出了本发明提供的一种初始喷管内壁1、内壁包套2、喷管外壁3和外壁包套4套合后的部分示意图。
在本发明的一个优选实施例中，002将内壁包套2、喷管内壁1、喷管外壁3和外壁包套4的贴合面喷涂止焊剂8并依次进行套合包括：将内壁包套2的外型面，喷管内壁1的内外型面、喷管外壁2的内外型面、以及外壁包套4的内型面喷涂止焊剂8以防止在后续的热膨胀成形过程中发生粘连；将内壁包套2、喷管内壁1、喷管外壁3和外壁包套4按照形状套合于一起，且相邻的二者之间设置2～3mm的间距。
如图3所示，将内壁包套2的外型面，喷管内壁1的内外型面、喷管外壁3的内外型面、以及外壁包套4的内型面之间涂止焊剂8，目的在于防止内壁包套2、喷管内壁1、喷管外壁3和外壁包套4在热膨胀成形过程中发生粘连，后续过程无法分开。为便于内壁包套2、喷管内壁1、喷管外壁3和外壁包套4顺利实现套合，内壁包套2、喷管内壁1、喷管外壁3和外壁包套4之间需设置单边2～3mm间隙。
图4示出了本发明提供的一种成形模具胀形前的剖视示意图。图5示出了本发明提供的一种成形模具从8个胀瓣胀形过程到10个胀瓣的俯视示意图。图6示出了本发明提供的一种成形模具胀形后的剖视示意图。其中，内壁包套2和外壁包套4材料应为在高温状态下抗蠕变性能好的材料，包括晶粒度相对内壁外壁较大的钛合金、纯钛、不锈钢等材料。
在本发明的一个优选实施例中，003将套合后的内壁包套2、喷管内壁1、喷管外壁3和外壁包套4一体热膨胀成形并分开包括：内壁包套2、喷管内壁1、喷管外壁3和外壁包套4的两端预留40～60mm加工余量；通过动力装置和成形模具对内壁包套2、喷管内壁1、喷管外壁3和外壁包套4进行一体胀形；以及通过车加工去除两端端头的余量并分开内壁包套2、喷管内壁1、喷管外壁3和外壁包套4。
如图4至图6所示，由于胀形过程中内壁包套2、喷管内壁1、喷管外壁3和外壁包套4轴向高度会有变小的趋势，因此，内壁包套2、喷管内壁1、喷管外壁3和外壁包套4轴向尺寸需在两端也就是小端和大端留有40～60mm余量，在动力装置和成形模具的作用下实现一体的从内向外的胀形，最后成形完成后通过车加工去除。其中，加工余量目的是补偿在胀形过程中的轴向长度缩短。
在本发明的一个优选实施例中，成形模具包括：模具上压板51、胀形模具胀芯52，模具下底板53和多个的胀形模具胀瓣54。胀形模具胀芯52固接于模具上压板51的底侧；多个的胀形模具胀瓣54均布于以胀形模具胀芯52投影到模具下底板53的中心点为圆心的圆周上，且在胀形模具胀芯52的下压作用下沿着圆周的直径方向向外胀形；其中，多个的胀形模具胀瓣54围设成为倒圆锥形空腔，胀形模具胀芯52的形状匹配所述空腔的形状；其中，动力装置为热成形机，模具上压板51在热成形机的作用下带动胀形模具胀芯52向下运动，并使得多个胀形模具胀瓣54径向向外移动，从而带动内壁包套2、喷管内壁1、喷管外壁3和外壁包套4一体膨胀成形。
如图4至图6所示，成形过程中，将成形模具整体连同产品放在热成形机工作区，模具上压板51在热成形机垂直向下压力作用下带动胀形模具胀芯52向下移动，在胀芯锥面斜角作用下，胀形模具胀芯52推动胀形模具胀瓣54径向向外移动，并带动内壁包套2、喷管内壁1、喷管外壁3和外壁包套4，使产品直径变大，并逐渐成形成最终产品形状和尺寸。胀形模具胀瓣54的特点在于，其外形型面需按最终产品型面设计，胀形过程中，胀形模具胀瓣54向外径向移动至最终位置时，其外型面为标准回转型面。
在本发明的一个优选实施例中，胀形模具胀瓣54的数量根据零件的尺寸和零件复杂程度确定，膨胀过程中，胀形模具胀瓣54的数量由少到多逐渐增加以形成多级膨胀；其中，胀形模具胀瓣54为10瓣，多级膨胀为3级膨胀，其中，在第一级膨胀时，在模具下底板53上均匀安装8个胀形模具胀瓣54，在第二级膨胀时，在模具下底板53上均匀安装9个胀形模具胀瓣54，在第三级膨胀时，在模具下底板53上均匀安装10个胀形模具胀瓣54。
