RU2306364C2 - Composite material, method of manufacture of envelope-like case from this material and devices for realization of this method - Google Patents
Composite material, method of manufacture of envelope-like case from this material and devices for realization of this method Download PDFInfo
- Publication number
- RU2306364C2 RU2306364C2 RU2002132948/02A RU2002132948A RU2306364C2 RU 2306364 C2 RU2306364 C2 RU 2306364C2 RU 2002132948/02 A RU2002132948/02 A RU 2002132948/02A RU 2002132948 A RU2002132948 A RU 2002132948A RU 2306364 C2 RU2306364 C2 RU 2306364C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- shell
- polymer binder
- carbon
- metal
- binder
- Prior art date
Links
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 29
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 20
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 19
- 239000000463 material Substances 0.000 title description 8
- 229920005596 polymer binder Polymers 0.000 claims abstract description 67
- 239000002491 polymer binding agent Substances 0.000 claims abstract description 67
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 61
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 61
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 33
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 claims abstract description 29
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 27
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 claims abstract description 26
- 238000003763 carbonization Methods 0.000 claims abstract description 23
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical group [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 22
- 239000001989 lithium alloy Substances 0.000 claims abstract description 19
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 18
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims abstract description 17
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 17
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 15
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 13
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 13
- 229910001148 Al-Li alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 12
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 12
- 238000007789 sealing Methods 0.000 claims abstract description 11
- 229910000733 Li alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- JFBZPFYRPYOZCQ-UHFFFAOYSA-N [Li].[Al] Chemical compound [Li].[Al] JFBZPFYRPYOZCQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 10
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 claims abstract description 7
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims abstract description 7
- GCICAPWZNUIIDV-UHFFFAOYSA-N lithium magnesium Chemical compound [Li].[Mg] GCICAPWZNUIIDV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 7
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 25
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 14
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 claims description 14
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 9
- 239000002826 coolant Substances 0.000 claims description 8
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 4
- 238000005056 compaction Methods 0.000 claims description 3
- 238000007599 discharging Methods 0.000 claims description 2
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 claims description 2
- 238000004021 metal welding Methods 0.000 claims 1
- 239000011203 carbon fibre reinforced carbon Substances 0.000 abstract description 13
- 238000005087 graphitization Methods 0.000 abstract description 9
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000011257 shell material Substances 0.000 description 66
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 18
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 16
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 15
- 239000011265 semifinished product Substances 0.000 description 13
- CREMABGTGYGIQB-UHFFFAOYSA-N carbon carbon Chemical compound C.C CREMABGTGYGIQB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 229910001873 dinitrogen Inorganic materials 0.000 description 8
- 238000005470 impregnation Methods 0.000 description 7
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 7
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 229910052755 nonmetal Inorganic materials 0.000 description 6
- 229910003023 Mg-Al Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 5
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 5
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 5
- 238000007872 degassing Methods 0.000 description 4
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- IUHFWCGCSVTMPG-UHFFFAOYSA-N [C].[C] Chemical group [C].[C] IUHFWCGCSVTMPG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 3
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 3
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 description 3
- NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N Titanium nitride Chemical class [Ti]#N NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 2
- MRMBZHPJVKCOMA-YJFSRANCSA-N biapenem Chemical compound C1N2C=NC=[N+]2CC1SC([C@@H]1C)=C(C([O-])=O)N2[C@H]1[C@@H]([C@H](O)C)C2=O MRMBZHPJVKCOMA-YJFSRANCSA-N 0.000 description 2
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 2
- 238000001513 hot isostatic pressing Methods 0.000 description 2
- 238000007731 hot pressing Methods 0.000 description 2
- 239000000047 product Substances 0.000 description 2
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 2
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 2
- 229910001209 Low-carbon steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000861 Mg alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 1
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 1
- 238000009998 heat setting Methods 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 1
- 229910001338 liquidmetal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002905 metal composite material Substances 0.000 description 1
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 238000009740 moulding (composite fabrication) Methods 0.000 description 1
- 238000005121 nitriding Methods 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 238000005192 partition Methods 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 239000012783 reinforcing fiber Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- MTPVUVINMAGMJL-UHFFFAOYSA-N trimethyl(1,1,2,2,2-pentafluoroethyl)silane Chemical class C[Si](C)(C)C(F)(F)C(F)(F)F MTPVUVINMAGMJL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)
- Laminated Bodies (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к технологии изготовления оболочек из композиционного материала.The invention relates to a technology for manufacturing shells from composite material.
Известен углерод-углеродный (С-С) композиционный материал (КМ), содержащий углеродную ткань и армированный углеродным волокном (См. Тучинский Л.И. Композиционные материалы, получаемые методом пропитки. М.: Металлургия, 1986, с.186-190).Known carbon-carbon (C-C) composite material (CM) containing carbon fabric and reinforced with carbon fiber (See Tuchinsky LI Composite materials obtained by the method of impregnation. M .: Metallurgy, 1986, p.186-190) .
