專利名稱：：一種火箭發(fā)動機噴管的制備方法以及其專用設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種火箭發(fā)動機噴管的制備方法；本發(fā)明還涉及這種制備方法的專用設(shè)備。
背景技術(shù)：
：現(xiàn)有的噴管承受的壓力在十幾個兆帕左右，采用不加涂層的鉬噴管完全能達到要求。最接近的現(xiàn)有技術(shù)中的噴管的制備方法為通過機械加工的方法制備金屬外殼，再通過等離子噴涂或者化學(xué)氣相沉積的方法在金屬外殼的內(nèi)孔上制備涂層；這種方法只能適用于內(nèi)孔尺寸較大的噴管，特別是等離子噴涂方法很難制備多層復(fù)合涂層結(jié)構(gòu)，同時也存在涂層不夠致密和涂層與金屬外殼的結(jié)合力不夠好等問題。某種高壓火箭發(fā)動機噴管需要在高壓(3050MPa)、高過載(16001800m/s2)和高轉(zhuǎn)速(1100016000轉(zhuǎn)/分鐘)的環(huán)境下工作，其需要滿足抗高溫、抗燒蝕、抗高速燃燒氣體和顆粒的沖刷(7001600)m/s的要求。只有在噴管的內(nèi)壁噴涂上抗燒蝕、抗沖刷的涂層才能夠達到這種要求。由于上述的某種高壓火箭發(fā)動機噴管的尺寸比常規(guī)的噴管尺寸小，喉部尺寸僅為①8mm，且為拉瓦爾管狀結(jié)構(gòu)，常規(guī)等離子噴涂方法很難在這種內(nèi)孔復(fù)雜的曲面上均勻、可靠地制備抗高溫、抗沖刷的涂層；并且由于等離子噴涂方法工藝的限制，更難以在內(nèi)孔制備多層復(fù)合涂層結(jié)構(gòu)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種火箭發(fā)動機噴管的制備方法，其不僅能制備一般的火箭發(fā)動機噴管，而且適用于制備某種小尺寸的抗高溫、抗燒蝕、抗高速燃燒氣體和顆粒沖刷的高壓火箭發(fā)動機噴管。本發(fā)明的另一目的在于提供這種制備方法中的專用設(shè)備。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的一種火箭發(fā)動機噴管的制備方法，它包括以下步驟(1)制備所述火箭發(fā)動機噴管的毛坯和制備所述毛坯的芯棒；(2)在所述芯棒表面噴涂涂層后，對芯棒的表面進行磨削加工，并將磨削后的芯棒與所述毛坯進行配車；(3)將磨削后的芯棒與所述毛坯在壓機上配裝；然后將裝配好的整體進行包套處理；(4)將包套處理好的整體在熱等靜壓爐內(nèi)進行熱等靜壓處理；(5)熱等靜壓處理后，去除包套材料和芯棒，再對附著涂層的噴管毛坯進行精加工得本發(fā)明產(chǎn)品。上述步驟(1)中所述毛坯的材料可以選擇高強鋼或鉬。在芯棒的選擇過程中，發(fā)明人在鋁合金、錫鉍合金、石膏、樹脂砂、鋼管、鹽芯和石4墨等基體上進行了涂層等離子噴涂工藝試驗，并進行了去除芯棒材料工藝試驗，試驗結(jié)果見表1所示，優(yōu)選出工藝可靠、易于實施的石墨作為芯棒材料。表1芯棒材料選擇試驗結(jié)果材料試驗情況及結(jié)果鋁合金噴涂涂層后，用堿腐蝕劑去除芯棒，效果良好，但時間長。銅噴涂涂層后，用酸腐蝕，能去除基體，但對涂層質(zhì)量有影響。鋼噴涂涂層后，用酸腐蝕，去除基體速度太慢。氯化鈉涂層內(nèi)表面質(zhì)量不易控制。石墨噴涂涂層質(zhì)量好，采用機械去除法去除基體，效果較好。錫鉍合金用熔化的方式去除，涂層易開裂。石蠟用熔化的方式去除，效果良好。上述步驟(2)中在所述芯棒表面噴涂涂層是采用等離子噴涂法在芯棒表面噴涂上以金屬粉末為最外層的涂層。本發(fā)明中強調(diào)在最外層涂上金屬粉末，主要是為了在后續(xù)的熱等靜壓處理過程中，最外層的金屬粉末層易于與同樣為金屬的噴管毛坯融合為一體；所以最外層的金屬粉末與噴管的毛坯為同一種金屬時效果最佳。