复合材料制造（共12篇）
复合材料制造 篇1
摘要：通过分析和探讨复合材料制造的传统工艺, 以期促进现代复合材料的创新与生产, 为现代复合材料的制造工艺提供借鉴, 促进工艺的发展。
关键词：复合材料制造,传统工艺,研究
1 复合材料的含义与种类
1.1 复合材料的内涵
从现代社会的角度来看, 复合材料是指由两种或者两种以上的不同性质、不同功能的材料, 通过现代科技与方法, 如:利用生物方法、化学方法、物理方法, 通过对所用材料宏观和微观上的有机组合与调整所形成的具有全新性质与功能的新材料。通过现代科技方法的有机融合, 复合材料中的不同性质和功能的材料, 能够同时发挥其独特的功能与作用。各种材料在性能上的取长补短, 可以产生很大的协同效应, 能够使复合材料的综合性能得到最大的发挥, 达到一加一大于二的效果, 从而满足人们的生产建设需要。当今社会的复合材料主要分为两种, 一种是以金属为基体的复合材料, 另一种是以非金属为基体的复合材料。以金属为基体的复合材料主要是合金类, 如:铝合金、镁合金、铜合金以及其他种类的合金。以非金属为基体的复合材料主要有增强材料以及非金属基体材料, 增强材料主要有:硬质颗粒、碳纤维、玻璃纤维等;非金属基体材料主要有:碳、橡胶、石墨材料等。这些材料都有着良好的使用性能、抗压性能、抗腐蚀性能, 这些性能使得复合材料能够适用于多方面的生产建设需要。
1.2 复合材料的种类
复合材料按照基体和功能大致可以分为以下几类复合材料类型:金属基复合材料、无机非金属复合材料、树脂基复合材料等。当前形成体系较为完整的是树脂基复合材料。当今常用的复合材料常用的种类主要有以下几种:基础复合材料、纤维增强性塑料复合材料、纤维增强性热塑性塑料、增强性反应注射性模塑、树脂材料等。不同种类的材料有着不同的用途, 金属基复合材料、无机非金属复合材料常常被用在建筑领域和高科技领域, 如:航空、航天等。树脂基复合材料常常被应用在交通运输行业, 如:汽车轮胎橡胶、汽车门密闭橡胶等。
2 复合材料制造的传统工艺研究
2.1 历史上的复合材料
复合材料的历史十分悠久, 可以追溯到古代, 随着经济社会的不断发展, 需要使用复合材料的范围日益扩大。在上世纪40年代, 随着航空航天工业的不断发展, 玻璃纤维复合材料因其高强度的性能被广泛应用。后来随着经济、社会、科技的发展, 越来越多的复合材料被广泛应用, 如:石墨纤维、铝合金、镁合金、钛合金、陶瓷复合材料、橡胶复合材料、石墨复合材料等。这些材料的广泛使用, 为经济社会的发展做出了巨大贡献。对于一个国家来说, 复合材料的发展速度、研究深度、发展规模已经成为一个国家科学技术水平十分重要的标准。
2.2 复合材料的传统制造工艺的发展
复合材料的发展, 从古时候的黏土发展到钢筋混凝土再到合金和纤维, 复合材料的制造工艺不断发展。复合材料逐渐形成了质量轻、强度高、可塑性好、工艺性能好、抗疲劳抗磨损性能好、耐腐蚀性好的特点。复合材料的传统制造工艺的发展历程主要有以下几个时间节点:1958年的手糊复合材料传统制造工艺, 1962年的以喷射成型技术和蜂窝成型技术, 1975年的玻璃钢纤维和复合材料工艺, 1980年综合复合材料制造工艺。复合材料的制造工艺主要有:力学设计, 通过力学设计给复合材料一定的硬度和强度, 以满足建设和科技的需要。功能设计, 通过对不同制品的性质和功能探究和发挥, 来整合复合材料的多种功能。总体来说, 传统的复合材料制作工艺主要有以下几种:手糊成型、夹层结构成型、缠绕成型、注射成型、喷射成型、压力袋成型、卷制成型等。复合材料的传统制造工艺的发展, 推动了复合材料的发展。
3 传统工艺的借鉴意义