Недостатками известного КМ являются:The disadvantages of the known KM are:
- низкая жаростойкость при эксплуатации его в воздушной среде;- low heat resistance when used in air;
- низкая герметичность материала.- low tightness of the material.
Наиболее близок к предлагаемому КМ на основе алюминиево-литиевого и магниево-литиевых сплавов, упрочненный углеродным волокном (патент РФ №2171311, БИПМ №21-2001).Closest to the proposed CM based on aluminum-lithium and magnesium-lithium alloys, reinforced with carbon fiber (RF patent No. 2171311, BIPM No. 21-2001).
Недостатком известного КМ является низкая жаропрочность и жаростойкость при его эксплуатации в воздушной среде.A disadvantage of the known KM is low heat resistance and heat resistance during its operation in air.
Известен способ и устройство изготовления деталей типа обечаек из металлического композиционного материала, включающий формирование композиции из металлической матрицы и углеродного волокна с последующей пропиткой жидким металлом, горячим прессованием и диффузионной сваркой (Патент РФ №2171311, БИПМ №21-2001).A known method and device for the manufacture of parts such as shells of a metal composite material, comprising forming a composition of a metal matrix and carbon fiber, followed by impregnation with liquid metal, hot pressing and diffusion welding (RF Patent No. 2171311, BIPM No. 21-2001).
Однако при изготовлении полуфабриката из композиционного углерод-углеродного материала по аналогичному способу в известном устройстве трудно обеспечить герметичное уплотнение наружного торцового слоя основания из-за повышенной упругости материала.However, in the manufacture of a semi-finished product from a composite carbon-carbon material by a similar method in the known device it is difficult to provide a tight seal of the outer end layer of the base due to the increased elasticity of the material.
Известны способ и устройство электронно-лучевой сварки корпусов типа оболочек, включающее вакуумную камеру, механизм перемещения и вращения обрабатываемого изделия, манипулятор для сканирования обрабатываемых поверхностей сварочной головкой по заданной траектории (А.И.Чвертка и др. Оборудование для электронно-лучевой сварки. Киев: Наукова думка, 1973 г.)A known method and device for electron beam welding of shell-type housings, including a vacuum chamber, a mechanism for moving and rotating the workpiece, a manipulator for scanning the treated surfaces with a welding head along a given path (A.I. Chvertka and other equipment for electron beam welding. Kiev : Naukova Dumka, 1973)
Использование электронно-лучевой сварки требует применения герметичной камеры для создания необходимого разрежения.The use of electron beam welding requires the use of a sealed chamber to create the necessary vacuum.
Целью настоящего изобретения является разработка КМ с внутренней металлической и наружной неметаллической частями матрицы, упрочненной углеродным волокном, имеющим внешний наружный жаростойкий слой, и способа изготовления из него цельных корпусов типа оболочек с повышенными показателями удельной прочности, жаропрочности и жаростойкости, герметичности, а также устройств, обеспечивающих эффективное осуществление способа.The aim of the present invention is to develop a CM with internal metal and external non-metal parts of the matrix reinforced with carbon fiber having an external external heat-resistant layer, and a method of manufacturing from it solid bodies such as shells with increased rates of specific strength, heat resistance and heat resistance, tightness, as well as devices, providing effective implementation of the method.
Техническим результатом, получаемым в результате осуществления изобретения, является достижение высоких показателей удельной прочности, герметичности, жаропрочности и жаростойкости КМ в конструкциях корпусов типа оболочки, что приводит к существенному снижению массы, повышению сопротивления температурным воздействиям и увеличению надежности авиационных, ракетных и космических изделий.The technical result obtained as a result of the invention is the achievement of high indicators of specific strength, tightness, heat resistance and heat resistance of KM in the construction of shell-type housings, which leads to a significant reduction in mass, increased resistance to thermal effects and increased reliability of aviation, rocket and space products.
Поставленная цель достигается путем получения КМ, содержащего металлическую матрицу, выполненную из алюминиево-литиевого сплава и магниево-литевых сплавов, упрочненную углеродным волокном, согласно изобретению он снабжен углеродной частью, упрочненной углеродным волокном, соединенной промежуточным слоем из карбонизированного полимерного связующего с металлической матрицей, и наружным слоем из карбонитридных соединений титана.The goal is achieved by obtaining a CM containing a metal matrix made of aluminum-lithium alloy and magnesium-alloy alloys, hardened with carbon fiber, according to the invention it is equipped with a carbon part, hardened by carbon fiber, connected by an intermediate layer of a carbonized polymer binder with a metal matrix, and the outer layer of titanium carbonitride compounds.
Способ изготовления деталей типа оболочек из заявляемого композиционного материала состоит из нескольких этапов.A method of manufacturing parts such as shells of the inventive composite material consists of several stages.