噴涂材料可以為各種常規(guī)的材料，按照工作條件的對噴管的質(zhì)量要求進行選擇。噴涂的厚度也是根據(jù)噴管的要求來確定。上述配車的過盈量一般為O.01mm0.02mm。上述步驟(3)中所述包套處理是為了后續(xù)的熱等靜壓處理的需要，發(fā)明人進行了大量的熱等靜壓包套材料選擇試驗，試驗結(jié)果見表2所示；最后發(fā)明人優(yōu)選使用鉬作為包套材料。表2包套材料及方法選擇試驗結(jié)果包套材料包套方法試驗情況及結(jié)果不銹鋼板真空擴散焊接不銹鋼與等靜壓設(shè)備石墨加熱氣氛在iiocrc左右反應(yīng)生成滲碳體。5<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>上述步驟(4)中所述熱等靜壓處理是按常規(guī)方法，將所述包套好的整體及玻璃渣放入石墨坩堝內(nèi)，再將石墨坩堝放入熱等靜壓爐內(nèi)進行處理；通過熱等靜壓處理，使得涂層更加致密化，同時涂層與噴管毛坯結(jié)合力更強。上述步驟(5)中所述的去除芯棒是采用機械加工的方法去除。上述火箭發(fā)動機噴管的制備方法，最優(yōu)選的方案為步驟(1)中，所述毛坯的材料為鉬；步驟(2)中，所述涂層為以鉭粉為底層，中間為氧化鋯粉和鉬粉的交替分布層，以鉬粉為最外層的涂層。選擇鉬為毛坯材料同時選擇鉬粉為涂層的最外層，是為了在后面的熱等靜壓處理中涂層與噴管毛坯的結(jié)合容易。選擇鉭粉為底層，是因為鉭粉易于與石墨在熱等靜壓處理過程中生成一層致密的碳化鉭，而碳化鉭是一種熔點極高的化合物，去除芯棒以后，碳化鉭層就是噴管涂層的最外層，使得噴管能夠極好地滿足抗高溫、抗燒蝕、抗高速燃燒氣體和顆粒沖刷的要求。氧化鋯粉和鉬粉的交替涂層中部分也與石墨反應(yīng)生成了碳化鋯和碳化鉬。氧化鋯粉和鉬粉的交替層的厚度根據(jù)噴管的需要決定。上述火箭發(fā)動機噴管的制備方法，為了達到最好的效果，更優(yōu)選的方案為步驟(2)中，在所述芯棒表面噴涂涂層之前，對所述石墨芯棒采用汽油去油、丙酮脫脂，除去所述石墨芯棒表面上的所有污物，再將所述石墨芯棒放入電爐中在45(TC50(rC下烘烤l小時，燒去石墨中易揮發(fā)的汽油和丙酮；在所述芯棒表面噴涂涂層之前，將噴涂用粉末置入烘箱中，在12(TC下烘30min以上，再用120目的分樣篩過篩，去除篩余物；步驟(3)中，在所述配裝之前，將所述磨削后的芯棒與所述毛坯清洗好，再將所述本體毛坯放入烘箱內(nèi)加熱到180°C士15。C，保溫2h。上述的火箭發(fā)動機噴管的制備方法，所述熱等靜壓處理工藝參數(shù)優(yōu)選為如下其中所述熱等靜壓處理的的溫度與時間的關(guān)系為升溫12分鐘，將溫度升至IOO(TC后保溫15分鐘；再升溫7分鐘，將溫度升至140(TC后保溫35分鐘；然后降溫3分鐘將溫度降至120(TC后保溫20分鐘；再降溫7分鐘將溫度降至950°C，保溫15分鐘后，再持續(xù)降溫120分鐘將溫度逐步降至室溫；所述熱等靜壓處理的壓力與時間的關(guān)系為壓力設(shè)置為20MPa進行預(yù)壓處理20分鐘；然后繼續(xù)升壓16分鐘，在溫度達到140(TC之后5分鐘使壓力達80MPa后保持35分鐘；再降壓4分鐘將壓力降至40MPa后保持15分鐘；再降壓7分鐘將壓力降至20MPa并一直保持至溫度冷卻至室溫時。本發(fā)明的另一目的是這樣實現(xiàn)的上述火箭發(fā)動機噴管的制備方法中的專用設(shè)備，即一種芯棒，其特征在于它包括收斂段、喉部和擴張段，上述的收斂段、喉部和擴張段為一體的；其各部分形狀及大小一一對應(yīng)于所制得的噴管的內(nèi)孔部分。