复合材料的传统制造工艺对于现代复合材料的制造工艺有着很大的借鉴意义。最为传统的制造工艺主要有:缠绕、拉挤和手糊。这些传统的制造工艺在传统的复合材料制造中曾经发挥过重要的作用, 这些传统的制造工艺对于现代多种复合材料的制造和创新有着重要的意义, 有的技术在现代社会中仍然有着重要的用途。上世纪60年代, 在航天领域等高科技领域, 高性能的纤维的应用日益广泛起来。所谓取其精华弃其糟粕, 在进行现代复合材料的制造过程中, 要对传统制造工艺进行认真仔细的研究, 同时按照工程建设或者生产设计的需要, 对传统的工艺进行改进和创新。如对传统的缠绕、拉挤和手糊等制造工艺, 应当对其工艺中的具体制造步骤和采用的化学、物理以及生物的技术进行具体的探究, 探究其在复合材料中的具体应用, 注重对各种材料复合的可行性分析, 对各种不同性质不同功能的材料进行功能性和实用性的探究, 最终决定新的复合材料的制造工艺和流程, 以达到最终的制作和创新目的, 促进现代复合材料产业的发展。
4 结语
复合材料的传统制造工艺, 在现代复合材料的设计和制造的过程中有着重要的意义, 现代的复合材料生产企业应当从传统的制造工艺中吸取灵感, 从整个复合材料的发展过程中寻求复合材料的发展方向, 为高科技生产、设计、建设提供重要的建设材料, 发挥复合材料的优势和功能, 为科技的发展做出贡献。同时, 也为中国复合材料的制造和创新做出应有的贡献。
参考文献
[1]高艳秋, 赵龙, 刘强, 等.面向航空结构的高性能VARI复合材料技术[J].航空制造技术, 2013, (15) :64-65.
[2]何亚飞, 矫维成, 杨帆, 等.树脂基复合材料成型工艺的发展[J].纤维复合材料, 2011, (06) :90-92.
复合材料制造 篇2
复合材料机翼油箱盖板的制造和质量控制
介绍了采用开模膨胀橡胶法制造带加强筋的复合材料机翼整体油箱油箱盖板的一次共固化的工艺方法.针对初期制造的油箱盖板存在的比较严重的质量问题,包括翘曲、筋条尺寸超差、大面积分层及空隙密集等,提出了相应的`设计修改、工艺改进和质量控制措施,最终制造出合格的制件.通过了功能试验和飞行考核.
作 者：叶宏军 翟全胜 程旭 Ye Hongjun Zhai Quansheng Cheng Xu 作者单位：叶宏军,翟全胜,Ye Hongjun,Zhai Quansheng(北京航空材料研究院)程旭,Cheng Xu(空军某部军事代表室)
刊 名：航空制造技术 ISTIC英文刊名：AERONAUTICAL MANUFACTURING TECHNOLOGY 年，卷(期)： “”(1) 分类号：V2 关键词：复合材料工艺 共固化 质量控制铜基电接触材料制造工艺 篇3
关键词：铜合金电接触材料；粉末冶金法；双层产品
中图分类号：TG156 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）26-0063-02
CuWWC复合材料是由Cu、W、WC所组成的三相均匀分布的既不互溶又不形成化合物的一类复合材料，兼有Cu的高导电、导热率、塑形及易加工性和W的高熔点、高比重、抗电蚀性、抗熔焊性、高的高温强度以及WC的高熔点、高硬度性能，在真空接触器上得到了广泛的应用。
1 CuWWC/Cu制造工艺
1.1 合金粉末制备过程
将W粉与WC粉以1∶1的比例进行V型混粉机混粉，然后在真空烧结炉中进行烧结，后进行破碎过筛，将其与配料中剩余的W粉、Cu粉以一定比例进行混合，在钼棒炉中进行粉料烧结、破碎、过筛。以上述方法制备CuWWC的
粉末。
1.2 试验工艺流程
CuWWC合金粉制备→初压压制→溶渗烧结→外观加
工→清洗。
1.3 溶渗烧结工艺
叠层溶渗，就是用熔点比骨架熔点低的金属或合金置于金属粉末压制后预烧结或未烧结的多孔体骨架上面或者下面进行的溶渗。