Он включает изготовление металлической части обечайки, упрочненной углеродным волокном, изготовление углеродной части, упрочненной углеродным волокном и наружным слоем карбонтридных соединений титана, сборку частей путем надевания углеродной части на металлическую, заполнение зазора между ними полимерным связующим посредством вакуумного всасывания под избыточным давлением инертного газа и нагревают в интервале температур карбонизации полимерного связующего с одновременным охлаждением металлической части обечайки.It includes the manufacture of the metal part of the shell reinforced with carbon fiber, the manufacture of the carbon part reinforced with the carbon fiber and the outer layer of titanium carbide compounds, the assembly of the parts by putting the carbon part on the metal part, filling the gap between them with a polymer binder by vacuum absorption under inert gas overpressure and heated in the temperature range of carbonization of the polymer binder with simultaneous cooling of the metal part of the shell.
Кроме того, охлаждение металлической части обечайки в зоне воздействия теплового источника ведут газожидкостным потоком на основе азота.In addition, the cooling of the metal part of the shell in the zone of influence of the heat source is carried out by a gas-liquid stream based on nitrogen.
Корпус типа оболочки из КМ изготавливают путем сварки металлических частей обечаек, согласно изобретению корпус собирают не менее чем из двух обечаек, на металлическую поверхность сварной зоны между торцовыми основаниями упрочненных углеродным волокном углеродных частей обечаек наносят слой полимерного связующего, на который укладывают упрочненные углеродным волокном углеродные полукольца, заполняют зазоры полимерным связующим, углеродным волокном и одновременно проводят газодинамическое уплотнение связующего, прогревают для удаления водорода, проводят карбонизацию полимерного связующего в зазоре с одновременным охлаждением внутренней металлической поверхности в зоне воздействия теплового источника, и графитацию связующего с одновременным формированием наружного слоя из карбонитридных соединений титана плазменным факелом, в который подают титановый порошок, а в качестве плазмообразующей среды используют газообразный азот.A shell type case of KM is made by welding metal parts of the shells, according to the invention, the body is assembled of at least two shells, a layer of polymer binder is applied onto the metal surface of the welded zone between the end bases of the carbon fiber-reinforced carbon parts of the shells, onto which carbon half-rings reinforced with carbon fiber are laid , fill the gaps with a polymer binder, carbon fiber and simultaneously conduct gas-dynamic compaction of the binder, warm up for hydrogen, conduct carbonization of the polymer binder in the gap with simultaneous cooling of the inner metal surface in the zone of influence of the heat source, and graphite the binder with the simultaneous formation of the outer layer of titanium carbonitride compounds by a plasma torch into which titanium powder is fed, and nitrogen gas is used as the plasma-forming medium .
Для изготовления обечайки для корпуса типа оболочки из КМ используют устройство, содержащее системы нагрева, вакуумирования и напуска инертного газа, сборную оправку для формирования и монтажа частей обечайки, опорные и фиксирующие кольца, уплотнительные прокладки, установленные на верхние и нижние торцевые площадки обечайки, и полую составную стойку, согласно изобретению оно снабжено механизмом уплотнения торцовых поверхностей металлической и неметаллической частей обечайки, связанным с верхним опорным кольцом, а нижняя часть полой составной стойки заполнена полимерным связующим.For the manufacture of a shell for a housing such as a shell from KM, a device containing heating, vacuum and inert gas inlet systems, a prefabricated mandrel for forming and mounting parts of the shell, support and retaining rings, gaskets installed on the upper and lower end platforms of the shell, and a hollow shell are used composite rack, according to the invention, it is equipped with a mechanism for sealing the end surfaces of the metal and nonmetallic parts of the shell associated with the upper support ring, and the lower part is hollow The composite rack is filled with a polymer binder.
Кроме того, устройство снабжено системой подачи и отвода охлаждающей среды, при этом оправка имеет внутренние полости для прохода охлаждающей среды.In addition, the device is equipped with a system for supplying and discharging the cooling medium, while the mandrel has internal cavities for the passage of the cooling medium.
Устройство для изготовления корпуса типа оболочки из КМ содержит стапель с приводами вращения и перемещения, согласно изобретению оно снабжено манипулятором с форсункой подачи полимерного связующего и одновременного его газодинамического уплотнения для соединения торцевых упрочненных углеродным волокном углеродных частей обечаек корпуса оболочки, включающей сопло Вентури, подвижный кольцевой нагреватель для нагрева наружной металлической поверхности сварной зоны, подвижный кольцевой охладитель для охлаждения внутренней металлической поверхности сварной зоны и манипулятор с плазменной горелкой, включающей сопло Вентури с отверстиями в корпусе сопла после критического сечения для подачи в плазменный факел титанового порошка.A device for manufacturing a shell type of a shell made of KM contains a slipway with rotation and displacement drives, according to the invention it is equipped with a manipulator with a nozzle for supplying a polymer binder and its gas-dynamic seal for connecting the carbon-fiber reinforced carbon parts of the shells of the shell housing, including the Venturi nozzle, a movable ring heater for heating the outer metal surface of the welded zone, a movable ring cooler for cooling the inner metal the surface of the welded zone and a manipulator with a plasma torch, including a Venturi nozzle with holes in the nozzle body after a critical section for feeding titanium powder into the plasma torch.