為了機械加工的方便以及在芯棒上噴涂均勻可靠，在芯棒的兩端分別設(shè)置有兩個圓柱，在所述收斂段的末端依次設(shè)置圓柱A和圓柱B，在所述擴張段的末端依次設(shè)置圓柱C和圓柱D;所述圓柱A的直徑等于所述收斂段的最大直徑，所述圓柱B的直徑大于所述收斂段的最大直徑，所述圓柱C的直徑等于所述擴張段的最大直徑，所述圓柱D的直徑大于所述擴張段的最大直徑。上述增設(shè)的圓柱A、B、C、D在芯棒噴涂上涂層并裝配到噴管毛坯之后通過機械方法切除。由于后續(xù)的機械去除方便，同時可以產(chǎn)生高熔點的化合物，上述芯棒優(yōu)選為石墨芯棒。本發(fā)明的有益效果為1、本發(fā)明方法不僅適用于內(nèi)孔尺寸較大的噴管，而且適用于內(nèi)孔尺寸較小且對涂層有特殊要求的噴管；2、本發(fā)明方法在制備噴管的選材上，不僅可以選擇鉬，還可以選擇高強鋼，克服了現(xiàn)有技術(shù)中制備高要求的噴管時局限于選擇價格昂貴的鉬噴管的缺點；3、本發(fā)明方法，對于噴管涂層可以根據(jù)要求確定噴涂材料及噴涂厚度，能滿足各種工作環(huán)境的需要；4、本發(fā)明方法優(yōu)選石墨芯棒，在芯棒上噴涂時以鉭粉為底層，生成的碳化鉭是一種熔點極高、硬度極強的化合物；通過熱等靜壓處理和機械加工去除芯棒，使碳化鉭轉(zhuǎn)化為噴管涂層的最外層，制得的噴管極好地滿足了某型號高壓火箭發(fā)動機的抗高溫、抗沖刷、抗燒蝕的要求；5、本發(fā)明方法通過反向制備技術(shù)將內(nèi)孔的涂層制備轉(zhuǎn)化為芯棒體表面涂層制備，能夠輕松的制備出多層復(fù)合涂層結(jié)構(gòu)，同時通過熱等靜壓致密化技術(shù)得到更致密的涂層，最終制備出優(yōu)質(zhì)的高比沖固體火箭發(fā)動機噴管；6、本發(fā)明方法制得的噴管內(nèi)孔涂層表面光潔且厚度均勻，涂層與噴管毛坯的結(jié)合力強，能夠確保噴管隔熱、抗燃氣沖刷作用；本發(fā)明方法改進了噴管涂層的結(jié)構(gòu)，提高了涂層的致密性，從而進一步提高了噴管的性能，提高導(dǎo)彈的飛行速度和射程；本發(fā)明制得的噴管能夠滿足3000K3700K高溫下抗燒蝕、抗高速燃燒氣體和顆粒的沖刷(7001600)m/s的要求，在3700K高溫的工作條件下，噴管的喉部增大量僅為0.3mm以下，完全能夠滿足高比沖固體火箭發(fā)動機的要求。圖1為本發(fā)明的噴管毛坯結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的石墨芯棒示意圖；圖3為石墨芯棒噴涂涂層結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明的噴管毛坯和涂層芯棒配裝示意圖；圖5為本發(fā)明的噴管包套示意圖6為本發(fā)明的噴管最終結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為本發(fā)明實施例1的熱等靜壓工藝曲線圖；圖中1、收斂段；2、喉部；3、擴張段；4、圓柱A;5、圓柱B;6、圓柱C;7、圓柱D;8、涂層；9、包套材料；10、噴管；11、芯棒。具體實施例方式下面結(jié)合附圖，通過實施例的方式進一步說明本發(fā)明，并不因此將本發(fā)明限制在所述的實施例范圍之中。