CN115815088A - 一种火箭发动机喷管内表面电子束改性方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及材料加工技术领域，具体而言，涉及一种火箭发动机喷管内表面电子束改性方法，包括：步骤1：对喷管进行表面涂层预制；步骤2：将可升降旋转台安装到工作平台上；步骤3：将涂层预制完成后的喷管安装到可升降旋转台上；步骤4：将电子束束斑偏转装置安装到工作平台上；步骤5：根据喷管结构内型面尺寸，确定偏移距离、旋转线速度、上升螺距以及电子束偏转射入角度；步骤6：设定电子束改性工艺技术参数；步骤7：完成对喷管内表面的电子束改性处理。本申请克服了火箭发动机喷管内曲面表面改性束斑的自由度束缚，能够适用于不同喷管管径以及管径内曲面等异形结构的表面改性，实现了具有耐高温、抗氧化等需求的涂层冶金结合。
Description
技术领域
本申请涉及材料加工技术领域，具体而言，涉及一种火箭发动机喷管内表面电子束改性方法。
背景技术
当前随着我国材料科学领域的不断发展，许多先进的材料应运而生，但是在某些特殊的应用领域，如火箭发动机喷管就需要耐高温、抗氧化材料，特别是在喷管咽喉位置，该位置一直以来都是火箭发动机喷管的薄弱区域，当火箭发动机点火以后，喷管区域中，咽喉位置首先温度急剧升高，对耐高温氧化要求及其高，否则会严重影响发动机喷管性能及寿命。然而，目前缺少完全符合该部分的基体材料，火箭发动机喷管一般选用高温合金制作基体，通过涂层防护技术实现抗高温氧化应用要求。
近年来，针对这类涂层的电子束改性技术显示出了较好的效果，可以显著降低涂层表面粗糙度，提高涂层致密性和结合强度，但是由于喷管结构的特殊性，在对内表面进行改性时，受到结构的限制，电子束加工存在可达性困难，特别是咽喉部位进行处理时，很难对该内部区域实施改性处理，制约了电子束改性技术的工程应用。
发明内容
本申请提供了一种火箭发动机喷管内表面电子束改性方法，改善了火箭发动机喷管内表面涂层结合强度，致密性以及粗糙度，解决了喷管内表面电子束改性可达性的问题。
为了实现上述目的，本申请提供了一种火箭发动机喷管内表面电子束改性方法，包括如下步骤：步骤1：对火箭发动机喷管进行表面涂层预制；步骤2：将可升降旋转台安装到真空舱内的电子束改性设备工作平台上；步骤3：将涂层预制完成后的火箭发动机喷管安装到可升降旋转台上；步骤4：将电子束束斑偏转装置安装到真空舱内的电子束改性设备工作平台上；步骤5：根据火箭发动机喷管结构内型面尺寸，通过电子束改性设备工作平台调整电子束轴线到喷管内曲面的偏移距离，通过可升降旋转台调整喷管的旋转线速度和上升螺距，通过电子束束斑偏转装置实现电子束偏转射入；步骤6：设定电子束改性工艺技术参数；步骤7：设定好参数以后，先进行火箭发动机喷管运行轨迹验证，确认相关参数无误后，最终完成对火箭发动机喷管内表面的电子束改性处理。
进一步的，步骤1中，进行表面涂层预制时采用料浆烧结法制备，其中：料浆的主要成分为是AL2O3；火箭发动机喷管基体材料是TD3；涂层预制完成后，涂层的厚度为50-100um。
进一步的，步骤2中，电子束改性设备工作平台设置在真空舱内部，可升降旋转台设置在电子束改性设备工作平台上，位于电子枪的正下方，可升降旋转台整体能够在电子束改性设备工作平台上左右移动。
进一步的，步骤4中，在电子束束斑偏转装置安装过程中，调整电子束束斑偏转装置与可升降旋转台的相对位置，使偏转装置的上表面与涂层预制完成后喷管的上表面平齐。
进一步的，步骤5中，通过电子束改性设备工作平台调整电子束轴线到喷管内曲面的偏移距离，偏移距离为3-6mm，通过可升降旋转台调整喷管的旋转线速度和上升螺距，旋转线速度为4-10mm/s，上升螺距为4-12mm，通过电子束束斑偏转装置实现电子束偏转射入，束斑偏转角度为0-90°。
进一步的，步骤6中，电子束改性工艺技术参数包括高压电源、聚焦电流、束流、工作距离以及束斑直径，其中：高压电源为20-60KV；聚集电流为2000-3000mA；束流为5-15mA；工作距离是电子枪下表面到喷管上表面的距离，为400-480mm；束斑直径为5-10mm。
