固体火箭发动机制造工艺

1、固体火箭发动机固体火箭发动机加工工艺加工工艺侯玮杰侯玮杰Beijing Institute of Technology 3 1燃烧室壳体加工工艺流程燃烧室壳体加工工艺流程2固体发动机装药及总装工艺流程固体发动机装药及总装工艺流程3 3喷管加工工艺流程喷管加工工艺流程4固体发动机点火装置固体发动机点火装置5固体火箭发动机总装与检测固体火箭发动机总装与检测Beijing Institute of Technology 燃烧室壳体加工工艺流程燃烧室壳体加工工艺流程金属材料金属材料复合材复合材 料料壳体材料1. 1.低碳合金超高强度钢低碳合金超高强度钢2. 2.钛合金钢钛合金钢3. 3.铝合金铝合金1

2、. 1.玻璃纤维玻璃纤维/ /环氧树脂环氧树脂2. 2.芳纶纤维芳纶纤维/ /环氧树脂环氧树脂3. 3.碳纤维碳纤维/ /环氧树脂环氧树脂Beijing Institute of Technology 燃烧室壳体加工工艺流程燃烧室壳体加工工艺流程低碳合金超高强度钢低碳合金超高强度钢 低合金超高强度钢合金元素含量少（低合金超高强度钢合金元素含量少（5%），经济性好，强度高，屈强比），经济性好，强度高，屈强比低，但韧性相对低，但韧性相对 较低。此类钢是通过淬火和低温回火处理获得回火马氏体组织。较低。此类钢是通过淬火和低温回火处理获得回火马氏体组织。或者通过淬火和高温回火处理获得回火索氏体，钢的强度

3、有所降低，但是具有或者通过淬火和高温回火处理获得回火索氏体，钢的强度有所降低，但是具有更好的综合性能。含碳量增加，钢的强度升高；而塑性和韧性相应降低。因此，更好的综合性能。含碳量增加，钢的强度升高；而塑性和韧性相应降低。因此，在保证足够强度的原则下，尽可能降低钢中含碳量，一般含碳量在在保证足够强度的原则下，尽可能降低钢中含碳量，一般含碳量在0.300.45%。 钢中合金元素总量约在钢中合金元素总量约在5%左右，左右，Cr（铬）、（铬）、Ni（镍）和（镍）和Mn（锰）在钢中（锰）在钢中的主要作用是提高钢的淬透性，以保证较大的零件在适当的冷却条件下获得马的主要作用是提高钢的淬透性，以保证较大的零件

4、在适当的冷却条件下获得马氏体组织，氏体组织，Mo（钼），（钼），W（钨）和（钨）和V（钒）的主要作用是提高钢的抗回火能力（钒）的主要作用是提高钢的抗回火能力和细化晶粒等。和细化晶粒等。Beijing Institute of Technology 燃烧室壳体加工工艺流程燃烧室壳体加工工艺流程 这类钢的抗拉强度为这类钢的抗拉强度为1000-1860MPa，屈服强度范围为，屈服强度范围为800-1660MPa.适宜适宜于各种冷成形，可采用钨极氩弧焊（于各种冷成形，可采用钨极氩弧焊（TIG）焊接，可采用一般的电阻炉进行热）焊接，可采用一般的电阻炉进行热处理。广泛应用于各种战术和战略固体导弹发动机壳体

5、。处理。广泛应用于各种战术和战略固体导弹发动机壳体。 主要包括：主要包括：30CrMnSiA（ 简称简称 30钢钢 ）、32SiMnMoV（ 简称简称 32钢钢 ）、）、35SiMnCrMoV（ 406 ）、）、30SiMnCrMoV（D406）、）、45CrNiMoV（D6AC）。）。低碳合金超高强度钢低碳合金超高强度钢Beijing Institute of Technology 燃烧室壳体加工工艺流程燃烧室壳体加工工艺流程钛合金钛合金 钛合金是以钛为基础加入其他元素组成的合金。钛有两种同质异晶体：钛合金是以钛为基础加入其他元素组成的合金。钛有两种同质异晶体：882以下为密排六方结构以下为

6、密排六方结构钛，钛，882以上为体心立方的以上为体心立方的钛。钛合金中最常钛。钛合金中最常用的是用的是钛合金和钛合金和+钛合金；钛合金；钛合金的切削加工性最好，钛合金的切削加工性最好，+钛合金次之，钛合金次之，钛合金最差。钛合金最差。钛合金代号为钛合金代号为TA，钛合金代号为钛合金代号为TB，+钛合金代号为钛合金代号为TC。优点：比强度高、密度小、具有较高的高温强度；没有磁性，适合于空间发动优点：比强度高、密度小、具有较高的高温强度；没有磁性，适合于空间发动机。钛合金中以机。钛合金中以TC3和和TC4应用比较广泛。应用比较广泛。铝合金铝合金 在固体火箭发动机上，铝合金主要用于纤维缠绕壳体的接头

7、、裙框、喷管在固体火箭发动机上，铝合金主要用于纤维缠绕壳体的接头、裙框、喷管固定体、扩张段、支耳环等。固定体、扩张段、支耳环等。Beijing Institute of Technology 燃烧室壳体加工工艺流程燃烧室壳体加工工艺流程1.金属筒体3冲压加工2切削加工1旋压加工2.封头1旋压加工2冲压加工Beijing Institute of Technology 燃烧室壳体加工工艺流程燃烧室壳体加工工艺流程 旋压是一种综合了锻造、挤压、拉伸、弯曲、环轧、横轧和滚挤等工艺特旋压是一种综合了锻造、挤压、拉伸、弯曲、环轧、横轧和滚挤等工艺特点的少无切削加工的先进工艺，将金属筒坯、平板毛坯或预制坯