采用一般叠层溶渗烧结方式的产品，其溶渗烧结方式为溶渗Cu片放置在基体CuWWC上面，在烧结炉内一定气氛与温度、时间下，溶渗Cu熔化进入基体CuWWC骨架结构里面，其中一部分Cu片熔化填满基体骨架，另外一部分溶渗Cu片留在基体上面形成Cu层，即烧结结束之后，在垂直方向上Cu层与基体CuWWC为上下结构。通常采用这种方式烧结的产品，其Cu层以“鼓包”的形式堆积在基体上面，难以做到Cu层平整以及Cu层在0.6mm左右。而且Cu层以“鼓包”形式存在的电接触材料CuWWC/Cu在加工Cu层时难度也比较大。对烧结环境的要求也比较高，如果烧结炉真空度不足的话，极易使Cu层里面存有气孔。为了改善上述制作方法，采用垂直溶渗烧结，即溶渗Cu片放置在基体CuWWC上面，但是基体的放置位置发生变化，与一般叠层熔渗烧结相比较，基体CuWWC的放置旋转90°，在烧结炉一定气氛、温度与时间下，溶渗Cu一部分熔化进入基体骨架里面，一部分在基体的侧面由液体成为固体凝固下来形成Cu层，即烧结结束后，在垂直方向上，Cu层与基体CuWWC为左右结构。采用这种方法制作CuWWC/Cu双层产品Φ22×3.2，Cu层要求厚度在0.6mm左右，平整，Cu层里面没有气孔。
1.4 溶渗烧结试验
1.4.1 烧结时烧舟的设计。由于Cu层在基体CuWWC压坯的侧面形成，所以需要对烧舟进行特殊设计。在垂直方向上，烧舟一侧根据Cu层厚度的要求设计Cu层最后形成所需要的空间，另外一侧根据基体CuWWC骨架的尺寸设计压坯所需要的空间，同时在Cu层与基体CuWWC骨架所在烧舟空间的上方设计溶渗Cu的放置位置以及便于溶渗Cu熔化流入基体CuWWC骨架与Cu层空间的导槽。这里对溶渗Cu熔化经过的导槽设计要求比较严格，如果导槽设计不合理，会影响溶渗Cu在熔化时溶渗进入骨架与形成Cu层，导致Cu层短缺或者是Cu层不平整以及出现孔洞。
1.4.2 烧结温度与时间。由于Cu的熔点是1083℃，所以选择比Cu的熔点稍高的温度进行溶渗烧结。
表1 CuWWC/Cu溶渗烧结温度与时间的影响
溶渗烧结温度（℃）溶渗时间（min）气氛结果
110012氢气不良
110018氢气良好
115012氢气不良
115018氢气不良
120012氢气不良
120018氢气不良
采用1100℃，12min烧结参数制作的产品，由于烧结时间比较短，部分产品溶渗Cu没有很好地熔化进行溶渗导槽，造成Cu层位置Cu短缺（图1）。
采用1100℃，18min烧结参数制作的产品，结果良好，既形成符合要求的Cu层（0.6mm左右），同时Cu层里面没有发现肉眼可见的孔洞（Cu层车削0.2～0.3mm）（图2）。
图1 Cu层Cu短缺 图2 产品里面没有气孔
采用1150℃，12min烧结参数制作的产品由于烧结时间比较短，部分产品溶渗Cu没有很好地熔化进行溶渗导槽，造成Cu层位置Cu短缺。
采用1150℃，18min烧结参数制作的产品，结果良好，既形成符合要求的Cu层（0.6mm左右），同时Cu层里面没有发现肉眼可见的孔洞，但是部分产品在烧结结束之后容易被氧化。
采用1200℃，12min烧结参数制作的产品，结果良好，既形成符合要求的Cu层（0.6mm左右），同时Cu层里面没有发现肉眼可见的孔洞，但是全部产品在烧结结束之后被氧化。
采用1200℃，18min烧结参数制作的产品，结果良好，既形成符合要求的Cu层（0.6mm左右），同时Cu层里面没有发现肉眼可见的孔洞，但是全部产品在烧结结束之后被氧化。
所以，根据以上实验结果，烧结工艺参数1100℃，18min，氢气气氛为最佳产品制造参数。
1.4.3 溶渗Cu量的影响。由于采用垂直烧结方式进行制作，在溶渗烧结过程中，溶渗Cu的量对产品制作结果也有着影响。计算了3个Φ22×3.2的溶渗Cu的重量，对比3组Cu量对产品烧结结果的影响。
方式1计算方法=溶渗到骨架结构的溶渗Cu量+Cu层0.6mm需要的溶渗Cu量。
方式2计算方法=溶渗到骨架结构的溶渗Cu量+Cu层0.6mm需要的溶渗Cu量+溶渗Cu导槽Cu量。
方式3计算方法=溶渗到骨架结构的溶渗Cu量+Cu层0.6mm需要的溶渗Cu量+（溶渗Cu导槽Cu量）×2。