其中，在胀形前，由于零件也就是内壁包套2、喷管内壁1、喷管外壁3和外壁包套4内型直径小于胀形模具胀瓣54直径，为便于胀形前胀形模具胀瓣54的装入，应装入少于设计的最终胀形模具胀瓣54的数量。逐级膨胀，最终胀形到理论尺寸。优选地，可以进行3级膨胀，也可以是2级、4级或者多级膨胀。每级膨胀的胀形模具胀瓣54的数量由少到多逐级增多。胀瓣的数量也可以是8个、9个、12个、16个等。
图7示出了本发明提供的一种喷管内壁1加工槽道11后的示意图。图8示出了图7中A-A部分的剖视示意图。图9示出了本发明提供的一种喷管外壁3加工长孔31后的示意图。
在本发明的一个优选实施例中，004将喷管内壁1和喷管外壁3进行加工形成冷却通道并进行表面处理包括：在喷管内壁1的外型面加工冷却介质的槽道11，在喷管外壁3的两端加工冷却介质流入流出的长孔31；将喷管内壁1和喷管外壁3的扩散连接面的止焊剂8去除并进行酸碱洗以保证清洁；将喷管内壁1和喷管外壁3套合并使得槽道11与长孔31对正以形成冷却通道。
如图7至图9所示，喷管内壁1的外型面加工冷却介质的槽道11，槽道11从喷管内壁1的外型面的顶部到底部沿圆周均匀布置，槽深为1.5mm～2.5mm，槽宽为1.5mm～4mm，槽道11之间的肋12的宽度对应于槽深也为1.5mm～2.5mm。喷管外壁3在大端和小端位置加工冷却介质流入流出的长孔31。通过刻线、定位插片、插销等方式保证喷管内壁1的槽道11与喷管外壁3的长孔31对正，确保最终喷管的介质流道通顺。
图10示出了本发明提供的一种喷管内壁1、内壁包套2、喷管外壁3和外壁包套4扩散连接后形成喷管的示意图。图11示出了去除内壁包套2和外壁包套4后形成喷管的示意图。图12示出了图11中B-B部分的剖视示意图。
在本发明的一个优选实施例中，005将内壁包套2、喷管内壁1、喷管外壁3和外壁包套4再次套合、将套合后的端头封焊，并进行扩散连接包括：对喷管内壁1的内型面、内壁包套2的外型面、喷管外壁3的外型面和外壁包套4的内形型喷涂止焊剂8；依次将内壁包套2、喷管内壁1、喷管外壁3和外壁包套4套合于一起；将套合后的内壁包套2、喷管内壁1、喷管外壁3和外壁包套4的上下两侧连接端部的端头焊接封闭；将内壁包套2、喷管内壁1、喷管外壁3和外壁包套4进行扩散连接，其中，根据不同的喷管材料和槽道结构尺寸设置扩散连接压力为0.2～0.8MPa，扩散连接温度为880～1000℃，对槽道11进行抽真空且真空度高于9×10-1Pa，焊接时间设置为50～120分钟之间。
如图10至图12所示，将内壁包套2、喷管内壁1、喷管外壁3和外壁包套4套合之后，在上端和下端对端头进行封焊，封焊焊缝7如图所示。端头封焊采用氩弧焊等焊接方法，封焊可以保证密封便于后续扩散连接气压9加压扩散连接的实现。扩散连接气压9如图10所示。为保证扩散连接区域能处于真空状态，防止氧化，在外壁包套4适当位置打孔，连接气管，并与设备连接实现对内部槽道11抽真空，优选地，喷管的左侧上侧设置抽真空接口6。扩散连接指将装配好的内壁包套2、喷管内壁1、喷管外壁3和外壁包套4装入气体加压扩散连接设备，并通过扩散连接设备使产品内壁包套2、喷管内壁1、喷管外壁3和外壁包套4贴合面之间实现扩散连接正压力，根据不同的喷管材料和槽道结构尺寸，压力通常在0.2～0.8MPa；扩散连接设备也可将产品加热到扩散连接温度，通常扩散连接温度为880～1000℃；扩散连接设备还具有通过抽真空管路对槽道11和内壁包套2与喷管内壁1之间的间隙和喷管外壁3与外壁包套4之间的间隙进行抽真空的功能，真空度不低于9×10-1Pa，焊接时间在50～120分钟之间。
在本发明的一个优选实施例中，006去除内壁包套2和外壁包套4，对成形后的喷管进行性能检测，完成喷管的制造包括：扩散连接完成后，去除两端部预留的40～60mm加工余量并将内壁包套2和外壁包套4去除以形成喷管；对喷管的内表面和外表面进行打磨抛光处理，去除表面可能压坑、划伤以及扩散连接时涂的止焊剂8；对喷管进行液压试验以检测内外壁扩散连接的强度、进行液流试验以检测喷管的槽道11的通畅性以及进行气密试验以检测喷管的密封性。
