способ изготовления изделий из композиционных материалов

Формула изобретения

Способ изготовления изделий из композиционных материалов, включающий установку каркаса исходного материала на жесткую конусообразную оправку, пропитку каркаса связующим в гидроклаве с эластичной диафрагмой, сушку пропитанного каркаса вне гидроклава и отверждение просушенного каркаса в том же гидроклаве под вакуумом, создаваемым в полости между оправкой и эластичной диафрагмой, отличающийся тем, что при отверждении нагревают каркас до температуры 65-75°С со скоростью не более 10°С в час, выдерживают при этой температуре в течение 3-3,5 ч, нагружают нагретый каркас давлением 20-27 кгс/см², продолжают нагрев до температуры 155-170°С со скоростью не более 15°С в час, выдерживают каркас при этой температуре в течение 7 ч, охлаждают каркас и сбрасывают давление, причем через два часа после начала охлаждения вакуум снимают.

Описание изобретения к патенту

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

Известен способ изготовления изделий из композиционных материалов, включающий установку пропитанного связующим каркаса исходного материала на жесткую конусообразную оправку и отверждение каркаса в гидроклаве под вакуумом, создаваемым в полости между оправкой с каркасом и эластичной диафрагмой (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).

Наличие эластичной диафрагмы позволяет упростить процесс вакуумирования каркаса композиционного материала (КМ) на оправке при отверждении и обеспечить необходимую герметичность и равномерную передачу давления и температуры на каркас материала.

Но применение этого способа связано с необходимостью использования дополнительного оборудования для пропитки связующим каркаса исходного материала, что повышает трудоемкость и стоимость способа.

Известен также способ изготовления изделий из композиционных материалов, включающий установку каркаса исходного материала на жесткую конусообразную оправку, пропитку каркаса связующим в гидроклаве с эластичной диафрагмой, сушку пропитанного каркаса вне гидроклава и отверждение просушенного каркаса в том же гидроклаве под вакуумом, создаваемым в полости между оправкой с каркасом и эластичной диафрагмой (патент РФ № 2201343), являющийся ближайшим аналогом предлагаемого изобретения.

При применении этого способа исключается необходимость дополнительного оборудования для пропитки, так как пропитка связующим каркаса исходного материала и отверждение пропитанного каркаса осуществляются в одном и том же гидроклаве.

Однако практическое применение известного способа показало, что в ряде случаев не удается получить требуемое качество изготовления изделий из КМ в гидроклаве.

Выяснено, что низкое качество изготовления изделий из КМ определяется недостаточной приемлемостью известных операций подготовки к пропитке в гидроклаве каркаса исходного материала, проведения сушки и отверждения пропитанного каркаса, в первую очередь, операций, связанных с воздействием давления и температуры на каркас при отверждении, а также неоптимальными значениями этих параметров.

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

Технической задачей данного изобретения является улучшение качества изготовления изделий из КМ.

Технический результат достигается тем, что в способе изготовления изделий из композиционных материалов, включающем установку каркаса исходного материала на жесткую оправку, пропитку каркаса связующим в гидроклаве с эластичной диафрагмой, сушку пропитанного каркаса вне гидроклава и отверждение просушенного каркаса в том же гидроклаве под вакуумом, создаваемым в полости между оправкой с каркасом и эластичной диафрагмой, при отверждении нагревают каркас до температуры 65-75°C со скоростью не более 10°C в час, выдерживают при этой температуре в течение 3-3,5 часов, нагружают нагретый каркас давлением 20-27 кгс/см², продолжают нагрев до температуры 155-170°C со скоростью не более 15°C в час, выдерживают каркас при этой температуре в течение 7 часов, охлаждают каркас и сбрасывают давление, причем через два часа после начала охлаждения вакуум снимают.

В результате многочисленных опытов, при проведении которых использовались известные операции, вводились новые операции, а также варьировались параметры основных операций: подготовка каркаса исходного материала к пропитке связующим, сушка каркаса после пропитки, и особенно параметры процесса отверждения каркаса (давление, температура, время выдержки и т.д.), разработана совокупность расположенных в строго определенной последовательности операций с оптимальными значениями параметров, позволяющая получить требуемое качество изготовления изделий из КМ в гидроклаве.

При предложенной технологической схеме изготовления изделий из КМ учитываются особенности, связанные с проведением операций пропитки каркаса исходного материала и отверждения его в одном и том же в гидроклаве, требующие изменения как процесса воздействия давления и процесса температурного воздействия на исходный материал при отверждении, так и параметров подготовки каркаса к пропитке и сушки после пропитанного каркаса.

Сущность способа поясняется рисунками.