表2 不同溶渗Cu量对产品结果的影响
溶渗Cu量计算方式溶渗Cu量（g）结果
方式16.5不良
方式28.5良品
方式310.5良品
采用6.5g溶渗Cu量制作的产品，部分产品出现溶渗Cu留在导槽处，导致Cu层短缺，一部分产品虽然Cu层平整，但是Cu层有气孔，不良。
采用8.5g溶渗Cu量制作的产品，Cu层平整（图3、图4），而且没有气孔，效果良好，Cu层达到0.6mm左右（图5），50X金相显微结构检测，Cu层厚度为0.677mm。在溶渗过程中，气体随着溶渗Cu向下流动时向上移动到导槽处的Cu位置，从而避免了Cu层气孔的产生。加工成品时需要将导槽处形成的Cu去掉即可。
图3 Cu层面平整 图4 CuWWC/Cu工作面
采用10.5g溶渗Cu量制作的产品，Cu层平整，而且没有气孔，Cu层厚度0.6mm左右，但是导槽处Cu量比较多：一是材料的使用量过多、成本高，二是给成品的加工带来复杂度。
通过以上实验，最终将溶渗Cu量设定在方式2的计算方法上。
图5 CuWWC/Cu产品Cu层厚度测量50X
2 结语
通过上述实验，制作CuWWC/Cu双层产品，Cu层在0.6mm左右，且Cu层没有气孔，主要从以下三点可以实现产品的制作：（1）溶渗烧舟设计；（2）溶渗温度、时间、气氛；（3）溶渗量计算。
采用这种方法制作的产品已经实现了生产化，应用商开始了使用。
参考文献
[1]陈文革.热处理对CuW电工合金组织与性能的影响
[J].电工材料，2002，（2）.
[2]陈文革，胡可文，罗启文.WC/Cu大电流滑动电接触材料的研究[J].高压电器，2008，（1）.
[3]铜钨及银钨电触头（GB/T8320-2003）[S].
作者简介：吴婷（1984—），女，山西人，供职于上海电科电工材料有限公司，研究方向：银基与铜基电接触
复合材料制造 篇4
与传统金属材料相比,复合材料具有密度低、比强度和比模量高、可设计性强、抗疲劳性能好、耐腐蚀性能好和结构尺寸稳定性好等优点,在航空领域获得了广泛的应用。从20世纪70年代开始,复合材料就首先在军用飞机上少量使用,到了80年代已在民用飞机上进行了试用。应用基本是从非承力结构到次承力结构最后到主承力结构,从部位来说是从尾翼到机翼最后到机身。随着技术的不断成熟,复合材料在飞机上的用量越来越多,减重效果也越来越明显。截至2008年,波音B787飞机上复合材料的用量已突破性地达到了50%,其后空客公司制造的A350飞机上复合材料的用量将达到52%, 这些都充分表明复合材料在航空上的应用与发展已达到一个飞速发展的阶段[1]。
长期以来,限制复合材料在飞机上扩大应用的原因主要有2个:一是技术成熟度没有金属高;二是复合材料成本太高,复合材料构件的成本远远高于铝合金构件。要想扩大复合材料在航空上的应用,就必须降低复合材料的成本。欧洲、美国、日本和澳大利亚等从1986年开始先后启动了TANGO(Technology application to the near-term business goals and objectives of the aerospace industry)、ALCAS(Advanced and low cost airframe structure)、ACT(Advanced composite technology)和CAI(Composite affordable initiative)等计划,开展了降低复合材料成本的织物预成型技术、液体成型技术(RTM、RFI)、自动铺带技术、自动铺丝技术、电子束固化等低成本制造技术的研究。通过验证,实现了复合材料在主承力结构上高质量、低成本应用,使复合材料用量达到飞机结构质量的20%~30%,减重20%~30%,降低成本10%~20%[2]。