8、用尾顶顶紧在点的少无切削加工的先进工艺，将金属筒坯、平板毛坯或预制坯用尾顶顶紧在旋压机芯模上，由主轴带动芯棒和坯料旋转，同时旋压轮从毛坯一侧将材料挤旋压机芯模上，由主轴带动芯棒和坯料旋转，同时旋压轮从毛坯一侧将材料挤压在旋转的芯模上，使材料产生逐点连续的塑性变形，从而获得各种母线形状压在旋转的芯模上，使材料产生逐点连续的塑性变形，从而获得各种母线形状的空心旋转体零件。旋压成形特别适用于中、大型固体火箭发动机壳体和喷管的空心旋转体零件。旋压成形特别适用于中、大型固体火箭发动机壳体和喷管外壳，它可以消除纵向焊缝，显著提高壳体的承载能力和可靠性。外壳，它可以消除纵向焊缝，显著提高壳体的承载能力和可靠

9、性。旋压加工旋压加工Beijing Institute of Technology 燃烧室壳体加工工艺流程燃烧室壳体加工工艺流程 根据旋压加工过程中毛坯厚度的变化情况，一般将旋压工艺分为普通旋压根据旋压加工过程中毛坯厚度的变化情况，一般将旋压工艺分为普通旋压和强力旋压两种。和强力旋压两种。 圆筒形件强力旋压工艺过程，其材料变形过程始终遵循体积不变原则，工圆筒形件强力旋压工艺过程，其材料变形过程始终遵循体积不变原则，工件形状的改变为旋压前后圆筒壁厚的减薄、直径的变小、长度的增加，同时产件形状的改变为旋压前后圆筒壁厚的减薄、直径的变小、长度的增加，同时产品内径也会因工艺参数的不同而有不同程度的改变

10、，最终产品要素为圆筒外品内径也会因工艺参数的不同而有不同程度的改变，最终产品要素为圆筒外（内）径、壁厚、长度、直线度、圆度等。产品长度公式为：（内）径、壁厚、长度、直线度、圆度等。产品长度公式为：旋压加工旋压加工1i0i001dSdSSSLLi内径。毛坯厚度；工件厚度；毛坯长度；工件长度；diSSLL0101Beijing Institute of Technology 燃烧室壳体加工工艺流程燃烧室壳体加工工艺流程旋压加工旋压加工 技术关键：控制圆筒的扩径量和避免内壁划伤。通过合理选择旋压方式技术关键：控制圆筒的扩径量和避免内壁划伤。通过合理选择旋压方式（正旋或反旋）和工艺参数（包括：旋压道次

11、、减薄率、旋轮圆角半径、成形（正旋或反旋）和工艺参数（包括：旋压道次、减薄率、旋轮圆角半径、成形角、进给比等角、进给比等),采用高强度、高硬度的模具材料、用采用高强度、高硬度的模具材料、用GM-1型二硫化钼成膜膏作型二硫化钼成膜膏作为润滑剂和为润滑剂和H-1型水剂高精磨夜作为冷却液等。型水剂高精磨夜作为冷却液等。D406A钢钢2m圆筒体旋压工艺流程如下：圆筒体旋压工艺流程如下：圆筒体加工的特殊性。圆筒体加工的特殊性。毛坯为锻件。毛坯为锻件。Beijing Institute of Technology 燃烧室壳体加工工艺流程燃烧室壳体加工工艺流程 采用旋压法加工大、中型封头具有其它加工方法无可

12、比拟的优越性。封头采用旋压法加工大、中型封头具有其它加工方法无可比拟的优越性。封头旋压通常是采用板料成形，变形前后壁厚不变化或者变化极小，直径变化较大，旋压通常是采用板料成形，变形前后壁厚不变化或者变化极小，直径变化较大，或收缩或扩大，旋压时较易失稳或局部拉薄，有单向前进旋压和往复摆动多道或收缩或扩大，旋压时较易失稳或局部拉薄，有单向前进旋压和往复摆动多道次逐步旋压两种方式（图中次逐步旋压两种方式（图中a和和b）。产品要素为封头外形轮廓度、已知位置直）。产品要素为封头外形轮廓度、已知位置直径、高度、壁厚等。径、高度、壁厚等。旋压加工旋压加工Beijing Institute of Techno

13、logy 燃烧室壳体加工工艺流程燃烧室壳体加工工艺流程 目前，国内外在封头冷旋压成形中，主要采用两种方法。一是一步法，即目前，国内外在封头冷旋压成形中，主要采用两种方法。一是一步法，即板坯在旋压机上一次旋压成形。二是二步法，即板坯是在压鼓机上沿板坯展面板坯在旋压机上一次旋压成形。二是二步法，即板坯是在压鼓机上沿板坯展面逐点压制成球冠形，然后在旋压机上翻边。一步法旋压封头，其工作效率远远逐点压制成球冠形，然后在旋压机上翻边。一步法旋压封头，其工作效率远远高于采用二步法成形封头工艺过程，产品质量较好。现阶段一步法旋压封头已高于采用二步法成形封头工艺过程，产品质量较好。现阶段一步法旋压封头已处于主导

14、地位，并已发展成熟。处于主导地位，并已发展成熟。 一次旋压成形工艺流程如下：一次旋压成形工艺流程如下：旋压加工旋压加工Beijing Institute of Technology 燃烧室壳体加工工艺流程燃烧室壳体加工工艺流程 冲压成形又称深拉伸成形，一般在液压机床上进行。其原理如图所示：模冲压成形又称深拉伸成形，一般在液压机床上进行。其原理如图所示：模具由铸钢加工而成，阳模为球形或者椭球形，阴模为圆环形。冲压时将圆形毛具由铸钢加工而成，阳模为球形或者椭球形，阴模为圆环形。冲压时将圆形毛料至于阴模上，施加适当的压边力，阳模向下移动，毛料与阳模接触后，各处料至于阴模上，施加适当的压边力，阳模向下

15、移动，毛料与阳模接触后，各处发生不同的塑性变形，最后毛料紧贴阳模，成为厚度基本均匀的薄壁件。发生不同的塑性变形，最后毛料紧贴阳模，成为厚度基本均匀的薄壁件。冲压加工冲压加工Beijing Institute of Technology 燃烧室壳体加工工艺流程燃烧室壳体加工工艺流程 空间用球形固体火箭发动机壳体，一般采用空间用球形固体火箭发动机壳体，一般采用TC3或或TC4钛合金加工。由于钛合金加工。由于TC3钛合金板材变形抗力大，在室温下难以冲压成形，一般采用钛合金板材变形抗力大，在室温下难以冲压成形，一般采用“夹板成形夹板成形”工艺。工艺。 冲压工艺流程如下：冲压工艺流程如下：冲压加工冲压加