На фиг.1 показан корпус гидроклава с заполненной связующим эластичной диафрагмой и размещенной в ней оправкой с пакетом исходного материала.

На фиг.2 показан гидроклав, заполненный рабочей жидкостью, и размещенная в эластичной диафрагме оправка с пакетом пропитываемого связующим материала.

Изготовление изделий предлагаемым способом осуществляется следующим образом.

Заранее раскроенный каркас 1 исходного материала, изготовленный методом прошивки угольной ткани, типа УРАЛ-ТМ-4-22, прокаливают в тепловой печи при температуре 150-170°C в течение 2-2,5 часов.

Устанавливают прокаленный каркас 1 на жесткую конусообразную оправку 2 и закрепляют.

В гидроклав 3 вкладывают эластичную диафрагму 4 и при помощи вакуумного насоса создают вакуум в полости между корпусом 5 гидроклава 3 и эластичной диафрагмой 4, эластичная диафрагма 4 растягивается и прилегает к внутренней поверхности корпуса 5 гидроклава 3, после чего заливают связующее 6, на основе смолы СФ-010, в полость эластичной диафрагмы 4.

Устанавливают оправку 2 с каркасом 1 исходного материала основанием вверх в гидроклав 3, при этом связующее 6 смачивает наружную поверхность каркаса 1 исходного материала.

Герметизируют заполненную связующим 6 полость между оправкой 2 с каркасом 1 исходного материала и внутренней поверхностью эластичной диафрагмы 4, после чего герметизируют гидроклав 3, герметично устанавливая крышку 7 и скрепляя ее бандажом 8 с фланцем гидроклава 3.

Затем снимают вакуум между корпусом 5 гидроклава 3 и эластичной диафрагмой, выключая вакуумный насос.

Закачивают при помощи насоса в корпус 5 гидроклава 3 через штуцер, расположенный в его нижней части, рабочую жидкость 9 (глицерин) и производят пропитку каркаса связующим под воздействием давления рабочей жидкости 9, передаваемым каркасу 1 через эластичную диафрагму 4.

После завершения процесса пропитки откачивают рабочую жидкость из гидроклава и при помощи вакуумного насоса создают вакуум в полости между корпусом 5 гидроклава 3 и эластичной диафрагмой 4, эластичная диафрагма 4 растягивается и прилегает к внутренней поверхности корпуса 5 гидроклава 3.

После чего разбирают гидроклав 3 и извлекают оправку 2 с каркасом 1 пропитанного связующим 6 материала из гидроклава 3.

Затем проводят сушку пропитанного связующим каркаса 1 материала на оправке 2 основанием вниз.

При этом сушку пропитанного каркаса 1 проводят либо в камере с обогревом вентилятором в течение 72 часов, либо при комнатной температуре в течение 14 суток.

Готовят гидроклав 3 к отверждению пропитанного и просушенного каркаса 1, при этом в гидроклаве 3 с вложенной эластичной диафрагмой 4 при помощи вакуумного насоса создают вакуум в полости между корпусом 5 и эластичной диафрагмой 4, эластичная диафрагма 4 растягивается и прилегает к внутренней поверхности корпуса 5 гидроклава 3.

Устанавливают оправку 2 с каркасом 1 пропитанного и просушенного основанием вверх в гидроклав 3 и герметизируют гидроклав 3, герметично устанавливая крышку 7 гидроклава 3.

Затем снимают вакуум между корпусом 5 гидроклава 3 и эластичной диафрагмой 4 и создают вакуум не менее 0,6 кгс/см ² в полости между оправкой 2 с каркасом 1 и эластичной диафрагмой 4.

Производят отверждение каркаса 1 пропитанного связующим и просушенного материала, при этом нагревают каркас до температуры 65-75°C со скоростью не более 10°C в час и выдерживают каркас при этой температуре в течение 3-3,5 часов.

Нагружают нагретый каркас давлением 20-27 кгс/см², продолжают нагрев каркаса со скоростью не более 15°C в час до температуры 155-170°C и выдерживают каркас при этой температуре в течение 7 часов.

Охлаждают каркас до температуры 60°C, сбрасывают давление и продолжают охлаждение, причем через два часа после начала охлаждения вакуум в полости между оправкой 2 с каркасом 1 и эластичной диафрагмой 4 снимают.

После чего разбирают гидроклав 3 и извлекают оправку 2 с каркасом 1 отвержденного материала из гидроклава 3.

Затем производят механическую обработку полученной заготовки 1 композиционного материала на размер.

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

Применение изобретения для изготовления крупногабаритных вкладышей сопловых блоков РДТТ подтвердило высокое качество изготовления деталей из композиционных материалов при обеспечении требуемой технологичности.