Для образования нитридных соединений титана в плазменный факел подают титановый порошок, а в качестве плазмообразующей среды используют газообразный азот.To form titanium nitride compounds, titanium powder is fed into the plasma torch, and nitrogen gas is used as the plasma-forming medium.
С целью исключения окисления углерода в процессе карбонизации и графитации указанные процессы ведут в инертной среде, предварительно удалив кислород.In order to eliminate carbon oxidation during carbonization and graphitization, these processes are carried out in an inert medium, having previously removed oxygen.
С целью эффективного удаления водорода из полимерного связующего последнее дегазируют путем нагрева и эвакуации молекул водорода с поверхности потоком инертного газа.In order to effectively remove hydrogen from the polymer binder, the latter is degassed by heating and evacuating hydrogen molecules from the surface with an inert gas stream.
Образованию пористого промежуточного слоя из карбонизированного полимерного связующего способствует термоизоляция металлической части КМ от внешних температурных воздействий в процессе эксплуатации изделия.The formation of a porous intermediate layer of a carbonized polymer binder is promoted by thermal insulation of the metal part of KM from external temperature influences during operation of the product.
В таблице 1 приведены расчетные характеристики предлагаемого КМ с металлической и неметаллической частями матрицы и жаростойким наружным слоем из карбонитридных соединений титана в сравнении с эксплуатационными характеристиками алюминиево-литиевого сплава и углерод-углеродного КМ.Table 1 shows the calculated characteristics of the proposed CM with metal and nonmetallic parts of the matrix and a heat-resistant outer layer of titanium carbonitride compounds in comparison with the operational characteristics of aluminum-lithium alloy and carbon-carbon CM.
Как видно из таблицы 1, величины прочностных характеристик, удельной прочности, герметичности и жаростойкости значительно превышают аналогичные показатели у известных сплавов и материалов.As can be seen from table 1, the values of strength characteristics, specific strength, tightness and heat resistance significantly exceed the same parameters for known alloys and materials.
Изобретение иллюстрируется чертежом, где изображено: на фиг.1 - поперечный разрез предложенного КМ корпуса типа оболочки с металлической частью матрицы на основе алюминиево-литиевого сплава и магниево-литиевых сплавов, упрочненной углеродным волокном, и углерод-углеродной части с наружным слоем из карбонитридных соединений титана, а также промежуточного слоя из карбонизированного полимерного связующего между ними; на фиг.2 - график процессов вакуумирования, пропитки (заполнения) и карбонизации полимерного связующего; на фиг.3 - схема устройства для дегазации и заполнения полимерным связующим зазора между металлической и неметаллической частями обечайки; на фиг.4 - схема устройства для изготовления корпусов типа оболочки (сборки полуколец из С-С КМ на поверхности сварной зоны металлической части двух обечаек, заполнения зазоров полимерным связующим с последующей его карбонизацией, графитацией и формированием поверхностного слоя карбонитридных соединений титана); на фиг.5 - схема работы форсунки для нанесения полимерного связующего; на фиг.6 - схема работы плазменной горелки для графитации полимерного связующего и формирования поверхностного слоя карбонитридных соединений титана.The invention is illustrated in the drawing, which shows: Fig. 1 is a cross-sectional view of a proposed KM shell type case with a metal part of a matrix based on aluminum-lithium alloy and magnesium-lithium alloys reinforced with carbon fiber, and a carbon-carbon part with an outer layer of carbonitride compounds titanium, as well as an intermediate layer of carbonized polymer binder between them; figure 2 is a graph of the processes of evacuation, impregnation (filling) and carbonization of the polymer binder; figure 3 is a diagram of a device for degassing and filling with a polymer binder the gap between the metal and nonmetallic parts of the shell; figure 4 is a diagram of a device for the manufacture of shell-type housings (assembling half rings from CC CC on the surface of the welded zone of the metal part of the two shells, filling the gaps with a polymer binder, followed by its carbonization, graphite and the formation of a surface layer of titanium carbonitride compounds); figure 5 - diagram of the nozzle for applying a polymer binder; 6 is a diagram of a plasma torch for graphitizing a polymer binder and forming a surface layer of titanium carbonitride compounds.