16、工 用两片稍大于毛料尺寸的普通钢板，将钛合金毛料夹在中间，周边焊接密用两片稍大于毛料尺寸的普通钢板，将钛合金毛料夹在中间，周边焊接密封，留两个接管嘴，抽真空后通入封，留两个接管嘴，抽真空后通入氩气氩气，然后加热至，然后加热至780-800，热透后置于，热透后置于液压机上冲压成形。为了使冲压时的温度不至于降低太快，模具和压边圈应预液压机上冲压成形。为了使冲压时的温度不至于降低太快，模具和压边圈应预热；为了防止板料从加热炉转移过程中散热，应加蓄热垫板和盖板，冲压前将热；为了防止板料从加热炉转移过程中散热，应加蓄热垫板和盖板，冲压前将他们移开，待冷却后将钛合金半球与钢半球分离开。他们移开，待冷却后将

17、钛合金半球与钢半球分离开。Beijing Institute of Technology 燃烧室壳体加工工艺流程燃烧室壳体加工工艺流程 切削加工主要适用于小型固体火箭发动机燃烧室筒体的加工，其毛坯一般切削加工主要适用于小型固体火箭发动机燃烧室筒体的加工，其毛坯一般直接选用热轧或者冷轧的无缝钢管。主要用于加工火箭弹发动机、反坦克导弹、直接选用热轧或者冷轧的无缝钢管。主要用于加工火箭弹发动机、反坦克导弹、航空导弹等直径较小的固体火箭发动机。航空导弹等直径较小的固体火箭发动机。130mm火箭弹燃烧室机械加工工艺流程如下：火箭弹燃烧室机械加工工艺流程如下：切削加工切削加工 在机械加工过程中应使内外表面

18、交替进行加工，并使之互为定心基准，有在机械加工过程中应使内外表面交替进行加工，并使之互为定心基准，有利于壁厚差的消除和提高有关表面的同轴度。利于壁厚差的消除和提高有关表面的同轴度。Beijing Institute of Technology 燃烧室壳体加工工艺流程燃烧室壳体加工工艺流程 钨极氩弧焊是以氩气作为保护气体，利用钨电极与工件之间的电弧热熔化钨极氩弧焊是以氩气作为保护气体，利用钨电极与工件之间的电弧热熔化母材和填充焊丝的一种焊接方法。焊接时氩气从焊枪的喷嘴中连续喷出，在电母材和填充焊丝的一种焊接方法。焊接时氩气从焊枪的喷嘴中连续喷出，在电弧周围形成气体保护层来隔绝空气，以防止其对钨极

19、、熔池及近缝区的有害影弧周围形成气体保护层来隔绝空气，以防止其对钨极、熔池及近缝区的有害影响，从而获得优质的焊缝。响，从而获得优质的焊缝。 钨棒电极只起导电作用不熔化，通电后在钨极和工件间产生电弧。在焊接钨棒电极只起导电作用不熔化，通电后在钨极和工件间产生电弧。在焊接过程中可以填丝也可以不填丝。填丝时，焊丝应从钨极前方填加。过程中可以填丝也可以不填丝。填丝时，焊丝应从钨极前方填加。焊接技术焊接技术a)钨极氩弧焊钨极氩弧焊 b)熔化极氩弧焊熔化极氩弧焊1熔池熔池 2一喷嘴一喷嘴 3一钨极一钨极 4一气体一气体 5一焊缝一焊缝 6一焊丝一焊丝 7一送丝滚轮一送丝滚轮Beijing Institut

20、e of Technology 燃烧室壳体加工工艺流程燃烧室壳体加工工艺流程 D406A是我国自行研制的一种超高强度钢是我国自行研制的一种超高强度钢, 含碳量高含碳量高, 合金元素种类多合金元素种类多, 热热裂敏感性达裂敏感性达, 淬硬倾向大淬硬倾向大, 可焊性比较差可焊性比较差, 焊后容易出现冷裂纹等严重缺陷。焊后容易出现冷裂纹等严重缺陷。D406A D406A 氩弧焊的焊接工艺氩弧焊的焊接工艺 1.焊前准备。焊前准备。因为产生冷裂纹的原因是氢聚集在焊缝金属的晶格内部因为产生冷裂纹的原因是氢聚集在焊缝金属的晶格内部, 产产生内应力导致冷裂纹生内应力导致冷裂纹, 所以焊接坡口的表面及坡口附近的

21、水分、油污、锈蚀都所以焊接坡口的表面及坡口附近的水分、油污、锈蚀都要清理干净要清理干净, 可以用喷砂、打磨、烘烤等物理办法去氢。焊前预热对焊缝和根可以用喷砂、打磨、烘烤等物理办法去氢。焊前预热对焊缝和根部焊道很重要部焊道很重要, 焊接过程中和焊接后的温度越高焊接过程中和焊接后的温度越高, 氢越容易从钢中逸出。氢越容易从钢中逸出。D406A 氩弧焊的焊接工艺氩弧焊的焊接工艺 2.焊接坡口。焊接坡口。氩弧焊时一般根据焊丝直径、焊接电流、焊接电压、焊接速氩弧焊时一般根据焊丝直径、焊接电流、焊接电压、焊接速度、板料厚度来设计坡口坡口形式选择度、板料厚度来设计坡口坡口形式选择V 形坡口。形坡口。 3.焊

22、接规范。焊接规范。Beijing Institute of Technology 燃烧室壳体加工工艺流程燃烧室壳体加工工艺流程 热处理：通过对钢件加热、保温和冷却的操作方法，来改善其内部组织结通过对钢件加热、保温和冷却的操作方法，来改善其内部组织结构，以获得所需要性能的一种加工工艺。构，以获得所需要性能的一种加工工艺。热处理技术热处理技术常见热处理工艺普通热处理普通热处理表面热处理表面热处理退火退火淬火淬火（Zhan 通蘸）通蘸）正火正火回火回火表面淬火表面淬火化学热处理化学热处理Tt随炉冷却随炉冷却空冷空冷油冷油冷加热加热保温保温Beijing Institute of Technology