實施例1—種火箭發(fā)動機噴管的制備方法，它包括以下步驟(1)以鉬為材料制備如圖1所示的火箭發(fā)動機噴管的毛坯；同時制備如圖2所示的與制備的噴管內(nèi)孔配合的石墨芯棒；(2)將上述石墨芯棒采用汽油去油、丙酮脫脂，除去所述石墨芯棒表面上的所有污物，再將所述石墨芯棒放入電爐中在450°C50(TC下烘烤1小時，燒去石墨中易揮發(fā)的汽油和丙酮；與此同時，將噴涂用鉭粉、鉬粉和氧化鋯粉置入烘箱中，在12(TC下烘30min以上，再用120目的分樣篩過篩，去除篩余物；然后用等離子噴涂法在芯棒表面噴涂上鉭粉、氧化鋯粉與鉬粉，其中與芯棒接觸的一層為鉭粉層，中間為氧化鋯粉與鉬粉交替分布層，最外層為鉬粉層；噴涂涂層后的芯棒結(jié)構(gòu)如圖3所示；最后對芯棒的表面的涂層進行磨削加工，并將磨削后的芯棒與所述毛坯進行配車，配車的過盈量為0.Olmm0.02mm;(3)將所述磨削后的芯棒與所述毛坯清洗好，再將所述本體毛坯放入烘箱內(nèi)加熱到180°C士15。C，保溫2h;然后將磨削后的芯棒與所述毛坯在壓機上配裝；裝配好的結(jié)構(gòu)如圖4所示；然后用鉬板作為包套材料，將裝配好的整體進行包套處理；包套處理后的結(jié)果如圖5所示；(4)將所述包套好的整體及玻璃渣放入石墨坩堝內(nèi)，再將石墨坩堝放入熱等靜壓爐內(nèi)進行熱等靜壓處理；上述熱等靜壓處理的的溫度與時間的關(guān)系為升溫12分鐘，將溫度升至IOO(TC后保溫15分鐘；再升溫7分鐘，將溫度升至140(TC后保溫35分鐘；然后降溫3分鐘將溫度降至120(TC后保溫20分鐘；再降溫7分鐘將溫度降至95(TC，保溫15分鐘后，再持續(xù)降溫120分鐘將溫度逐步降至室溫；所述熱等靜壓處理的壓力與時間的關(guān)系為壓力設(shè)置為20MPa進行預(yù)壓處理20分鐘；然后繼續(xù)升壓16分鐘，在溫度達到140(TC之后5分鐘使壓力達80MPa后保持35分鐘；再降壓4分鐘將壓力降至40MPa后保持15分鐘；再降壓7分鐘將壓力降至20MPa并一直保持至溫度冷卻至室溫時；熱等靜壓處理曲線圖如圖7所示；(5)熱等靜壓處理后，用機械方法去除包套材料和芯棒，再對附著涂層的噴管毛坯進行精加工得本發(fā)明產(chǎn)品，如圖6所示。實施例2—種火箭發(fā)動機噴管的制備方法，其具體步驟和工藝參數(shù)同實施例l，不同點在于采用高強鋼為材料制備火箭發(fā)動機噴管毛坯。實施例3如圖2所示，一種芯棒，其特征在于它包括收斂段1、喉部2和擴張段3;在芯棒的兩端分別設(shè)置有兩個圓柱，在所述收斂段1的末端依次設(shè)置圓柱A4和圓柱B5，在所述擴張段3的末端依次設(shè)置圓柱C6和圓柱D7;所述圓柱A4的直徑等于所述收斂段1的最大直徑，所述圓柱B5的直徑大于所述收斂段1的最大直徑，所述圓柱C6的直徑等于所述擴張段3的最大直徑，所述圓柱D7的直徑大于所述擴張段3的最大直徑；上述芯棒為石墨芯棒。權(quán)利要求一種火箭發(fā)動機噴管的制備方法，它包括以下步驟(1)制備所述火箭發(fā)動機噴管的毛坯和制備所述毛坯的芯棒；(2)在所述芯棒表面噴涂涂層后，對芯棒表面的涂層進行磨削加工，并將磨削后的芯棒與所述毛坯進行配車；(3)將表面涂層磨削后的芯棒與所述毛坯在壓機上配裝；然后將裝配好的整體進行包套處理；(4)將包套處理好的整體在熱等靜壓爐內(nèi)進行熱等靜壓處理；(5)熱等靜壓處理后，去除包套材料和芯棒，再對附著涂層的噴管毛坯進行精加工得本發(fā)明產(chǎn)品。2.根據(jù)權(quán)利要求l所述的火箭發(fā)動機噴管的制備方法，其特征在于步驟(1)中，所述毛坯的材料為高強鋼或鉬；所述芯棒的材料為石墨；步驟(2)中在所述芯棒表面噴涂涂層是用等離子噴涂法在芯棒表面噴涂上以金屬粉末為最外層的涂層；配車的過盈量為0.01mm0.02mm;步驟(3)中，所述包套處理使用鉬作為包套材料；步驟(4)中，所述熱等靜壓處理是將所述包套好的整體及玻璃渣放入石墨坩堝內(nèi)，再將石墨坩堝放入熱等靜壓爐內(nèi)進行處理；步驟(5)中，所述的去除芯棒采用機械加工去除。