КМ (см. фиг.1) состоит из следующих элементов:KM (see figure 1) consists of the following elements:
А - алюминиево-литиевый сплав (Al-Li);A - aluminum-lithium alloy (Al-Li);
В - магниево-литиевый сплав (Mg-Li) со структурой (α+β) - твердого раствора:B - magnesium-lithium alloy (Mg-Li) with the structure of (α + β) - solid solution:
С - магниево-литиевый сплав (Mg-Li) со структурой α - твердого раствора;C - magnesium-lithium alloy (Mg-Li) with the structure of α - solid solution;
D - углеродное волокно;D is carbon fiber;
F- магниево-литиевый сплав (Mg-Li) со структурой β - твердого раствора;F - magnesium-lithium alloy (Mg-Li) with the structure of β - solid solution;
Е - карбонизированное полимерное связующее;E - carbonized polymer binder;
К - углерод-углеродная часть КМ;K is the carbon-carbon part of KM;
Т - внешний наружный слой из карбонитридных соединений титана.T is the outer outer layer of titanium carbonitride compounds.
На фиг.2 представлены:Figure 2 presents:
а - график изменения температуры процесса (°С);a is a graph of the process temperature (° C);
б - график изменения наружного избыточного давления прессующего газа (атм);b - graph of changes in the external overpressure of the pressing gas (atm);
в - график изменения давления над поверхностью расплавленного полимерного связующего (атм);in - a graph of pressure changes over the surface of the molten polymer binder (ATM);
г - график изменения всасывающего разряжения внутренней полости между металлической и неметаллической частями КМ (мм рт.ст.);g is a graph of changes in the suction discharge of the internal cavity between the metal and non-metal parts of the CM (mm Hg)
В таблице 2 приведена схема технологического процесса изготовления корпуса оболочки из предлагаемого композиционного материала.Table 2 shows the process flow diagram of manufacturing a shell body from the proposed composite material.
Электронно-лучевая сваркаMechanical
Electron beam welding
Электронно-лучевая сваркаMechanical
На фиг.3 представлено устройство для реализации способа изготовления обечайки из КМ с металлической и неметаллической частями матрицы путем пропитки заполнения зазора между частями матрицы полимерным связующим с последующей его карбонизацией.Figure 3 presents a device for implementing a method of manufacturing a shell of KM with metal and non-metal parts of the matrix by impregnating the filling of the gap between the parts of the matrix with a polymer binder followed by its carbonization.
Оно включает вакуумную печь 1, теплоизолированный муфель 2 и оснастку для пропитки (заполнения), дегазации и карбонизации полимерного связующего с одновременным горячим изостатическим прессованием материала полуфабриката обечайки.It includes a
Оснастка включает верхнее 3 и нижнее 4 опорные кольца. Каждое кольцо 3, 4, снабжено кольцевым выступом 5, имеющим форму усеченного конуса.The equipment includes upper 3 and lower 4 support rings. Each
Кроме того, в оснастку входят фиксирующие внешние кольца 6, соответственно верхнее и нижнее, сборная оправка 7, полая составная стойка 8, 9, радиальные патрубки 10 и соединительные трубопроводы 11 и 12. Патрубки 10 соединены с верхней 9 и нижней 8 частями стойки и с верхним 3 и нижним 4 кольцами соответственно.In addition, snap-in includes external locking rings 6, respectively upper and lower,
В каждом из колец 3, 4 в центре выступа 5 выполнена кольцевая канавка 13 с центром окружности, совпадающим с центром окружности каждого кольца 3, 4. Кроме того, в кольцах 3, 4 выполнены радиальные каналы 14, которые соединены с патрубками 10, а также сообщаются с кольцевыми канавками 13.In each of the
Нижняя 8 и верхняя 9 полости стойки разделены герметичной перегородкой 15. Нижняя часть 8 полой стойки скреплена с кольцом 4, а верхняя часть 9 - с кольцом 3 и через соединительные трубопроводы 11,12 сообщены с системой напуска инертного газа и вакуумной системой соответственно. (Последние на чертеже не показаны.)The lower 8 and upper 9 cavities of the rack are separated by a sealed
Сборная оправка 7 имеет цилиндрическую форму и состоит из нескольких частей для монтажа обечайки-полуфабриката 16 и ее демонтажа.The
Оправка 7 имеет сообщающиеся охлаждаемые полости 25 и подсоединена к системе подачи газожидкостной среды на основе жидкого азота гибким трубопроводом 24 с гибким разъемом и трубопроводом 22 для отвода газообразного азота.The
Верхнее и нижнее фиксирующие кольца 6 соединены технологической обечайкой 17.The upper and lower retaining rings 6 are connected by a
Фиксирующие внешние кольца 6 с технологической обечайкой 17, верхней и нижней внешними фасками оправки 7 закрепляют через кольцевые уплотнительные прокладки торцевые наружные слои матрицы КМ обечайки полуфабриката 16 на обращенных друг к другу плоских площадках конусных выступов колец 3, 4.The fixing
Полость, образованная технологической обечайкой 17 и внешней наружной поверхностью матрицы КМ полуфабриката обечайки 16, сообщена трубопроводом 18 с гибким разъемом с системой вакуумирования и напуска прессующего инертного газа.The cavity formed by the
Для обеспечения равномерного нагрева и охлаждения оснастки и оправки 7 с обечайкой 16 печь 1 снабжена вентилятором 19, теплообменником 20, клапанами 21.To ensure uniform heating and cooling of the tooling and the
Верхнее 3 опорное кольцо через разъемное соединение связано с механизмом перемещения (уплотнения) 23.The upper 3 support ring through a detachable connection is connected with the movement mechanism (seal) 23.