本发明提供的一种火箭发动机喷管内表面电子束改性方法，具有以下有益效果：
本申请在真空环境中，克服了火箭发动机喷管内曲面表面改性束斑的自由度束缚，特别是喷管内曲面咽喉部位上的表面处理，能够适用于不同喷管管径以及管径内曲面等异形结构的表面改性，实现了具有耐高温、抗氧化等需求的涂层冶金结合，改善了涂层的粗糙度及致密度。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是根据本申请实施例提供的进行火箭发动机喷管内表面电子束改性的装置示意图；
图中：1-可升降旋转台、2-喷管、3-偏转装置、4-电子束、a-工作距离、b-偏转距离。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”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。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。
另外，术语“多个”的含义应为两个以及两个以上。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
本申请实施例提供的火箭发动机喷管内表面电子束改性方法，解决了喷管2内表面电子束改性可达性的问题，能够适用于不同喷管2管径以及管径内曲面等异形结构的表面改性，具体包括如下步骤：
步骤1：对火箭发动机喷管2进行表面涂层预制，采用料浆烧结法制备，其中：料浆的主要成分为是AL2O3；火箭发动机喷管2基体材料是TD3；涂层预制完成后，涂层的厚度为50-100um。
步骤2：将可升降旋转台1安装到真空舱内的电子束改性设备工作平台上，电子束改性设备工作平台设置在真空舱内部，可升降旋转台1设置在电子束改性设备工作平台上，位于电子枪的正下方，可升降旋转台1整体能够在电子束改性设备工作平台上左右移动。在电子束表面改性时，可升降旋转台1主要用于控制喷管2进行螺旋上升运动，电子束改性设备工作平台能够实现可升降旋转台1整体沿X轴左右运动，保证电子束轴线到喷管2内曲面的偏移距离bb保持固定。
步骤3：将涂层预制完成后的火箭发动机喷管2固定安装到可升降旋转台1上，喷管2能够在可升降旋转台1的作用下进行螺旋运动。
步骤4：将电子束束斑偏转装置3安装到真空舱内的电子束改性设备工作平台上，调整电子束束斑偏转装置3与可升降旋转台1的相对位置，使偏转装置3的上表面与涂层预制完成后喷管2的上表面平齐。电子束束斑偏转装置3的主要作用是提供均匀的磁场，保证电子束4束斑能够精确偏转到喷管2所需的工作部位上。
步骤5：根据火箭发动机喷管2结构内型面尺寸，通过电子束改性设备工作平台调整电子束轴线到喷管2内曲面的偏移距离b，偏移距离b为3-6mm，通过可升降旋转台1调整喷管2的旋转线速度和上升螺距，旋转线速度为4-10mm/s，上升螺距为4-12mm，通过电子束束斑偏转装置3实现电子束偏转射入，束斑偏转角度为0-90°。可升降旋转台1除了固定喷管2的作用外，还能够精确控制着喷管2内表面的改性速度，即旋转线速度和上升移动的速度，从而实现整体管件内曲面自动连续表面处理；电子束束斑偏转装置3，主要是通过改变磁场强度的方式实现电子束4束斑角度在0-90°内的偏转，从而保证电子束4能够垂直作用于工件表面。
步骤6：设定电子束改性工艺技术参数，电子束改性工艺技术参数包括高压电源、聚焦电流、束流、工作距离a以及束斑直径，其中：高压电源为20-60KV；聚集电流为2000-3000mA；束流为5-15mA；工作距离a是电子枪下表面到喷管2上表面的距离，为400-480mm；束斑直径为5-10mm。
步骤7：设定好参数以后，先进行火箭发动机喷管2运行轨迹验证，确认相关参数无误后，最终完成对火箭发动机喷管2内表面的电子束改性处理。
下面结合具体的实施例，对本申请作进一步的说明：
实施例1
在本申请实施例提供的火箭发动机喷管内表面电子束改性方法中，包括如下步骤：
步骤1：对火箭发动机喷管2进行表面涂层预制，采用料浆烧结法制备，其中：料浆的主要成分为是AL2O3；火箭发动机喷管2基体材料是TD3；涂层预制完成后，涂层的厚度为50um。