如图10至图12所示，扩散连接后去除内壁包套2和外壁包套4，仅保留由喷管内壁1和喷管外壁3组成的最终喷管。为保证产品的外型精度，通常在扩散连接时在长度方向留有一定余量，焊后完成后，整体加工去除，优选地的余量预留40～60mm。表面处理通常为对喷管内壁1和喷管外壁3的内表面和外表面进行打磨抛光处理，去除表面可能压坑、划伤以及扩散连接时涂的止焊剂8。对喷管的性能检测包括液压试验，检测喷管内壁1和喷管外壁3扩散连接的强度；液流试验检测喷管的槽道11的通畅性；以及气密试验检测喷管的密封性。
图13示出了本发明提供的图12的部分在扩散连接过程中蠕变造成的肋12变形示意图。图14示出了本发明提供的图12的部分在扩散连接过程中蠕变造成的槽道悬空区塌陷示意图。图15示出了本发明提供的图12的部分肋高补偿示意图。图16示出了本发明提供的图12的部分防止槽道悬空区蠕变塌陷示意图。
如图11至图16所示，由于钛合金在高温状态下具有典型的热蠕变特性，即，高温下钛合金在小于弹性极限的应力作用下，随着应力作用时间的延长，也会发生显著的变形。因此钛合金喷管在扩散连接过程中，由于热蠕变的存在两方面不利影响，一是喷管内壁1的肋12的高度变矮；二是喷管内壁1的槽道悬空区壁面凹陷。对于第一个方面，热蠕变使喷管内壁1的肋12变矮的同时，也使喷管内壁1的槽道11的宽度变窄，槽深变浅，即冷却槽道截面积变小，冷却介质流阻变大，降低了喷管的冷却效果，严重时会使喷管过热烧坏。对于第二个方面，热蠕变使喷管的槽道11的悬空区壁面凹陷，也使得喷管的槽深变浅，冷却槽道截面积变小，冷却介质流阻变大，降低了喷管的冷却效果，严重时会使喷管过热烧坏。
图12中，a设计需求钛合金喷管肋宽；b设计需求钛合金喷管外壁厚度；c 设计需求钛合金喷管内壁槽宽；d设计需求钛合金喷管内壁槽底壁厚；h设计需求钛合金喷管内壁槽深。
图13中，a0 扩散连接前肋宽；b0 扩散连接前外壁厚度；c0 扩散连接前槽宽；d0扩散连接前内壁槽底壁厚；h0扩散连接前槽深。a1扩散连接后肋宽；b1扩散连接后外壁厚度；c1 扩散连接后槽宽；d1 扩散连接后内壁槽底壁厚；h1 扩散连接后槽深。说明：a0＜a1；b0＝b1 ；c0＞c1 ；d0＝d1 ；h0＞h1 。
图14中，h0扩散连接前槽深；h1扩散连接后槽深；Δh1内壁槽道悬空区塌陷高度；Δh2外壁槽道悬空区塌陷高度。说明：h0＞h1；b值越大Δh2越小；d值越大Δh1越小。
图15中，a＇扩散连接前补偿后肋宽；b＇扩散连接前外壁厚度；c＇扩散连接前补偿后槽宽；d＇扩散连接前内壁槽底壁厚；h＇扩散连接前补偿后槽深。说明：a＇＜a ；b＇＝b ；c＇＞c；d＇＝d ；h＇＞h。
针对第一个方面，对扩散连接前的喷管内壁1进行肋12变矮补偿设计，即加高扩散连接前的肋高度，同时变薄扩散连接前的肋宽度，如图15所示。
变形补偿原则为扩散连接前和扩散连接后的肋体积相等原则，具体公式如下：
a＇× h＇=a×h；
h＇-h 即为扩散连接过程中由于热蠕变造成的喷管内壁1的肋变矮量，该数值的影响因素包括： 扩散连接过程中应力的大小——应力越大该值越大，应力越小该值越小。 扩散连接时间的长短——时间越长该值越大，时间越短该值越小，优选的h＇-h=0.2～0.4mm。
针对第二个方面，在扩散连接时，在喷管内壁1内侧增加内壁包套2，喷管外壁3外侧增加外壁包套4，间接增大喷管内壁1和喷管外壁3悬空区避免的当量壁厚，如图16所示。
在扩散连接的装配过程中，需要在内壁包套2与喷管内壁1之间、外壁包套4与喷管外壁3之间涂覆止焊剂8，防止在在高温状态下内壁包套2与喷管内壁1之间、外壁包套4与喷管外壁3之间发生扩散连接，便于在内外壁扩散连接完成后，顺利取出内壁包套2及外壁包套4。
喷管内壁槽底壁厚+内壁包套壁厚即为槽道悬空区内侧当量壁厚。
在相同的扩散连接压力下，当量壁厚越厚槽道悬空区避免凹陷值越小，当量壁厚越薄槽道悬空区避免凹陷值越大，通常合理的当量壁厚至应为1.5～3倍的槽道11的宽度。
