способ изготовления изделий из композиционных материалов

Формула изобретения

Способ изготовления изделий из композиционных материалов, включающий нанесение пропитанного связующим исходного материала на формообразующую оправку, размещение оправки в гидроклаве с эластичной диафрагмой, отверждение пакета материала под воздействием давления и температуры, выдержку при температуре 150-165°С и последующее охлаждение пакета, отличающийся тем, что после выдержки сначала принудительно охлаждают пакет исходного материала со стороны эластичной диафрагмы до температуры 140-145°С, затем начинают принудительное охлаждение со стороны оправки и продолжают двустороннее охлаждение пакета до температуры 50-60°С, после чего сбрасывают давление, прекращают принудительное охлаждение пакета и продолжают его охлаждение естественным путем до комнатной температуры.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии изготовления изделий из композиционных материалов (КМ), а именно оболочек для силовых конструкций, преимущественно деталей сопловых блоков ракетных двигателей на твердом топливе (РДТТ).

Повышенные требования к эрозионной стойкости и прочности материала деталей газового тракта сопловых блоков РДТТ обусловили необходимость изготовления таких изделий из КМ в гидроклаве под воздействием высоких давления и температуры.

Известен способ изготовления изделий из композиционных материалов, включающий нанесение пропитанного связующим исходного материала на формообразующую оправку, размещение оправки в гидроклаве с эластичной диафрагмой и отверждение пакета материала под воздействием давления и температуры (см. И.М.Буланов, В.В.Воробей. Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов. - М.: Издательство МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1998 г. - стр.128, 146-148) - прототип.

При отверждении производят выдержку при температуре 150-165°C с последующим охлаждением пакета материала за счет работы водяного теплообменника, расположенного внутри гидроклава.

Отверждение пакета пропитанного связующим исходного материала в гидроклаве с эластичной диафрагмой является одним из самых совершенных технологических процессов изготовления изделий из КМ.

Однако применение известного способа, в котором процесс охлаждения пакета материала после отверждения не регламентируется, показало, что структура КМ неоднородная, имеются участки с недопустимо высокой пористостью материала, в ряде случаев в материале заготовки отмечено наличие искривлений слоев, что приводит к снижению качества изделий из композиционных материалов.

Выяснено, что качество изделий из КМ во многом определяется условиями охлаждения после выдержки при отверждении исходного материала.

Установлено, что недостаточно высокое качество изготовления изделий из КМ известным способом определяется, в том числе, и тем, что при не регламентируемом охлаждении после отверждения не удается наиболее полно удалить летучие побочные продукты реакции и уменьшить пористость материала.

Низкое качество изделий из КМ недопустимо для деталей газового тракта сопловых блоков РДТТ, работающих в особо теплонапряженных условиях.

Технической задачей данного изобретения является повышение качества изготовления изделий из композиционных материалов.

Технический результат достигается тем, что в способе изготовления изделий из композиционных материалов, включающем нанесение пропитанного связующим исходного материала на формообразующую оправку, размещение оправки в гидроклаве с эластичной диафрагмой, отверждение пакета материала под воздействием давления и температуры, выдержку при температуре 150-165°С и последующее охлаждение пакета, после выдержки сначала принудительно охлаждают пакет исходного материала со стороны эластичной диафрагмы до температуры 140-145°С, затем начинают принудительное охлаждение со стороны оправки и продолжают двустороннее охлаждение пакета до температуры 50-60°С, после чего сбрасывают давление, прекращают принудительное охлаждение пакета и продолжают его охлаждение естественным путем до комнатной температуры.

В результате многочисленных опытов, при проведении которых менялись порядок и условия охлаждения, а так же варьировались значения температуры принудительного охлаждения, разработана совокупность расположенных в строго определенной последовательности операций с оптимальными значениями параметров, позволяющих получить требуемое качество изготовления изделий из КМ в гидроклаве.

Разработанная последовательность операций позволяет обеспечить в процессе охлаждения наиболее равномерное снижение температурных напряжений в слоях исходного материала, нагретых при отверждении, что повышает качество изготовления изделий из композиционных материалов.