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的火箭發(fā)動機噴管的制備方法，其特征在于步驟(1)中，所述毛坯的材料為鉬；步驟(2)中，所述涂層為以鉭粉為底層，中間為氧化鋯粉和鉬粉的交替分布層，以鉬粉為最外層的涂層。4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的火箭發(fā)動機噴管的制備方法，其特征在于步驟(2)中，在所述芯棒表面噴涂涂層之前，對所述石墨芯棒采用汽油去油、丙酮脫脂，除去所述石墨芯棒表面上的所有污物，再將所述石墨芯棒放入電爐中在45(TC50(rC下烘烤1小時，燒去石墨中易揮發(fā)的汽油和丙酮；在所述芯棒表面噴涂涂層之前，將噴涂用粉末置入烘箱中，在12(TC下烘30min以上，再用120目的分樣篩過篩，去除篩余物；步驟(3)中，在所述配裝之前，將所述磨削后的芯棒與所述毛坯清洗好，再將所述本體毛坯放入烘箱內(nèi)加熱到180°C士15。C，保溫2h。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的火箭發(fā)動機噴管的制備方法，其特征在于步驟(4)中，所述熱等靜壓處理的的溫度與時間的關(guān)系為升溫12分鐘，將溫度升至IOO(TC后保溫15分鐘；再升溫7分鐘，將溫度升至140(TC后保溫35分鐘；然后降溫3分鐘將溫度降至120(TC后保溫20分鐘；再降溫7分鐘將溫度降至95(TC，保溫15分鐘后，再持續(xù)降溫120分鐘將溫度逐步降至室溫；所述熱等靜壓處理的壓力與時間的關(guān)系為壓力設(shè)置為20MPa進行預(yù)壓處理20分鐘；然后繼續(xù)升壓16分鐘，在溫度達到140(TC之后5分鐘使壓力達80MPa后保持35分鐘；再降壓4分鐘將壓力降至40MPa后保持15分鐘；再降壓7分鐘將壓力降至20MPa并一直保持至溫度冷卻至室溫時。6.—種芯棒，其特征在于它包括收斂段(D、喉部(2)和擴張段(3)。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的芯棒，其特征在于在芯棒的兩端分別設(shè)置有兩個圓柱，在所述收斂段(1)的末端依次設(shè)置圓柱A(4)和圓柱B(5)，在所述擴張段(3)的末端依次設(shè)置圓柱C(6)和圓柱D(7);所述圓柱A(4)的直徑等于所述收斂段(1)的最大直徑，所述圓柱B(5)的直徑大于所述收斂段(1)的最大直徑，所述圓柱C(6)的直徑等于所述擴張段(3)的最大直徑，所述圓柱D(7)的直徑大于所述擴張段(3)的最大直徑。8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的芯棒，其特征在于所述芯棒為石墨芯棒。全文摘要本發(fā)明提供一種火箭發(fā)動機噴管的制備方法，它包括以下步驟(1)制備所述火箭發(fā)動機噴管的毛坯和制備所述毛坯的芯棒；(2)在所述芯棒表面噴涂涂層后，對芯棒的表面進行磨削加工，并將磨削后的芯棒與所述毛坯進行配車；(3)將磨削后的芯棒與所述毛坯在壓機上配裝；然后將裝配好的整體進行包套處理；(4)將包套處理好的整體在熱等靜壓爐內(nèi)進行熱等靜壓處理；(5)熱等靜壓處理后，去除包套材料和芯棒，再對附著涂層的噴管毛坯進行精加工得本發(fā)明產(chǎn)品。本發(fā)明還提供這種制備方法的專用設(shè)備。本發(fā)明方法不僅適用于內(nèi)孔尺寸較大的噴管，而且適用于內(nèi)孔尺寸較小且對涂層有特殊要求的噴管。文檔編號B22C9/12GK101733614SQ20081023308公開日2010年6月16日申請日期2008年11月20日優(yōu)先權(quán)日2008年11月20日發(fā)明者吳護林,張津,張隆平,易同斌,李曉暉,諸祖渝申請人:中國兵器工業(yè)第五九研究所