在本发明实施例中，术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定。术语“安装”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
本发明实施例的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或单元必须具有特定的方向、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明实施例的限制。
在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一个优选实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上仅为本发明实施例的优选实施例而已，并不用于限制本发明实施例，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明实施例的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种针对火箭钛合金喷管热蠕变变形的控制及补偿方法，其特征在于，包括：
对坯料进行下料成形以形成初始的喷管内壁（1）、内壁包套（2）、喷管外壁（3）和外壁包套（4）；
将所述内壁包套（2）、所述喷管内壁（1）、所述喷管外壁（3）和所述外壁包套（4）的贴合面喷涂止焊剂（8）并依次进行套合；
将套合后的所述内壁包套（2）、所述喷管内壁（1）、所述喷管外壁（3）和所述外壁包套（4）一体热膨胀成形并分开；
将所述喷管内壁（1）和所述喷管外壁（3）进行加工形成冷却通道并进行表面处理；
将所述内壁包套（2）、所述喷管内壁（1）、所述喷管外壁（3）和所述外壁包套（4）再次套合、将套合后的端头封焊，并进行扩散连接；以及
去除所述内壁包套（2）和所述外壁包套（4），对成形后的喷管进行性能检测，完成喷管的制造。
2.根据权利要求1所述的针对火箭钛合金喷管热蠕变变形的控制及补偿方法，其特征在于，对坯料进行下料成形以形成初始的喷管内壁（1）、内壁包套（2）、喷管外壁（3）和外壁包套（4）包括：
对钛合金坯料进行激光下料以形成为扇形展开料；
将扇形展开料热滚弯成形、去除焊接边激光切割重熔层、以及纵焊缝焊接以形成为锥筒形结构的所述喷管内壁（1）、所述内壁包套（2）、所述喷管外壁（3）和所述外壁包套（4）；以及
分别将所述喷管内壁（1）、所述内壁包套（2）、所述喷管外壁（3）和所述外壁包套（4）进行纵焊缝焊接质量检测。
3.根据权利要求2所述的针对火箭钛合金喷管热蠕变变形的控制及补偿方法，其特征在于，所述坯料为板料，所述板料的壁厚预留防止变薄的厚度补偿量，所述厚度补偿量为0.1～0.3mm，所述热膨胀成形的温度为600～800℃，所述热滚弯成形的温度为700～850℃。
4.根据权利要求1所述的针对火箭钛合金喷管热蠕变变形的控制及补偿方法，其特征在于，将所述内壁包套（2）、所述喷管内壁（1）、所述喷管外壁（3）和所述外壁包套（4）的贴合面喷涂止焊剂（8）并依次进行套合包括：
将所述内壁包套（2）的外型面，所述喷管内壁（1）的内外型面、所述喷管外壁（3）的内外型面、以及所述外壁包套（4）的内型面喷涂止焊剂（8）以防止在后续的热膨胀成形过程中发生粘连；
将所述内壁包套（2）、所述喷管内壁（1）、所述喷管外壁（3）和所述外壁包套（4）按照形状套合于一起，且相邻的二者之间设置2～3mm的间距。
5.根据权利要求1所述的针对火箭钛合金喷管热蠕变变形的控制及补偿方法，其特征在于，将套合后的所述内壁包套（2）、所述喷管内壁（1）、所述喷管外壁（3）和所述外壁包套（4）一体热膨胀成形并分开包括：
所述内壁包套（2）、所述喷管内壁（1）、所述喷管外壁（3）和所述外壁包套（4）的两端预留40～60mm加工余量；
通过动力装置和成形模具对所述内壁包套（2）、所述喷管内壁（1）、所述喷管外壁（3）和所述外壁包套（4）进行一体热膨胀成形；以及
通过车加工去除两端端头的余量并分开所述内壁包套（2）、所述喷管内壁（1）、所述喷管外壁（3）和所述外壁包套（4）。