Вначале производится сборка полуфабриката обечайки 16 на оправке 7. Для этого на оправку 7 одевают металлическую часть обечайки из KM Al-Mg-Li-C-Li-Mg-Al, затем на металлическую часто обечайки надевают углерод-углеродную часть обечайки.First, the
Далее оправку 7 с полуфабрикатом 16 монтируют в оснастку.Next, the
Внутреннюю нижнюю полость стойки 8 заполняют полимерным связующим.The inner lower cavity of the
Укладывают на конусный выступ 5 нижнего кольца 4 уплотнительные кольцевые прокладки и устанавливают на них полуфабрикат обечайки 16 с оправкой 7. Производят загрузку кольца 4, полуфабриката 16 с нижней частью стойки 8 в муфель 2 печи 1.Lay the sealing ring gaskets on the
Затем производят сборку верхнего 3 опорного кольца, радиальных патрубков 10, верхней 9 части стойки с трубопроводами 11, 12. Подвешивают и закрепляют кольцо 3 и верхнюю часть 9 стойки на направляющих штоках механизма перемещения и уплотнения 23 крышки печи 1.Then, the upper 3 of the support ring, the
Одевают на полуфабрикат обечайки 16 технологическую обечайку 17 с фиксирующими кольцами 6, укладывают уплотнительные кольцевые прокладки.Dress the
Подсоединяют трубопроводы 11, 12, 18, 24, 22 к системам вакуумирования, напуска инертного газа, подачи и отвода охлаждающей среды.
Опускают крышку печи 1 и устанавливают верхнее кольцо 3 в сборе конусным плоским выступом на уплотнительные кольцевые прокладки и механизмом 23 герметизируют зазоры между плоскими и конусными выступами колец 3,4 и торцовыми наружными слоями композиционного материала полуфабриката обечайки 16, а также между верхней 9 и нижней 8 частями стойки.Lower the lid of the
Затем в устройстве (фиг.3) проводят заполнение зазора между металлической и неметаллической частями обечайки полимерным связующим, дегазацию и его карбонизацию. (Параметры заполнения, дегазации и карбонизации приведены на фиг.2.)Then, in the device (Fig. 3), the gap between the metallic and non-metallic parts of the shell of the polymer binder is filled, degassed and carbonized. (The parameters of filling, degassing and carbonization are shown in figure 2.)
После герметизации печи 1 включают насосы и вакуумируют печь 1 и внутренние полости матрицы полуфабриката обечайки 16 (через канавки 13, каналы 14, патрубки 10, трубопровод 12), полость между технологической обечайкой 17 и внешней наружной поверхностью неметаллической части полуфабриката обечайки 16 через трубопровод 18 до заданного разрежения (см. фиг.2, 3).After sealing the
При достижении температуры жидкого состояния полимерного связующего (порядка 100...200°С) перекрывают трубопровод 12, нижнюю полость 8 стойки подключают к системе напуска инертного газа и через трубопровод 11 над поверхностью полимерного связующего создают избыточное давление.When the temperature of the liquid state of the polymer binder (about 100 ... 200 ° C) is reached, the
Отключают вакуумные насосы, одновременно включают вентилятор 19 и рабочий объем печи 1 заполняют инертным газом, подают прессующий инертный газ в полость между технологической обечайкой 17 и внешней наружной поверхностью неметаллической части полуфабриката обечайки.The vacuum pumps are turned off, at the same time, the
По окончании процесса отключают нагрев, открывают клапаны 21 и в теплообменник 20 подают охлаждающую среду, охлаждают оснастку, оправку 7 с обечайкой 16 до температуры окружающей среды, сбрасывают избыточное давление, выгружают оснастку, оправку 7 с обечайкой 16 и демонтируют оснастку и оправку.At the end of the process, the heating is turned off, the
На фиг.4 представлена схема устройства для сборки корпуса оболочки: нанесения на наружную металлическую поверхность сварной зоны полимерного связующего, укладки полуколец из КМ С-С, заполнения зазора полимерным связующим, карбонизации, графитации и формирования поверхностного слоя карбонитридных соединений титана.Figure 4 presents a diagram of a device for assembling a shell body: applying a polymer binder to the welded zone of the welded zone, laying half rings from KM C-C, filling the gap with a polymer binder, carbonization, graphitization, and forming a surface layer of titanium carbonitride compounds.
