一种火箭发动机全复合材料壳体的制造方法与流程

[0001]本发明涉及一种火箭发动机，特别涉及一种火箭发动机壳体。背景技术：[0002]复合材料具有高比强、高比模、尺寸稳定、可设计性强等特点，已经成为继铝合金、钛合金和钢之后最重要的航空航天结构材料之一，在航空航天领域得到了广泛应用。[0003]随着航空航天事业的迅猛发展，对结构器件的重量更加严格。轻质、高强复合材料对于减轻发动机的重量、提高飞行器的性能、降低发射成本具有重要意义。[0004]在20世纪60年代，复合材料发动机壳体在美国火箭发动机上使用，随后，各国均对其进行了大量的研究工作，目前大多数火箭发动机上采用碳纤维缠绕环氧树脂复合材料，但其法兰接头等零件仍采用金属材料，减重有进一步提升的空间。技术实现要素：[0005]本发明的目的是提供一种火箭发动机全复合材料壳体的制造方法，具有减重效果明显、可靠性高、成本低、爆破压力高特点。[0006]本发明的目的是这样实现的：一种火箭发动机全复合材料壳体的制造方法，包括以下步骤：1）制作接头：使用碳纤维预浸料通过铺层工艺进行接头制作，铺层结束后加热加压固化得到接头，备用；2）制作芯模中段；3）制作裙：采用碳纤维预浸料通过铺层工艺进行裙的制作，铺层结束后加热加压固化得到裙，备用；4）制作绝热芯模：在步骤2）中制得的芯模中段的表面包裹一层脱模布，并在步骤1）制得的接头上靠近芯模的端面通过铺贴、模压工艺形成封头橡胶层，再将所述接头连同封头橡胶层安装在芯模的两端，最后在芯模中段的表面采用铺贴工艺进行绝热层铺层，铺层后抽真空预压实，得到绝热芯模；5）纤维缠绕：将浸渍过树脂的碳纤维纱通过螺旋倾斜缠绕配合环向缠绕缠绕在所述绝热芯模上，缠绕过程中保持碳纤维纱的张力在设定范围，缠绕过程需刮除缠绕层表面胶液，纤维缠绕结束后，将步骤3）制得的裙套装在缠绕有纤维的芯模两端，固定好后进行环向缠绕；6）固化：缠绕结束后，在缠绕机上旋转一段时间，再将复合材料壳体进烘箱进行升温固化，冷却后出炉，固化过程中保持复合材料壳体旋转；7）脱模：固化成型后，往壳体内冲水溶解可溶芯模，进行脱模，并将壳体内部清理干，烘干残留的水分，得到全复合材料壳体。[0007]作为本发明的进一步限定，步骤4）中制作橡胶层的具体方法如下：在所述下模中由下至上依次铺贴第一橡胶层、第二橡胶层以及第三橡胶层，在铺贴第一橡胶层过程中放入所述接头，在铺贴第二橡胶层与第三橡胶层过程之间放入编织层，得到绝热接头。[0008]作为本发明的进一步限定，铺贴前使用聚四氟乙烯烧结工艺对铺贴绝热橡胶层用模具表面进行处理。[0009]作为本发明的进一步限定，第一橡胶层的铺贴工艺具体为：首先在下模表面刷涂胶黏剂，同时使用胶黏剂刷涂橡胶料片，晾干后铺贴在模具对应位置表面压实，然后在接头上与橡胶料片粘接区域涂刷胶黏剂，晾干后将接头放入下模中压实，最后使用胶黏剂刷涂橡胶料片，晾干后铺贴在接头的表面压实。[0010]作为本发明的进一步限定，放置编织层工艺具体如下：在编织层的表面上与第二橡胶层、第三橡胶层粘接的区域涂刷胶黏剂，晾干后表面铺上胶膜，再在胶膜表面、第二橡胶层橡胶表面涂刷胶黏剂，晾干后贴合压实。[0011]作为本发明的进一步限定，步骤5）中刮除缠绕层表面胶液为；每间隔一端时间刮胶一次，控制缠绕层表面没有明显胶残留，同时对刮落的胶液进行称重检测，若粘度超出设定范围0.35pa.s~1.0pa.s，则废气缠绕。