23、 燃烧室壳体加工工艺流程燃烧室壳体加工工艺流程铁碳相图热处理技术热处理技术l铁素体铁素体：碳在-Fe中的固溶体称铁素体, 用F或 表示。铁素体的溶碳能力很低,在727727时最大为0.0218%0.0218%，室温下仅0.0008%0.0008%。l奥氏体奥氏体:碳在 -Fe中的固溶体称奥氏体。用A或 表示。溶碳能力比铁素体大，1148时最大为2.11%。727 时为0.77%。l渗碳体渗碳体：即Fe3C, 含碳6.69%, 用Fe3C或Cm表示。l珠光体珠光体：铁素体与Fe3C的机械混合物，用P表示。l马氏体马氏体: 指钢从奥氏体状态快速冷却，来不及发生扩散分解而产生的无扩散型的相变。Bei

24、jing Institute of Technology 燃烧室壳体加工工艺流程燃烧室壳体加工工艺流程过冷奥氏体等温转变动力学图（TTT图）高温转变高温转变： A1 550 过冷过冷A P 型组织型组织中温转变中温转变： 550 MS 过冷过冷A 贝氏体贝氏体(B)低温转变低温转变： MS Mf 过冷过冷A 马氏体马氏体 ( M )A1Tt转变开始线转变开始线转变终了线转变终了线C曲线：曲线：形状似形状似CTTT曲线：曲线： Time，Temperature、TransformationBeijing Institute of Technology 燃烧室壳体加工工艺流程燃烧室壳体加工工艺流程

25、过冷奥氏体等温转变动力学图（TTT图）01时T/M +A A1100200300400500600700800-100100101010102345AMsMf过冷冷AAMA 下BAS转 变 开 始转 变 结 束A 上BATAPM下B上BTSP525H R C2535H R C3540H R C4050H R C5060H R C6065H R C珠光体贝氏体马氏体Beijing Institute of Technology 燃烧室壳体加工工艺流程燃烧室壳体加工工艺流程热处理工艺四个重要因素: (1)加热速度V；(2)最高加热温度T;(3)保温时间h;(4)冷却速度Vt. Beijing In

26、stitute of Technology 燃烧室壳体加工工艺流程燃烧室壳体加工工艺流程退火退火退火：将钢加热至适当温度保温， 然后缓慢冷却（炉冷）的热处理工艺叫做退火。 冷却方式 （如图）保温时间：保证透烧， 一般以1.01.5mm/min计算。1、退火目的 调整硬度，便于切削加工。适合加工的硬度170-250 HB。 消除内应力，防止加工中变形。 细化晶粒，为最终热处理 作组织准备。 真空退火炉Beijing Institute of Technology 燃烧室壳体加工工艺流程燃烧室壳体加工工艺流程退火退火2、退火工艺 退火的种类很多，常用的有完全退火、球化退火、去应力退火等。完全退火：

27、将亚共析钢加热到Ac3+3050，保温后缓冷的退火工艺称为完全退火。目的：降低硬度，消除内应力。去应力退火：将工件加热到 Ac1以下某一温度，保温后随炉冷却的热处理工艺称为去应力退火。Beijing Institute of Technology 燃烧室壳体加工工艺流程燃烧室壳体加工工艺流程退火退火2、退火工艺 退火的种类很多，常用的有完全退火、球化退火、去应力退火等。球化退火：将共析钢或过共析钢加热到 Ac1 +2030，保温适当时间后缓慢冷却的热处理工艺称为球化退火。目的：降低硬度，改善切削加工性能；形成球状珠光体，为后面的淬火作组织准备。对于有网状二次渗碳体的过共析钢，球化退火前应先进行

28、正火，以消除网状。Beijing Institute of Technology 燃烧室壳体加工工艺流程燃烧室壳体加工工艺流程正火正火正火工艺 正火是将钢加热到 Ac3或 Accm以上3050，保温后空气中冷却的热处理工艺。目的 对于低、中碳钢(0.77C%)，目的与退火的相同。 对于过共析钢， 用于消除网状二次渗碳体，为球化退火作组织准备。 正火和退火：作为改善切削性能，预备热处理的选择。l 低碳钢用正火，l 中碳钢用退火或正火，l 高碳钢用球化退火。（正火球化退火）正火比退火简单正火比退火简单Beijing Institute of Technology 燃烧室壳体加工工艺流程燃烧室壳体加

29、工工艺流程淬火淬火 淬火是将钢加热到临界点以上，保温后以大于Vk的速度冷却的热处理工艺。目的是为了获得马氏体，为了提高钢的硬度和耐磨性。 淬火加热温度是淬火工艺的主要参淬火加热温度是淬火工艺的主要参数。它的选择应以得到均匀细小的奥氏数。它的选择应以得到均匀细小的奥氏体晶粒为原则，以使淬火后获得细小的体晶粒为原则，以使淬火后获得细小的马氏体组织。为防止奥氏体晶粒粗化，马氏体组织。为防止奥氏体晶粒粗化，淬火加热温度一般限制在临界点以上淬火加热温度一般限制在临界点以上30一一50范围。范围。淬硬性:是指钢在淬火后所能达到的最高硬度。淬透性:是指钢在淬火时所能得到的淬硬层 (马氏体组织占50%处) 的

30、深度。Beijing Institute of Technology 燃烧室壳体加工工艺流程燃烧室壳体加工工艺流程淬火淬火 为了保证得到马氏体组织，淬火速度必须大于临界冷却速度Vk，但往往会引起工件变形和开裂。要想既得到马氏体又避免变形和开裂，理想的淬火冷却曲线如图所示。 在在“鼻尖鼻尖”温度以上，在保证温度以上，在保证不出现珠光体类型组织的前提下，不出现珠光体类型组织的前提下，可以尽量缓冷；在可以尽量缓冷；在“鼻尖鼻尖”温度附温度附近则必须快冷，以躲开近则必须快冷，以躲开“鼻尖鼻尖”，保证不产生非马氏体相变；而在保证不产生非马氏体相变；而在Ms点附近又可以缓冷，以减轻马氏体点附近又可以缓冷，