Устройство включает стапель с приводами перемещения и вращения сварного корпуса оболочки 26, кольцевой нагреватель 27 с приводом перемещения вдоль наружной поверхности корпуса 26, кольцевой охладитель 28 с приводом перемещения вдоль внутренней поверхности корпуса 26, манипулятор 29 с форсункой 30 распыления полимерного связующего и с приводом перемещения вдоль наружной поверхности корпуса 26, манипулятор 31 с плазменной горелкой 32 и приводом перемещения вдоль наружной поверхности корпуса 26. (Приводы на чертеже не показаны, схематично дано направление перемещения от приводов.)The device includes a slipway with drives for moving and rotating the welded shell of the
Кольцевой нагреватель 27 включает теплоизолированный корпус 33, нагревательный элемент 34, кольцевой подвод 35 инертного газа.The
Кольцевой охладитель 28 включает спиральный теплоизолированный трубопровод 36 для подачи охлажденного газообразного азота, внутри трубопровода 36 размещен спиральный трубопровод 37 для подачи жидкого азота. Оба трубопровода имеют соосные отверстия со стороны охлаждаемой внутренней металлической поверхности корпуса 26 и предназначены для подачи и формирования охлаждающей газожидкостной среды на основе жидкого азота.The ring cooler 28 includes a spiral insulated
Форсунка 30 (фиг.4, 5) включает линию подвода 38 полимерного связующего, подвод 39 газообразного азота, камеру 40 смешивания и сопло Вентури 41.The nozzle 30 (FIGS. 4, 5) includes a
Плазменная горелка 32 (фиг.4, 6) включает линию подвода плазмообразующего газообразного азота, сопло Вентури 42 с отверстиями в корпусе сопла после критического сечения для подвода титанового порошка через коллектор 43 в плазменный факел.The plasma torch 32 (FIGS. 4, 6) includes a plasma nitrogen gas supply line, a
Способ заполнения зазора полимерным связующим, карбонизации, графитации и формирования поверхностного слоя карбонитридных соединений титана осуществляется следующим образом.The method of filling the gap with a polymer binder, carbonization, graphitization and the formation of the surface layer of titanium carbonitride compounds is as follows.
Полуфабрикат корпуса оболочки, собранный из нескольких обечаек, состоящих из металлической и неметаллической частей с карбонизированной полимерной связкой, и сварной зоной между металлическими торцевыми частями обечаек, устанавливают на приводные ролики стапеля.A prefabricated shell case assembled from several shells, consisting of metal and nonmetallic parts with a carbonized polymer bond, and a welded zone between the metal end parts of the shells, are mounted on the drive rollers of the slipway.
Вводят во внутреннюю металлическую часть полуфабриката корпуса оболочки кольцевой охладитель 28 и устанавливают его напротив внутренней поверхности сварной зоны.An
С помощью привода перемещают манипулятор 29 с форсункой 30 в зону наружного сварного шва металлических частей обечаек.Using the drive, the
В форсунку 30 подают полимерное связующее и газообразный азот. Напыляют на металлическую поверхность сварной зоны слой полимерного связующего.In the
Укладывают (приклеивают) полукольца из КМ С-С и заполняют зазоры между ними полимерным связующим с одновременным его газодинамическим уплотнением с помощью сопла Вентури 41 форсунки 30.Stack (glue) the half rings from KM C-C and fill the gaps between them with a polymer binder with its simultaneous gas-dynamic compaction using the
Выводят из сварной зоны форсунку 30 и с помощью приводов перемещают напротив внутренней поверхности сварной зоны кольцевой охладитель 28, а напротив наружной поверхности сварной зоны перемещают кольцевой нагреватель 27.The
Кольцевым нагревателем 27 прогревают полимерное связующее до полного удаления водорода (температура 300...400°С).An
Далее нагревают нагревателем 27 дегазированное путем прогрева полимерное связующее до полного завершения процесса его карбонизации с одновременным охлаждением внутренней металлической поверхности сварной зоны с помощью охладителя 28 газожидкостным потоком на основе жидкого азота.Next, the polymer binder, degassed by heating, is heated with a
Выводят из сварной зоны нагреватель 27 и с помощью привода перемещают манипулятор 31 с плазменной горелкой 32 в сварную зону.
Нагревают карбонизированное полимерное связующее в зазоре между полукольцами из КМ С-С плазменной горелкой 32 с одновременной подачей в плазменный факел титанового порошка через отверстия сопла Вентури 42.The carbonized polymer binder is heated in the gap between the half rings of KM
В качестве плазмообразующей среды используют газообразный азот.Nitrogen gas is used as the plasma forming medium.