[0012]与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明采用全复合材料壳体减轻了重量，提高了容器效率；通过铺贴绝热铺层，并在接头内侧加工橡胶层大大提升了壳体的绝热性能，且橡胶层的铺贴工艺在保证其绝热性能还能提高其层间强度、耐压性能；接头安装后再铺层，保证了接头与绝热层粘接的可靠性，避免了传统的接头模压成型压力对接头的影响。附图说明[0013]图1为本发明制得的全复合材料壳体。[0014]图2为本发明中复合材料接头结构示意图。[0015]图3为本发明流程图。[0016]图4为本发明中制作接头流程图。[0017]图5为本发明中复合材料接头的橡胶层铺贴用成型模具结构示意图。[0018]图6为本发明中复合材料接头的橡胶层铺贴编号顺序示意图。[0019]其中，1复合材料绝热接头，11复合材料接头，11a边缘部，12耐烧蚀编织层，13绝热橡胶层，13a包边，2绝热层，3复合材料壳体，4复合材料裙，5碳布，6碳纤维层。具体实施方式[0020]下面集合具体实施例对本发明做进一步说明。[0021]如图1-2所示为本发明方法制得的一种全复合材料发动机壳体，包括设置在复合材料壳体3内部两端的复合材料绝热接头1，复合材料壳体3的内周设置有绝热层2，复合材料壳体3的外部两端套设有复合材料裙4，复合材料裙4与复合材料壳体3的接缝处设置有碳布5，碳布5为200mm宽的t800平纹碳布5，复合材料裙4与碳布5的外周包覆有碳纤维层6，复合材料绝热接头1包括复合材料接头11，复合材料接头11靠近壳体内侧端面及内周面铺贴有绝热橡胶层13，绝热橡胶层13内嵌入有耐烧蚀编织层12，复合材料接头11的外周缘沿径向向外延伸形成截面呈楔形的边缘部11a，绝热橡胶层13延伸至边缘部11a顶面，绝热橡胶层13的顶面加工成平面结构，且其周缘向上沿延伸形成包边13a，且绝缘橡胶层13的顶面与内周面之间经弧形面过渡；橡胶选用三元乙丙橡胶。[0022]下面结合具体制造方法对本发明做详细说明：如图3所示的一种火箭发动机全复合材料壳体的制造方法，包括以下步骤：（1）模具准备：准备制作接头、制作裙用的模具；a.模具清理：用刀片等工具清理模具成型面等的残留物，避免划伤模具成型面，然后用干净的布带浸渍少量的丙酮对模具进行擦拭，清洗残留的少量胶等影响产品的残渣，晾干；b.先半模具下模板、模具内环、模具外环安装好，铺层完成后再安装模具上模板。[0023]（2）接头铺层：a.选用t800碳纤维单向预浸料和碳纤维平纹预浸料；b.按展开图设计好的形状和数量下料，并编号；c.在模具上按设计的铺层工艺进行铺层操作，其中平铺为80%，整包铺层为20%；d.将接头分为4个区域，如图4所示，先铺放整包区域ⅱ和ⅰ，其中i区域先向外展开，再铺放区域ⅲ，然后后铺放区ⅳ，最后将区域ⅰ翻到铺层区域ⅲ上。区域ⅲ为侧包层,区域ⅱ和ⅰ为整包层；先铺整包层，再铺侧包层，两者交叉铺层；铺完第一层整包层后抽一次真空5min，使得拐角处压实；e.铺完区域ⅲ，再铺区域ⅳ；铺ⅳ时，待达到高的4/5后，将区域i翻边过来，与铺层ⅳ两者交叉铺层，上下层间错开对接口；翻边结束后在最外面铺2层平纹布；f.铺贴过程中用赶板赶出气泡并且赶实，抽真空排气压实为间隔为每8层，时间为4小时；g.将上盖板打上脱模剂后，进行合模，确保合模到位。[0024]（3）接头固化：a.确认压机是否能够正常运行，20分钟记录（时间，压力，加热点）；b.吊装零件至热压机平台，正确摆放零件位置，在零件的上下面各放置一块金属板，以此来保证零件受热均匀；c.检查热电偶状态，安装热电偶，两侧各放一个，确认安装牢固；d.将工装放入压机，设置加热温度70℃左右，保温2小时，保持压力57吨记录固化开始时间；20分钟记录（时间，压力，加热点）；使用测温枪测定温度，保证各部分温度均匀；e.