6.根据权利要求5所述的针对火箭钛合金喷管热蠕变变形的控制及补偿方法，其特征在于，所述成形模具包括：
模具上压板（51）；
胀形模具胀芯（52），固接于所述模具上压板（51）的底侧；
模具下底板（53）；
多个胀形模具胀瓣（54），均布于以胀形模具胀芯（52）投影到所述模具下底板（53）的中心点为圆心的圆周上，且在所述胀形模具胀芯（52）的下压作用下沿着所述圆周的直径方向向外胀形；其中，多个所述胀形模具胀瓣（54）围设成为倒圆锥形空腔，所述胀形模具胀芯（52）的形状匹配所述空腔的形状；
其中，所述动力装置为热成形机，所述模具上压板（51）在所述热成形机的作用下带动所述胀形模具胀芯（52）向下运动，并使得多个所述胀形模具胀瓣（54）径向向外移动，从而带动所述内壁包套（2）、所述喷管内壁（1）、所述喷管外壁（3）和所述外壁包套（4）一体膨胀。
7.根据权利要求6所述的针对火箭钛合金喷管热蠕变变形的控制及补偿方法，其特征在于，所述胀形模具胀瓣（54）的数量根据零件的尺寸和零件形状复杂程度确定，膨胀过程中，所述胀形模具胀瓣（54）的数量由少到多逐渐增加以形成多级膨胀；
其中，所述胀形模具胀瓣（54）为10瓣，所述多级膨胀为3级膨胀，其中，在第一级膨胀时，在所述模具下底板（53）上均匀安装8个所述胀形模具胀瓣（54），在第二级膨胀时，在所述模具下底板（53）上均匀安装9个所述胀形模具胀瓣（54），在第三级膨胀时，在所述模具下底板（53）上均匀安装10个所述胀形模具胀瓣（54）。
8.根据权利要求1所述的针对火箭钛合金喷管热蠕变变形的控制及补偿方法，其特征在于，将所述喷管内壁（1）和所述喷管外壁（3）进行加工形成冷却通道并进行表面处理包括：
在所述喷管内壁（1）的外型面加工冷却介质的槽道（11），在所述喷管外壁（3）的两端加工冷却介质流入和流出的长孔（31）；
将所述喷管内壁（1）和所述喷管外壁（3）的扩散连接面的止焊剂（8）去除并进行酸碱洗以保证清洁；
将所述喷管内壁（1）和所述喷管外壁（3）套合并使得所述槽道（11）与所述长孔（31）对正以形成冷却通道。
9.根据权利要求1所述的针对火箭钛合金喷管热蠕变变形的控制及补偿方法，其特征在于，将所述内壁包套（2）、所述喷管内壁（1）、所述喷管外壁（3）和所述外壁包套（4）再次套合、将套合后的端头封焊，并进行扩散连接包括：
对所述喷管内壁（1）的内型面、所述内壁包套（2）的外型面、所述喷管外壁（3）的外型面和所述外壁包套（4）的内型面喷涂止焊剂（8）；
依次将所述内壁包套（2）、所述喷管内壁（1）、所述喷管外壁（3）和所述外壁包套（4）套合于一起；
将套合后的所述内壁包套（2）、所述喷管内壁（1）、所述喷管外壁（3）和所述外壁包套（4）的上下两侧连接端部的端头焊接封闭；
将所述内壁包套（2）、所述喷管内壁（1）、所述喷管外壁（3）和所述外壁包套（4）进行扩散连接，其中，根据不同的喷管材料和槽道结构尺寸设置扩散连接压力为0.2～0.8MPa，扩散连接温度为880～1000℃，对所述槽道（11）以及所述内壁包套（2）与所述喷管内壁（1）之间的间隙和所述喷管外壁（3）与所述外壁包套（4）之间的间隙进行抽真空且真空度高于9×10-1Pa，焊接时间设置为50～120分钟之间。
10.根据权利要求1所述的针对火箭钛合金喷管热蠕变变形的控制及补偿方法，其特征在于，去除所述内壁包套（2）和所述外壁包套（4），对成形后的喷管进行性能检测，完成喷管的制造包括：
扩散连接完成后，去除两端部预留的40～60mm加工余量并将所述内壁包套（2）和所述外壁包套（4）去除以形成喷管；
对喷管的内表面和外表面进行打磨抛光处理，去除表面压坑、划伤以及扩散连接时涂的止焊剂（8）；
对喷管进行液压试验以检测内外壁扩散连接的强度、进行液流试验以检测喷管的槽道（11）的通畅性以及进行气密试验以检测喷管的密封性。
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