По завершении процессов графитации и формирования поверхностного слоя карбонитридных соединений титана (путем образования нитридных соединений титана в плазменном факеле и последующего взаимодействия их с углеродной поверхностью) прекращают подачу в плазменный факел горелки 32 титанового порошка, отключают плазму и прекращают подачу газообразного азота.Upon completion of the graphitization processes and the formation of the surface layer of titanium carbonitride compounds (by the formation of titanium nitride compounds in the plasma torch and their subsequent interaction with the carbon surface), the supply of
Отключают подачу газообразного и жидкого азота в охладитель 28.Turn off the supply of gaseous and liquid nitrogen to the cooler 28.
С помощью привода стенда выводят из зоны действия манипуляторов 29, 31, нагревателя 27, охладителя 28 элемент оболочки корпуса 26.Using the drive of the stand, the
По сравнению с известными аналогами предложенный композиционный материал и способ изготовления из него корпусов типа оболочек позволяют получить более высокий уровень прочности, жаростойкости и герметичности, а предлагаемые устройства для осуществления способа потребуют значительно меньших капительных вложений и затрат.Compared with the known analogues, the proposed composite material and the method of manufacturing shell-type housings from it allow a higher level of strength, heat resistance and tightness to be obtained, and the proposed devices for implementing the method will require significantly lower capital investments and costs.
Claims (7)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2002132948/02A RU2306364C2 (en) | 2002-12-06 | 2002-12-06 | Composite material, method of manufacture of envelope-like case from this material and devices for realization of this method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2002132948/02A RU2306364C2 (en) | 2002-12-06 | 2002-12-06 | Composite material, method of manufacture of envelope-like case from this material and devices for realization of this method |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2002132948A RU2002132948A (en) | 2004-06-27 |
RU2306364C2 true RU2306364C2 (en) | 2007-09-20 |
Family
ID=38695465
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2002132948/02A RU2306364C2 (en) | 2002-12-06 | 2002-12-06 | Composite material, method of manufacture of envelope-like case from this material and devices for realization of this method |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2306364C2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113479873A (en) * | 2021-07-01 | 2021-10-08 | 海城申合科技有限公司 | Continuous graphitization and high-temperature carbonization integrated furnace and working method thereof |
-
2002
- 2002-12-06 RU RU2002132948/02A patent/RU2306364C2/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
ЧВЕРТКА А.И. и др. Оборудование для электронно-лучевой сварки. - Киев: Наукова думка, 1973, с.46-60. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113479873A (en) * | 2021-07-01 | 2021-10-08 | 海城申合科技有限公司 | Continuous graphitization and high-temperature carbonization integrated furnace and working method thereof |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP2575824B2 (en) | Impregnated carbonization method and apparatus | |
US2970042A (en) | Vessel with replaceable pliable lining | |
EP0471642A2 (en) | Container for encapsulation of workpieces for high pressure processing | |
US6904755B2 (en) | Rocket motor nozzle assemblies having vacuum plasma-sprayed refractory metal shell throat inserts, methods of making, and rocket motors including same | |
KR20130031796A (en) | Hot isotropic pressure device | |
RU2306364C2 (en) | Composite material, method of manufacture of envelope-like case from this material and devices for realization of this method | |
US20090098004A1 (en) | Method for Hot Isostatic Pressing | |
CN113732284A (en) | Target material hot isostatic pressing forming method and equipment | |
RU2228917C2 (en) | A composite material, a method of manufacture of semifinished shell type items out of the material and a device for the method realization | |
US10436512B1 (en) | Base component for a thermoprocessing system, a thermoprocessing system, and a thermoprocessing method | |
RU2171311C1 (en) | Composite material, method of making components, such as shells, and device for carrying it through | |
RU2421429C2 (en) | Composite multilayer materials, methods of making cowling, cut off half-sphere, shell, half-shell and apparatus for realising said methods | |
JP3845690B2 (en) | Fusion reactor vacuum exhaust system | |
TW200422575A (en) | Seal structure of solid feeding screw, and method of producing reduced metal using the seal structure | |
CN115635216A (en) | Ceramic connecting device | |
RU2665860C2 (en) | Method of metalation of bulky blanks in the reactor of the plant for volumetric metalation, the design of the reactor and the method of its manufacturing | |
KR101210064B1 (en) | Vacuum heat treatment apparatus | |
US20240253119A1 (en) | A method for a press apparatus and a related system | |
CN118650325B (en) | Plunger pump cylinder body processing method and system | |
CN112935509B (en) | Large-size titanium alloy bar processing device | |
RU2522011C1 (en) | Method of producing graphitised articles and apparatus for realising said method | |
JPH0458428B2 (en) | ||
RU2002132948A (en) | COMPOSITE MATERIAL, METHOD FOR PRODUCING A SHELL TYPE AND A DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION FROM IT | |
RU2008149C1 (en) | Body of revolution-type heat exchanger soldering and calibration device | |
JPH0515956B2 (en) |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20131207 |