31、以减轻马氏体转变时的相变应力。转变时的相变应力。 最常用的淬火介质是水和油。Beijing Institute of Technology 燃烧室壳体加工工艺流程燃烧室壳体加工工艺流程回火回火 把淬火后的零件重新加温到A1线以下某个温度,保温一段时间,然后冷却到室温。消除淬火应力,降低脆性;稳定工件尺寸;调整淬火零件的力学性能。 低温回火（150250） 组织为回火马氏体，能降低内应力和脆性，并保持高硬度和耐磨性。用于工具、模具、轴承、渗碳件及经表面淬火的工件。中温回火（350500） 组织为回火索氏体，具有较高弹性和一定韧性，主要用于弹簧的处理。高温回火（500650） 组织为回火索氏体，具

32、有良好的综合机械性能。简称调质。Beijing Institute of Technology 燃烧室壳体加工工艺流程燃烧室壳体加工工艺流程典型钢种热处理典型钢种热处理406钢D406A钢D6AC钢Beijing Institute of Technology 燃烧室壳体加工工艺流程燃烧室壳体加工工艺流程 复合材料的组分可分为：复合材料的组分可分为： 1.增强材料，例如纤维、颗粒、晶须等；增强材料，例如纤维、颗粒、晶须等； 2.基体材料，例如聚合物、金属、陶瓷等。基体材料，例如聚合物、金属、陶瓷等。复合材料复合材料复合材料复合材料增强材料增强材料 基基 体体界界 面面Beijing Insti

33、tute of Technology 燃烧室壳体加工工艺流程燃烧室壳体加工工艺流程3 1玻璃钢玻璃钢 利用纤维缠绕工艺制造固体发动机壳体利用纤维缠绕工艺制造固体发动机壳体, ,是近代复合材料发展史上的一个是近代复合材料发展史上的一个重要里程碑重要里程碑, ,它起始于它起始于6060年代初美国年代初美国“北极星北极星A3”A3”导弹发动机导弹发动机, ,使壳体质量使壳体质量比钢壳体减轻比钢壳体减轻60%,60%,容器特性系数提高到容器特性系数提高到12km12km19km19km。增强材料增强材料3 2芳纶复合材料芳纶复合材料 芳纶是芳族有机纤维的总称芳纶是芳族有机纤维的总称, ,最早问世的是美

34、国的凯夫拉最早问世的是美国的凯夫拉49,49,属于全对属于全对位的聚芳酰胺纤维。用于美国位的聚芳酰胺纤维。用于美国MXMX、“潘兴潘兴2”2”等战略战术导弹和各种航天等战略战术导弹和各种航天用固体发动机用固体发动机, ,一度居于统治地位。一度居于统治地位。3 3碳纤维碳纤维 8080年代以来，碳纤维在力学性能方面取得重大突破，它的比强度、比年代以来，碳纤维在力学性能方面取得重大突破，它的比强度、比模量跃居各先进纤维之首。模量跃居各先进纤维之首。典型型号有美国的典型型号有美国的“三叉戟三叉戟2”导弹、导弹、“侏侏儒儒”导弹导弹,直径直径3.2m的的“大力神大力神4”助推器等。助推器等。Beiji

35、ng Institute of Technology 燃烧室壳体加工工艺流程燃烧室壳体加工工艺流程增强材料增强材料比强度，MPa / ( g / cm 3 )Beijing Institute of Technology 燃烧室壳体加工工艺流程燃烧室壳体加工工艺流程芳纶纤维芳纶纤维 芳纶纤维：芳香族聚酰胺类纤维的通称，国外商品牌号为凯芙拉（Kevlar）纤维，我国命名为芳纶纤维。 特点：高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、低密度。聚对苯二甲酰对苯二胺纤维，简称PPTA纤维对苯二甲酰氯对苯二胺Beijing Institute of Technology 燃烧室壳体加工工艺流程燃烧室壳体加工工艺流程

36、聚对苯二甲酰对苯二胺纤维，简称PPTA纤维高聚物链呈伸展状态，形成棒状结构及高结晶度，纤维具有高模量。高聚物链的线性结构使分子间排列紧密，纤维具有高强度。苯环结构，高结晶度，纤维具有化学稳定性高温尺寸的稳定性。分子链在纤维轴向高度定向，强共价键纤维横向分子间氢键，纤维力学性能各 向异性。Beijing Institute of Technology 燃烧室壳体加工工艺流程燃烧室壳体加工工艺流程Kevlar纤维的制备Kevlar纤维的制造过程分为两个阶段：第一阶段，对苯二胺与对苯二甲酸酰氯缩聚成PPTA;第二阶段，将聚合体溶解在溶剂中再进行纺丝，制成所需要的纤维材料。Beijing Instit

37、ute of Technology 燃烧室壳体加工工艺流程燃烧室壳体加工工艺流程缩聚（1）原料 1）对苯二甲酰氯 2）对苯二胺 3）溶剂（2）缩聚反应常选用溶剂：六甲基磷酰胺、N-甲基吡咯烷酮及二甲基乙酰胺等。为防止对苯二甲酰的水解，反应体系及溶剂中的含水量要严格控制。原因：聚对苯撑对苯二甲酰胺是刚性链分子，分子链段的自由旋转受到阻碍，玻璃化温度与熔点温度较高。低温溶液缩聚法不能用熔融缩聚法Beijing Institute of Technology 燃烧室壳体加工工艺流程燃烧室壳体加工工艺流程缩聚低温溶液缩聚法可得到特性粘度大于5的聚合体，但生产效率低。溶剂（HMPA)有毒，因此又发展了气