当热电偶温度达到140℃前，开始加压，压力达到200吨，保温0.5小时保压200吨20分钟记录一次（时间，压力，加热点），加热160度左右，保温3小时，记录保温起始时间。使用测温枪测定温度，保证各部分温度均匀；f.160℃左右保温结束后设置加热温度为180℃左右，保温1.5小时保持压力200吨；20分钟记录（时间，压力，加热点）记录保温起始时间。使用测温枪测定温度，保证各部分温度均匀；h.180℃左右保温结束，180±5℃后，保温1.5小时；20分钟记录（时间，压力，加热点）；记录保温起始时间。使用测温枪测定温度，保证各部分温度均匀；i.关闭加热装置，自然冷却至室温；热电偶温度低于60℃后可以卸除；j.脱模后的接头坯料按照设计图纸要求机加工到要求尺寸，得到复合材料接头备用。[0025]（4）制作芯模中段：芯模中段采用砂芯模工艺，砂芯模采用专用砂芯模专用模具铸造，模具等分三瓣，砂芯模外径尺寸靠模具机加精度保证；砂芯模制作采用分段预制成型；将铸造型砂同聚乙烯醇水溶液按5：1搅拌均匀，倒入金属模具中，浇铸成型；100℃左右烘干后，拆开铸造模具分瓣，将砂芯模从模具中取出；芯模表面处理过程为：首先对装配好的芯模表面用砂纸打磨，去除多余物；晾干；对壳体砂芯模尺寸进行检测，要求壳体芯模外型面需满足以下壳体橡胶内型面尺寸要求。[0026]（5）裙模具的准备：用刀片等工具清理模具成型面等的残留物，避免划伤模具成型面，然后用干净的布带浸渍少量的丙酮对模具进行擦拭，清洗残留的少量胶等影响产品的残渣，晾干。[0027]（6）裙的制作：a.选用t800环氧树脂单向预浸料，对从冷库取出来的预浸料进行解冻处理，并对模具进行清理；b.裁布机按照设计好的形状、角度、数量对预浸料进行裁剪，并对每一个料片进行编号；c.按工艺文件，在模具的相应区域上进行铺层操作，每隔5层左右进行一次真空压实和吸胶处理；d.铺层结束后，在热压罐中进行固化成型；固化制度如下：以2℃/min的速率升温到130℃，保温1个小时，以2℃/min的速率升温到150℃，保温1个小时，以2℃/min的速率升温到180℃，保温1个小时，以2℃/min的速率升温到150℃，保温4个小时，自然降温到60℃以下出模；成型压力0.6mpa；e.固化完成后对产品进行去毛边处理，对型面进行机械加工到相应尺寸；f.脱模后的裙按照图纸要求机械加工相应孔位，待用；（7）在芯模中段包裹一层聚四氟乙烯脱模布，芯模前段和后段表面则各刷涂一层脱模剂，以方便芯模中段与接头的橡胶绝热层的分离；（8）复合材料接头耐热处理与安装，首先在复合材料接头上靠近芯模的端面通过铺贴、模压工艺形成封头橡胶层，然后将复合材料接头固定在芯模两端，具体工艺如下：a.准备原料和模具：使用裁剪机裁切好待铺贴的橡胶料片，并进行倒角，同时将成型模具摆放好，成型模具如图5所示，包括以下几部分：（1）上模，用于接头背面成型并给压机提供受力面；（2）下模，用于固定复合材料接头，并给橡胶铺贴提供铺贴面；（3）导向柱，用于上模与下模，由于有定位要求，因此应当设计销孔；b.铺贴：铺贴前使用聚四氟乙烯烧结对模具表面进行处理，在下模中由下至上依次铺贴第一橡胶层、第二橡胶层以及第三橡胶层，在铺贴第一橡胶层过程中放入所述接头，在铺贴第二橡胶层与第三橡胶层过程之间放入编织层，对上述铺贴过程中，每结束铺贴一层，对橡胶表面状态进行检测，使用赶板对所有区域进行压实，若发现未压实，对残留气泡铺贴时使用钢针扎破，压实，若无法压实使用针筒注入适量的胶，晾干5min左右，再进行压实；且铺贴时按顺气流方向搭接，各层周向搭接缝不得重叠，位置错开2mm以上，搭接缝不得大于25mm，搭接部位需进行斜边倒角，确保产品厚度一致，以满足绝热层结构制作要求，同时铺贴过程中，料片之间不能存在绝热材料碎屑和其他多余物，多余物按qj2850标准进行处理；绝热制作环境要求在场温度（24±10）℃，相对湿度≤75%，铺贴过程中记录每片绝热层涂胶时间、晾置时间、绝热层粘贴时间等参数，每片绝热层需进行厚度检测、涂胶量、绝热层粘贴完成后记录绝热层总重量及胶液重量；如图6所示，铺贴的具体步骤如下：b-a.