步骤2：将可升降旋转台1安装到真空舱内的电子束改性设备工作平台上。
步骤3：将涂层预制完成后的火箭发动机喷管2固定安装到可升降旋转台1上。
步骤4：将电子束束斑偏转装置3安装到真空舱内的电子束改性设备工作平台上，调整电子束束斑偏转装置3与可升降旋转台1的相对位置，使偏转装置3的上表面与涂层预制完成后喷管2的上表面平齐。
步骤5：根据火箭发动机喷管2结构内型面尺寸，通过电子束改性设备工作平台调整电子束轴线到喷管2内曲面的偏移距离b，火箭发动机喷管2结构内型面最小直径为8mm时，偏移距离b为4mm，通过可升降旋转台1调整喷管2的旋转线速度和上升螺距，旋转线速度为8mm/s，上升螺距为4mm，通过电子束束斑偏转装置3实现电子束偏转射入，束斑偏转角度为0-90°。
步骤6：设定电子束改性工艺技术参数，电子束改性工艺技术参数包括高压电源、聚焦电流、束流、工作距离a以及束斑直径，工艺参数的组合需保证束斑作用区受热能量一致，其中：高压电源为60KV；聚集电流为2800mA；束流为6mA；工作距离a是电子枪下表面到喷管2上表面的距离，为450mm；束斑直径为5mm。
步骤7：设定好参数以后，先进行火箭发动机喷管2运行轨迹验证，确认相关参数无误后，最终完成对火箭发动机喷管2内表面的电子束改性处理。
实施例2
在本申请实施例提供的火箭发动机喷管内表面电子束改性方法中，包括如下步骤：
步骤1：对火箭发动机喷管2进行表面涂层预制，采用料浆烧结法制备，其中：料浆的主要成分为是AL2O3；火箭发动机喷管2基体材料是TD3；涂层预制完成后，涂层的厚度为50um。
步骤2：将可升降旋转台1安装到真空舱内的电子束改性设备工作平台上。
步骤3：将涂层预制完成后的火箭发动机喷管2固定安装到可升降旋转台1上。
步骤4：将电子束束斑偏转装置3安装到真空舱内的电子束改性设备工作平台上，调整电子束束斑偏转装置3与可升降旋转台1的相对位置，使偏转装置3的上表面与涂层预制完成后喷管2的上表面平齐。
步骤5：根据火箭发动机喷管2结构内型面尺寸，通过电子束改性设备工作平台调整电子束轴线到喷管2内曲面的偏移距离b，火箭发动机喷管2结构内型面最小直径为10mm时，偏移距离b为5mm，通过可升降旋转台1调整喷管2的旋转线速度和上升螺距，旋转线速度为7mm/s，上升螺距为6mm，通过电子束束斑偏转装置3实现电子束偏转射入，束斑偏转角度为0-90°。
步骤6：设定电子束改性工艺技术参数，电子束改性工艺技术参数包括高压电源、聚焦电流、束流、工作距离a以及束斑直径，工艺参数的组合需保证束斑作用区受热能量一致，其中：高压电源为60KV；聚集电流为3000mA；束流为10mA；工作距离a是电子枪下表面到喷管2上表面的距离，为450mm；束斑直径为8mm。
步骤7：设定好参数以后，先进行火箭发动机喷管2运行轨迹验证，确认相关参数无误后，最终完成对火箭发动机喷管2内表面的电子束改性处理。
实施例3
在本申请实施例提供的火箭发动机喷管内表面电子束改性方法中，包括如下步骤：
步骤1：对火箭发动机喷管2进行表面涂层预制，采用料浆烧结法制备，其中：料浆的主要成分为是AL2O3；火箭发动机喷管2基体材料是TD3；涂层预制完成后，涂层的厚度为50um。
步骤2：将可升降旋转台1安装到真空舱内的电子束改性设备工作平台上。
步骤3：将涂层预制完成后的火箭发动机喷管2固定安装到可升降旋转台1上。
步骤4：将电子束束斑偏转装置3安装到真空舱内的电子束改性设备工作平台上，调整电子束束斑偏转装置3与可升降旋转台1的相对位置，使偏转装置3的上表面与涂层预制完成后喷管2的上表面平齐。
步骤5：根据火箭发动机喷管2结构内型面尺寸，通过电子束改性设备工作平台调整电子束轴线到喷管2内曲面的偏移距离b，火箭发动机喷管2结构内型面最小直径为12mm时，偏移距离b为6mm，通过可升降旋转台1调整喷管2的旋转线速度和上升螺距，旋转线速度为6mm/s，上升螺距为8mm，通过电子束束斑偏转装置3实现电子束偏转射入，束斑偏转角度为0-90°。