На чертеже представлен поперечный разрез устройства (гидроклава) для осуществления способа.

Предлагаемый способ изготовления изделий из КМ может быть реализован в любых конструкциях гидроклава с эластичной диафрагмой, в которых, кроме охлаждения пакета КМ со стороны эластичной диафрагмы, можно осуществить автономное охлаждение пакета КМ со стороны оправки, например, подачей охлаждающей жидкости внутрь полой оправки.

Способ изготовления изделий из композиционных материалов заключается в следующем.

На стальную полую формообразующую оправку 1 наносят пропитанные связующим слои исходного материала 2.

Помещают формообразующую оправку 1 с пакетом нанесенного материала 2 в стальной корпус 3, снабженный эластичной диафрагмой 4, выполненной в виде резиновой оболочки вращения, охватывающей формообразующую оправку 1, и водяным теплообменником 5, выполненным в виде охватывающего эластичную диафрагму 4 спирального змеевика.

Устанавливают на корпус 3 крышку 6 с металлическим фланцем 7, конструктивно выполненным таким образом, что он перекрывает по ширине основание 8 формообразующей оправки 1, обеспечивая плотный контакт соприкасающихся поверхностей.

Скрепляют фланец 7 крышки 6 с корпусом 3.

Закачивают в корпус 3 под давлением Р рабочую жидкость (глицерин) и включают электронагреватели (не показаны), установленные на наружной поверхности корпуса 3 и на наружной поверхности фланца 7 крышки 6.

При нагреве стенок корпуса 3 нагревается рабочая жидкость и температура передается через эластичную диафрагму 4 наружным слоям пакета композиционного материала 2.

При нагреве фланца 7 нагревается контактирующая с ним кольцевым основанием 8 формообразующая оправка 1 и температура передается внутренним слоям пакета композиционного материала 2.

После достижения температуры отверждения (150-165°С) пакет композиционного материала 2 выдерживают при этой температуре в течение требуемого времени (6-8 часов).

По окончании выдержки сначала принудительно охлаждают пакет исходного материала 2 со стороны эластичной диафрагмы 4 до температуры 140-145°С, для чего непрерывно подают холодную жидкость (воду) в водяной теплообменник 5 и отводят из него нагретую жидкость через патрубки для подачи и отвода охлаждающей жидкости (не показаны).

Затем начинают принудительное охлаждение пакета исходного материала 2 и со стороны формообразующей оправки 1 (охлаждая фланец 7 и контактирующую с ним кольцевым основанием 8 формообразующую оправку 1), для чего непрерывно подают холодную жидкость (воду) в кольцевой трубопровод 9 и отводят из него нагретую жидкость через штуцеры для подачи и отвода охлаждающей жидкости (не показаны).

Трубопровод 9, предназначенный для охлаждения фланца 7, расположен в прикрытой сверху кожухом полости, образованной установленной на периферийной части фланца 7 кольцевой обечайкой и боковой наружной поверхностью выпуклой центральной частью крышки 6.

При двустороннем охлаждении пакета 2 продолжают непрерывно подводить холодную жидкость и отводить нагретую при теплообмене через соответствующие патрубки и штуцера.

Двустороннее охлаждение пакета 2 продолжают до температуры 50-60°С, после чего сбрасывают давление до атмосферного, прекращают принудительное охлаждение пакета (прекращают подачу охлаждающей жидкости в водяной теплообменник 5 и трубопровод 9) и продолжают его охлаждение естественным путем до комнатной температуры.

После охлаждения разбирают гидроклав, извлекают оправку с КМ и производят механическую обработку полученной заготовки на размер.

Результаты препарации опытных образцов, изготовленных предлагаемым способом, показали наличие однородной структуры материала готовой детали.

Использование предлагаемого способа изготовления изделий из композиционных материалов обеспечивает по сравнению с существующими способами повышение качества изготовления изделий за счет улучшения структуры материала, что подтверждено практическим применением.