38、相缩聚方法。 将对苯二胺与对苯酰氯蒸汽保持在325，与加热到200的氯气混合，反应器的温度保持在202到250之间，反应后进行冷却，然后分离可得到聚合物，其特性粘度为3.1。Beijing Institute of Technology 燃烧室壳体加工工艺流程燃烧室壳体加工工艺流程纺丝 PPTA溶解于浓硫酸中在一定温度和浓度下形成的是向列型液晶溶液，在外界作用下，分子很容易沿作用力方向取向，具有液晶性质的大分子有利于成纤。具有高浓度，低粘度性质，有利于纺丝。PPTA浓硫酸溶液粘度-浓度示意图向列型Beijing Institute of Technology 燃烧室壳体加工工艺流程燃烧室壳体加

39、工工艺流程纺丝干湿法纺丝水洗干燥浓硫酸溶解纺丝溶液聚合物PPTAKevlar-29Kevlar-49惰性气体,张力150550分段热处理 高浓度、高温度的PPTA液晶溶液在较高的喷丝速度下喷丝，喷丝进入温度低的凝固液浴，在凝固液浴中，经过一个纺丝管，在凝固液的作用下形成丝束，绕到绕丝辊上，再经洗涤，在张力下热辊上干燥。最后在惰性气体中于较高的温度下进行热处理。使分子链进一步取向，提高结晶率，增加强度和模量（断裂应变降低）。Beijing Institute of Technology 燃烧室壳体加工工艺流程燃烧室壳体加工工艺流程碳纤维碳纤维 由有机纤维或低分子烃气体原料在惰性气氛中经高温(15

40、00C)碳化而成的纤维状碳化合物，其碳含量在90%以上。 具有高的比强度和高模量，热膨胀系数小，尺寸稳定性好。被大量用作复合材料的增强材料。用碳纤维制成的树脂基复合材料比模量比钢和铝合金高5倍，比强度高3倍以上，同时耐腐蚀、耐热冲击、耐烧蚀性能均优越，因而在航空和航天工业中得到应用并得到迅速发展。特点Beijing Institute of Technology 燃烧室壳体加工工艺流程燃烧室壳体加工工艺流程聚丙烯腈纤维聚丙烯腈纤维 不同于有机纤维或无机纤维，不能用熔融法或溶液法直接纺丝，只能以有机物为原料，采用间接方法来制造。实际上用作碳纤维原料的有机纤维主要有三种：粘胶纤维、聚丙烯腈纤维、沥

41、青纤维。固体火箭发动机结构材料中使用的碳纤维多是由聚丙烯腈纤维制成的。基本工艺流程有机纤维预氧化处理高温碳化原丝Beijing Institute of Technology 燃烧室壳体加工工艺流程燃烧室壳体加工工艺流程基本工艺流程 聚合 PAN 纺丝 湿纺 干湿纺 PAN纤维 预氧化 空气介质 200-300oC 数十至数百分钟 OF 碳化 惰性气氛 1200-1500 oC 数分至数十分钟 石墨化 惰性气氛 2000-3000 oC 数秒至数十秒 CF 丙烯腈 共聚单体 引发剂 表面处理 GrF 深加工 CF系列产品 Beijing Institute of Technology 燃烧室壳

42、体加工工艺流程燃烧室壳体加工工艺流程预氧化 在200300下氧化气氛中（空气）受张力的情况下进行。预氧化的目的： 使线性的聚丙烯腈分子脱氢、环化，转化成耐热梯形六元环结构，以使PAN纤维在高温碳化时不熔不燃，保持纤维形态。在此过程中纤维横截面上出现皮芯结构。外皮硬实，芯子柔软，碳纤维的强度与模量主要取决于外皮的面积。 预氧化过程的重要现象： 纤维颜色变化（白黄棕褐色黑色 ） CNCNCNCNHCCCCNNNNCNCNCNCNCCCCNNN环化Beijing Institute of Technology 燃烧室壳体加工工艺流程燃烧室壳体加工工艺流程碳化 在4001900的惰性气氛中进行。碳纤维

43、生成的主要阶段。除去大量的氮、氢、氧等非碳元素，改变了原PAN纤维的结构，形成了碳纤维。碳化收率4045，含碳量95%左右。一般采用高纯氮气N2石墨化 在25003000的温度下，密封装置，施加压力，保护气体中进行。目的是使纤维中的结晶碳向石墨晶体取向，使之与纤维轴方向的夹角进一步减小以提高碳纤维的弹性模量。Beijing Institute of Technology 燃烧室壳体加工工艺流程燃烧室壳体加工工艺流程表面处理 碳纤维的表面处理 碳纤维表面处理的目的和意义 碳纤维的表面处理就是为了改善其表面结构和性能，采取针对性的措施，使之获得与基体材料很好地粘结，从而达到提高其复合材料层间剪切强

44、度、断裂韧性、尺寸稳定性及界面的抗湿性。 碳纤维表面处理的方法及作用效果处理机理： 清除碳纤维表面杂质，在碳纤维表面刻蚀沟槽或形成微孔以增大表面积，从类似石墨层面改性成碳状结构以增加碳纤维表面能，或者引入具有极性或反应性的官能团以形成与树脂起作用的中间层。 改善与树脂基体的浸润性和粘附性Beijing Institute of Technology 燃烧室壳体加工工艺流程燃烧室壳体加工工艺流程表面处理 Kevlar纤维的表面处理 Kevlar纤维表面处理的目的和意义 1、Kevlar纤维树脂复合材料的界面粘结好，由于其纤维容易轴向劈裂，导致其复合材料层间剪切强度和抗压缩强度不高； 2、Kevl

45、ar纤维容易吸水，从而影响复合材料界面层的特性。通过研Kevlar纤维表面改性和调节基体树脂及其界面层的特性来改进复合材料的剪切强度。 Kevlar纤维表面处理的方法及作用效果 1、采用在Kevlar纤维金属化后，再与正溴代十八烷、溴代醋酸等进行反应 2、不同气体下等离子体处理 ； 3、用含有异氰酸基的弹性聚合物与Kevlar纤维表面发生反应； 4、采用带活性基团的柔性高分子稀溶液进行表面涂层。 Beijing Institute of Technology 燃烧室壳体加工工艺流程燃烧室壳体加工工艺流程3 4基体树脂基体树脂树脂及各种助剂、填料等常用 不饱和聚酯：含有非芳族的不饱和键,由不饱和