步骤6：设定电子束改性工艺技术参数，电子束改性工艺技术参数包括高压电源、聚焦电流、束流、工作距离a以及束斑直径，工艺参数的组合需保证束斑作用区受热能量一致，其中：高压电源为60KV；聚集电流为32000mA；束流为13mA；工作距离a是电子枪下表面到喷管2上表面的距离，为450mm；束斑直径为10mm。
步骤7：设定好参数以后，先进行火箭发动机喷管2运行轨迹验证，确认相关参数无误后，最终完成对火箭发动机喷管2内表面的电子束改性处理。
通过上述三个实施例，可以看出不同规格火箭发动机喷管2需要根据内型面最小直径采用不同偏移距离b和束斑直径，在此基础上考虑电子束改性效率选择不同的螺旋上升运动参数(旋转线速度和上升螺距)，最后在保证束斑作用区热能量一致的原则下确定其他工艺参数，实现相同基体和涂层材料的电子束改性效果。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种火箭发动机喷管内表面电子束改性方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：对火箭发动机喷管进行表面涂层预制；
步骤2：将可升降旋转台安装到真空舱内的电子束改性设备工作平台上；
步骤3：将涂层预制完成后的火箭发动机喷管安装到可升降旋转台上；
步骤4：将电子束束斑偏转装置安装到真空舱内的电子束改性设备工作平台上；
步骤5：根据火箭发动机喷管结构内型面尺寸，通过电子束改性设备工作平台调整电子束轴线到喷管内曲面的偏移距离，通过可升降旋转台调整喷管的旋转线速度和上升螺距，通过电子束束斑偏转装置实现电子束偏转射入；
步骤6：设定电子束改性工艺技术参数；
步骤7：设定好参数以后，先进行火箭发动机喷管运行轨迹验证，确认相关参数无误后，最终完成对火箭发动机喷管内表面的电子束改性处理。
2.根据权利要求1所述的火箭发动机喷管内表面电子束改性方法，其特征在于，步骤1中，进行表面涂层预制时采用料浆烧结法制备，其中：
料浆的主要成分为是AL2O3；
火箭发动机喷管基体材料是TD3；
涂层预制完成后，涂层的厚度为50-100um。
3.根据权利要求1所述的火箭发动机喷管内表面电子束改性方法，其特征在于，步骤2中，电子束改性设备工作平台设置在真空舱内部，可升降旋转台设置在电子束改性设备工作平台上，位于电子枪的正下方，可升降旋转台整体能够在电子束改性设备工作平台上左右移动。
4.根据权利要求1所述的火箭发动机喷管内表面电子束改性方法，其特征在于，步骤4中，在电子束束斑偏转装置安装过程中，调整电子束束斑偏转装置与可升降旋转台的相对位置，使偏转装置的上表面与涂层预制完成后喷管的上表面平齐。
5.根据权利要求1所述的火箭发动机喷管内表面电子束改性方法，其特征在于，步骤5中，通过电子束改性设备工作平台调整电子束轴线到喷管内曲面的偏移距离，偏移距离为3-6mm，通过可升降旋转台调整喷管的旋转线速度和上升螺距，旋转线速度为4-10mm/s，上升螺距为4-12mm，通过电子束束斑偏转装置实现电子束偏转射入，束斑偏转角度为0-90°。
6.根据权利要求3所述的箭发动机喷管内表面电子束改性方法，其特征在于，步骤6中，电子束改性工艺技术参数包括高压电源、聚焦电流、束流、工作距离以及束斑直径，其中：
所述高压电源为20-60KV；
所述聚集电流为2000-3000mA；
束流为5-15mA；
工作距离是电子枪下表面到喷管上表面的距离，为400-480mm；
束斑直径为5-10mm。
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|---|
| 张永和等: "电子束改性技术应用于回转体零件的工艺试验研究", 《制造技术研究》, no. 2, pages 20 - 23 * |
| 张永和等: "电子束改性技术应用于回转体零件的工艺试验研究", 制造技术研究, no. 2, pages 20 - 23 * |
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| CN115815088B (zh) | 2024-02-06 |
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