第一橡胶层铺贴（铺贴顺序为：ph-01-01~ph-01-02）：在下模模具表面刷涂少量胶黏剂，同时刷涂第一层橡胶层的橡胶料片，晾干5min左右，铺贴在模具表面，压实，然后在接头上与橡胶料片粘接区域涂刷胶黏剂，晾干后将接头放入下模中压实，最后使用胶黏剂刷涂橡胶料片，晾干后铺贴在接头的表面压实；每铺完一处位置再进行下一处刷胶，铺贴压实，记录重量信息；b-b.第二橡胶层铺贴（铺贴顺序为：ph-02-01~ph-02-04）：在接头背侧刷一层胶黏剂压实，第二橡胶层的橡胶料片按编号顺序进行铺贴，并压实，形成相对平整的贴合面，记录重量信息；b-c.放置编织体，对编织体按铺层示意图进行打磨，在第一橡胶层的对应粘接区域铺一层胶膜，使编织体与橡胶发生干涉，在编织体上对应的粘接区域表面依次刷涂胶黏剂防止干涉；晾干10min，表面贴上胶膜；b-d.第三层橡胶层铺贴（铺贴顺序为：ph-03-01~ph-03-17），在编织体上表面的胶膜上涂刷胶黏剂，按编号顺序进行铺贴第三橡胶层的橡胶料片，使得第三橡胶层的顶层为平面；c合模：将工装配套的2个定位销以及工装的销孔用丙酮进行清洗。用行吊将上模具吊起，定位销装入下模具，对准2个销孔使上模具与下模具合模；上模具卡入定位销后用铜棒敲击上模具使其贴实；d.固化：使用热压机对其进行加热固化，并控制加热参数，检查加热装置和加压装置，确认压机是否能够正常运行；清除平台上多余物，吊装零件至热压机平台中间；检查热电偶状态，在测温孔中安装3~4个热电偶，使用腻子条固定；固化参数具体为：第一阶段：升温速率30℃/h，室温-90℃，保温1h，加压；第二阶段：升温速率20℃/h，90℃-125℃，保温2h；第三阶段：升温速率10℃/h，125℃-150℃，保温3h；第四阶段：降温速率30℃/h，150℃-60℃，卸压，出炉；e.脱模：脱模后检查固化是否合模到位，若未到位，测量对四周处厚度差，标记并作好记录；用拔销器将定位销先拔出，用行吊将上模缓慢吊起，检查产品是否与粘接在同时粘接在上下模具表面；若粘接则使用铲刀（刀刃用脱膜布包裹）分离。[0028]采用耐烧蚀编织层、复合材料接头以及绝热橡胶层组成成型，大大提升了复合材料绝热封头的的耐热性能，使其可2000-3000℃的烧蚀3min左右，可满足固体发动机壳体燃烧室使用；同时本发明制成的封头质量比传统封头更轻，能够提高发动机壳体的飞行推进效率。[0029]（9）绝热层的制作：a.下料：绝热层料片按工艺需要设计裁剪，厚度分别为：1mm、1.5mm、2mm、3mm；b.厚度测量：空调间晾置3h，边缘均匀取5点，取平均值；料片采用小于30°斜切口搭接；δ≤１mm无须倒边，1.5≤δ≤2.5mm，倒边厚度不小于3.5mm，δ=3mm，宽度不小于5.2mm；c.料片准备：料片铺贴前，在粘贴面上（包括料片粘贴面和底层表面）涂刷j-1粘接剂，涂刷后3min-10min内完成料片粘接，并且手按实，针刺除泡;未固化的胶粘剂可以用丙酮清理；d.