46、二元羧酸或酸酐、饱和二元羧酸或酸酐与多元醇缩聚而成的具有酯键和不饱和双键的相对分子质量不高的线型高分子化合物。 不饱和聚酯树脂：在聚酯化缩聚反应结束后，趁热加入一定量的乙烯基单体，配成粘稠的液体，这样的聚合物溶液称之为不饱和聚酯树脂。COO不饱和聚酯树脂，环氧树脂(双酚A型)、酚醛环氧树脂(环氧改性酚醛树脂)Beijing Institute of Technology 燃烧室壳体加工工艺流程燃烧室壳体加工工艺流程3 4基体树脂基体树脂环氧树脂(双酚A型)CH2CHO 目前常用树脂基体为双酚A型环氧树脂，其分子结构中，含有羟基和醚键，随着固化反应的进行，将进一步生成更多的羟基和醚键，羟基和醚键

47、的存在使固化后的产物有较高的内聚力，而且与被粘物表面可产生很强的粘附力。由于其分子结构中含有硬链节，因而，固化收缩率比较低，内应力比较小，但耐热性较差。 热塑性聚合物用作复合材料基体材料，在断裂韧性、冲击强度和吸湿等方面都优于热固性类树脂基体，而在耐高温、抗热湿、抗冲击、热稳定性、损伤容限以及吸湿方面又大大优于环氧树脂系统。热塑性树脂作为复合材料树脂基体已成为趋势。Beijing Institute of Technology 燃烧室壳体加工工艺流程燃烧室壳体加工工艺流程1干法缠绕成型2湿法缠绕成型复合材料成型复合材料成型纤维缠绕（适应于大型固体发动机）纤维缠绕（适应于大型固体发动机）采用纤维

48、缠绕工艺的固体发动机壳体成型过程是将经过浸胶的连续增强采用纤维缠绕工艺的固体发动机壳体成型过程是将经过浸胶的连续增强纤维，按照一定规律缠绕到芯模上，然后固化成制品。纤维，按照一定规律缠绕到芯模上，然后固化成制品。Beijing Institute of Technology 燃烧室壳体加工工艺流程燃烧室壳体加工工艺流程缠绕成型缠绕成型缠绕工艺流程图浸胶胶纱纱锭张力控制固化打模喷漆脱模芯模制造胶液配制纱团集束烘干络纱加热粘流纵、环向缠绕张力控制纵、环向缠绕成品湿法缠绕成型工艺干法缠绕成型工艺Beijing Institute of Technology 燃烧室壳体加工工艺流程燃烧室壳体加工工艺流

49、程1干法缠绕成型 干法缠绕采用预先浸胶干法缠绕采用预先浸胶、基体树脂处于、基体树脂处于B阶段的预浸阶段的预浸胶带（纤维用预催化树脂预胶带（纤维用预催化树脂预浸渍使其处于稳定的等待期浸渍使其处于稳定的等待期称为称为B阶段），在缠绕机上对阶段），在缠绕机上对胶带进行加热软化，缠绕在胶带进行加热软化，缠绕在芯模上。复合材料壳体一般芯模上。复合材料壳体一般由纵向缠绕层、环向缠绕层由纵向缠绕层、环向缠绕层、前后接头、连接裙和内绝、前后接头、连接裙和内绝热层等组成。热层等组成。Beijing Institute of Technology 燃烧室壳体加工工艺流程燃烧室壳体加工工艺流程预浸纱带的制备 从纱架

50、上各纱管中退绕下来的纤维单纱，经过集束、排纱，以一定的速度进入胶槽，浸渍上所需量的树脂胶液；经挤胶辊挤胶、初定形，然后进入烘干炉，除去大部分挥发物，并使部分树脂进一步预固化（成为B阶段）然后经过定形辊定形，冷却收卷。预浸纱带的主要技术指标：纱带宽度、强力、含胶量和挥发分含量Beijing Institute of Technology 燃烧室壳体加工工艺流程燃烧室壳体加工工艺流程芯模制备 发动机壳体生产主要采用三种芯模：砂/聚乙烯醇(PVA)芯模、石膏芯模、石膏面层金属骨架组合芯模。 先将预热的铸造型砂同聚乙烯醇（醇解度不大于88%）水溶液搅拌均匀，倒入放在振动台上的金属模具中，浇铸成型。10

51、0左右烘干后，从模具中取出。然后将各段装在芯轴上，并用粘接剂粘接。按照要求尺寸及形位公差加工芯模外表面，完成后再芯模表面涂脱模剂、晾干。砂/PVA芯模制备Beijing Institute of Technology 燃烧室壳体加工工艺流程燃烧室壳体加工工艺流程石膏芯模制备 其结构与成型工艺与砂/PVA芯模大体一致。为提高石膏的抗压强度、抗收缩能力，改善机加性能和芯模拆模时石膏的水散性，可在石膏中加入一定重量比（25%左右）的玻璃微珠。 a.石膏准备。b.骨架组装。将隔板、蒙皮、封头衬瓦等组装到芯轴上，连接一定要牢固。蒙皮及封头衬瓦的表面要缠上细萱麻绳，以利于和石膏粘接。c.石膏面层刮制。将组

52、装好的芯模骨架装卡在芯模成型机上，将初凝的石膏浆，均匀迅速地上到芯模骨架表面，开动成型机使芯模转动进行粗刮。粗刮完成后，1520min内，再次将石膏浆上到芯模上、开动成型机用精刮刀进行精刮。d.烘干。将芯模放入鼓风干燥炉中烘干。e.表面修整和尺寸测量石膏面层金属骨架组合芯模制备Beijing Institute of Technology 燃烧室壳体加工工艺流程燃烧室壳体加工工艺流程复合裙制备 1）在壳体群内缠绕层缠完后，将一个专用模具套在芯模上； 2）在壳体的圆筒段和模具上按设计的层次铺敷和缠绕连接裙，0。和斜向的纤维层采用铺敷，90。的纤维层采用缠绕； 3）然后接着裙外缠绕层的缠绕。缠绕完