绝热层铺贴：料片（壳体）粘接面使用乙酸乙酯清理；乙酸乙酯清理、胶粘剂涂刷后分别晾置5min-10min；料片铺贴以工艺设计（贴片位置、顺序）为准；料片搭接5mm-15mm，顺气流粘接；料片粘接过程中及时检查、清除气泡；多层料片粘接时，层间环向搭接边错开不少于100mm；e.固化温度考虑到绝热层硫化点；采用室温-自升-（110±5）℃，保温2h-控升（15℃/h）-（165±5）℃，保温1h-控降（15℃/h）-（100±5）℃-自降-50℃的温度控制路线。[0030]（10）将t800连续碳纤维按照缠绕机穿纱顺序，依次通过出纱口，浸胶辊，在30~40℃下浸润在先前制得的耐高温环氧树脂胶中，浸润时间约2秒。[0031]（11）连续碳纤维缠绕，使用步骤（10）浸润过的连续碳纤维对步骤（9）的橡胶绝热层进行缠绕，缠绕时采用螺旋倾斜、环向交替缠绕的方式进行，缠绕时控制缠绕张力；具体缠绕过程如下：壳体采用湿法缠绕，线型为螺旋缠绕加环向缠绕。在绝热层橡胶接头上对壳体进行线型调试，当线型满足工艺设计要求后开始正式缠绕；壳体采用t800/6k国产纤维浸润中温环氧树脂进行缠绕，纱片数为6，纱片展开宽度为15mm，纵向缠绕层数为6层，环向缠绕层数为6层，纤维体积含量控制60%左右，含胶量主要通过缠绕机器缠绕纤维张力大小进行控制；其中纱片厚度为0.1mm，壳体柱段缠绕层厚度为2mm；为同时保证壳体纤维体积含量和纤维发挥系数，尽量减少纤维的磨损程度，对壳体逐层缠绕张力进行控制，壳体2纵向缠绕层与2环向缠绕层交替进行，共3个缠绕循环，张力梯度表见下表。[0032]筒体缠绕环境要求温度（24±10）℃，相对湿度≤75%，每隔3h记录每天的温度与湿度情况；为了控制纤维体积含量59±1%，控制胶液含量，在缠绕时，对前后接头和柱段溢出胶液进行人工刮除；缠绕前首先进行纤维张力的调节，用张力器测量纤维张力，并对张力控制机构进行调节，以达到文件规定的张力精度。按照设计要求进行设定线型的缠绕，并随时调节浸胶装置，控制纤维带胶量，缠绕时随时将产品表面多余的胶液刮掉，并观察排纱状况，如有纱片滑移、重叠或出现缝隙等情况，应及时停车。缠绕过程中应不断添加新胶液，清除胶辊上的纱毛和滴落在缠绕设备上的胶液，保持整个产生线的清洁卫生，做到文明生产，当缠绕即将结束时，测量外径，达到要求即可停机，将产品卸下，转入固化炉。[0033]（12）缠绕完成后，将前裙、后裙分别安装到前后两个上裙工装上，利用上裙工装将步骤（6）制得的裙安装到缠绕步骤（11）制得的产品上，根据相关定位关系进行定位固定。[0034]（13）对安装上裙的产品继续进行环向缠绕；上裙成功后，在前后裙接缝处缠绕200mm宽的t800平纹碳布，然后再缠绕8层环向连续t800碳纤维，使用5根纱团，缠绕张力为40n/股，直至缠绕到设计的厚度为止。[0035]（14）在上述缠绕工艺结束后，对复合材料壳体进行固化；将产品送入固化炉，将芯轴与机械旋转装置进行连接，以每分钟0.5转的速度带动芯轴进行旋转；固化过程中采用常压加热固化，壳体缠绕层与绝热橡胶层共同固化，固化制度：80℃/2h，150/4h。[0036]（15）在上述壳体固化工艺完成后，由于使用的是可溶性砂模，需先用水将砂芯模部分冲掉，为了脱模方便，常采用热水高压冲洗；固化完成的壳体冷却至室温后，松开两端的锁紧螺母，将芯轴抽出；然后用水将砂芯溶解；将砂芯冲洗干净后，80℃烘干8h，得到全复合材料发动机壳体。[0037]该全复合材料壳体比金属接头复合材料壳体减重了4公斤，爆破压强满足设计要求，破坏形式从环缠处破坏，复材接头无损伤, 地面试车满足要求，耐热满足要求。[0038]本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。