53、的连接裙随壳体一起固化； 4）拆去裙模后，加工连接裙与金属端框的粘接面； 5）粘接和铆接金属端框； 6）对端框的对接尺寸进行精加工。Beijing Institute of Technology 燃烧室壳体加工工艺流程燃烧室壳体加工工艺流程壳体缠绕 Beijing Institute of Technology 燃烧室壳体加工工艺流程燃烧室壳体加工工艺流程缠绕线型分类环向缠绕 纵向缠绕 螺旋缠绕 芯模绕自轴匀速转动，导丝头在筒身区间作平行于轴线方向运动。芯模自转一周，导丝头近似移动一个纱片宽度的缠绕。(只能缠绕直筒段)环向缠绕缠绕角通常为85-90封头 纱带筒身Beijing Institut

54、e of Technology 燃烧室壳体加工工艺流程燃烧室壳体加工工艺流程缠绕线型分类纱片螺距WDctg bWsin = Dctgsin Dcos环向缠绕参数关系图环向缠绕参数关系图DDbWDWBeijing Institute of Technology 燃烧室壳体加工工艺流程燃烧室壳体加工工艺流程缠绕线型分类芯模绕自轴匀速转动，导丝头依特定速度沿芯模轴线方向往复运动。 可以缠绕圆筒段，也可缠绕端头(封头)。纤维缠绕轨迹 由圆筒上的螺旋线和封头上与极孔相切的空间曲线组成。螺旋缠绕Beijing Institute of Technology 燃烧室壳体加工工艺流程燃烧室壳体加工工艺流程缠绕

55、线型分类 导丝头在固定平面内做匀速圆周运动，芯模绕自轴慢速旋转，导丝头转一周，芯模转动微小角度，反映在芯模表面上近似一个纱片宽度。 平面缠绕平面缠绕纱片与芯模轴线间成0 25交角，纤维轨迹是一条单圆平面封闭曲线。Beijing Institute of Technology 燃烧室壳体加工工艺流程燃烧室壳体加工工艺流程缠绕线型分类平面缠绕、缠绕角的正切值： 2121eeclllrrtg纱片与芯模的交角r1、r2两封头极孔半径；lc筒身段长度；le1、le2两封头高度。 平面缠绕参数关系图平面缠绕参数关系图lcle1le22r12r2baDsDlcbBeijing Institute of Te

56、chnology 燃烧室壳体加工工艺流程燃烧室壳体加工工艺流程缠绕线型分类平面缠绕的速比： 单位时间内，芯模旋转周数与导丝头绕芯模旋转的圈数比或绕丝头转一圈时导丝头绕芯模旋转的圈数。cosDbi 纱片宽度缠绕角Beijing Institute of Technology 燃烧室壳体加工工艺流程燃烧室壳体加工工艺流程缠绕线型分类 螺旋缠绕线型（1）一个完整循环的概念 螺旋缠绕时，由导丝头引入的纤维自芯模上某点开始(空间点)，导丝头经过若干次往返运动后，又缠回到原来的起始点上(空间点)。这样在芯模上所完成的一次(不重复)布线称为“标准线”。完成一个标准线缠绕称为一个完整循环。 “标准线”是反映缠

57、绕规律的基本线型。 连续纤维缠绕在芯模表面上的排布型式Beijing Institute of Technology 燃烧室壳体加工工艺流程燃烧室壳体加工工艺流程缠绕线型分类a、切点位置“时序相邻”和“位置相邻”的概念 在极孔圆周上按时间顺序相继出现的两个切点称为时序相邻的两切点。时序相邻的切点的位置只能有两种情况： 1) 两切点紧密排布，中间不能再加入其他切点，称为两切点“位置相邻”。2) 两切点之间还可以加入其他切点，称两切点位置不相邻。 （2）一个完整循环的切点数及分布规律b、单切点与多切点的概念 完成一个完整循环缠绕，极孔圆周上只有一个切点的情况。 单切点 完成一个完整循环缠绕，极孔圆

58、周上有多个切点的情况。多切点Beijing Institute of Technology 燃烧室壳体加工工艺流程燃烧室壳体加工工艺流程缠绕线型分类 1) 时序相邻的两切点位置也相邻。即在出现与初始切点位置相邻的切点以前，极孔上只有一个切点，这种缠绕线形称单切点线型。 2) 在出现与起始切点位置相邻的切点以前，极孔上已经出现了两个或两个以上切点，即时序相邻切点位置不相邻，这种缠绕线形称为多切点线型。 完成一个完整的循环缠绕有两种情况： Beijing Institute of Technology 燃烧室壳体加工工艺流程燃烧室壳体加工工艺流程缠绕线型分类 在极孔上的切点线型排布单切点与双切点排

59、布图单切点与双切点排布图1233124 单切点线型 双切点线型纤维从切点1绕到与它时序相邻的切点2时，芯模转过中心角为360o/2Beijing Institute of Technology 燃烧室壳体加工工艺流程燃烧室壳体加工工艺流程缠绕线型分类c、一个完整循环的n个切点必将等分极孔圆周 由于芯模匀速转动，丝嘴每往返一次的时间又相同。因此，一个完整循环的n点切点必将等分极孔圆周。 （3）纤维在芯模表面均匀布满的条件 a、一个完整循环的诸切点均布在极孔圆周上。b、位置相邻的两切点所对应的纱片在筒身段错开的距离等于一个纱片宽度。Beijing Institute of Technology 燃

60、烧室壳体加工工艺流程燃烧室壳体加工工艺流程缠绕线型分类纤维缠绕芯模转角(即缠绕中心角)与线型的关系 设完成一个n切点的完整循环缠绕，芯模转角为，导丝头每往返一次芯模转角为n，则： n/n 单切点： 1=(1+N)360（N=0，1，2，） 其中是使位置相邻的两切点对应的纱片在筒身段错开一个纱片的距离。123 当从切点1绕到切点2或从切点2绕到切点3时，芯模转过中心角将是360土，或者再加上360 的整数倍。Beijing Institute of Technology 燃烧室壳体加工工艺流程燃烧室壳体加工工艺流程缠绕线型分类纤维缠绕芯模转角(即缠绕中心角)与线型的关系 两切点：一个完整循环导丝