本文旨在通过介绍国内外复合材料低成本制造技术的发展现状,如自动铺带技术、自动铺丝技术、低温固化预浸料技术、电子束固化技术、液体成型技术结合纤维编织及缝编技术和树脂膜渗透成型技术(RFI)的原理及工艺过程,并列举空客公司最新飞机A380使用RFI工艺制造后压力舱隔板的工艺过程,进一步促进复合材料在我国航空及相关领域的应用。
1 自动铺放技术
自动铺放技术是近30年来快速发展和广泛应用的自动化制造技术,包括自动铺带技术和自动铺丝技术。这两项技术的共同优点是采用预浸料,并可实现自动化和数字化制造,高效高速。自动铺放技术特别适用于大型复合材料结构件制造,在各类飞行器尤其是大型飞机的结构制造中所占的比例越来越大[3]。其中自动铺带技术主要用于大尺寸、中小曲率的部件,如机翼、壁板构件等的制造;而自动铺丝技术主要用于大曲率部件,如机身等的制造[4]。
1.1 自动铺带技术(Automatic tape laying)
自动铺带的基本过程为:先将带有隔离纸的单向预浸带在铺带头中切割成要求的尺寸,然后将其在压辊的作用下铺贴到模具表面,最后自动去除隔离纸。铺贴过程中为保证预浸料的粘性,必要时还可以对预浸带进行加热。该技术的关键是自动铺带机。国外从20世纪70年代中期开始研究自动铺带机,1983年第一台自动铺带机投入商业使用,F16战斗机80%的蒙皮由其铺贴。但早期设备只能铺放单曲面形体,预浸带带宽仅为75mm,可切割角度变化范围小。随着需求的不断增加, 开发出了第二代铺带机(带宽300mm,可铺贴大平面制件)和第三代铺带机(可以铺贴复杂双曲面)。目前国外自动铺带机的主要制造商有美国的Cincinnati、 法国的Forest-Line和西班牙的M Torris公司等。最新的10轴铺带机一般带有双超声切割刀和缝隙光学探测器,铺带宽度最大可达到300mm,生产效率达到1000kg/周,是手工铺贴的数十倍。
目前国外几乎所有的大型复合材料壁板结构都采用自动铺带技术铺贴。图1为自动铺带机工作过程及其铺贴的典型零件的照片[2,4,5,6,7,8]。
我国自动铺带技术的发展也比较迅速。2004年起南京航空航天大学与中国一航材料院联合开发自动铺带技术,完成了小型铺带机试制、专用预浸带技术研究和基于AutoCAD的初级CAD/ACM软件开发,并着手研制中型自动铺带工程样机,为研制具有自主知识产权的自动铺带技术奠定了基础。“十一五”期间,中国一航制造所、成都飞机工业公司和南京航空航天大学合作开展了6m×20m大型工业自动铺带机研制工作,通过引进铺带头关键技术,将在“十一五”末期研制出大型工业化自动铺带机,用于研制新一代飞机和大型飞机的机翼及壁板类复合材料构件[3]。
1.2 自动铺丝技术(Automatic fiber placement)
自动铺丝是将数根预浸纱用多轴铺放头按照设计要求所定的铺层方向和厚度,在压辊下集为一条预浸带后铺放在芯模表面,加热软化预浸纱并压实定型,整个过程由计算机测控、协调完成。该技术是为克服纤维缠绕与自动铺带技术的限制而研发的,其核心技术是多丝束铺放头的设计研制和相应材料体系的开发。1985年Hercules公司研制出第一台自动铺丝原理样机,1990年Cincinnati公司的第一台自动铺丝系统投入使用。国外主要的自动铺丝机制造商有美国的Cincinnati公司等, 目前最成熟的设备总运动轴可达到7个,丝束数目最大可达32根,最大成型构件可达Φ5.5m×16m,型面尺寸及重复定位精度达到±1.3mm。因自动铺丝的高度自动化,落纱铺层方向准确,可实现复合材料构件快捷制造,迅速形成批量生产,生产速度快、产品质量稳定,可靠性高,可真正实现“低成本、高性能”。
自动铺丝技术是目前发展应用最为迅速的复合材料自动化、低成本制造技术之一,最突出的应用是在波音公司最新飞机B787机身的制造上。图2为自动铺丝机铺放过程及其制造的典型部件的照片[2]。
国内自动铺放成型技术研究较晚,南京航空航天大学“九五”期间就开始着手调研,在学校贷款、航空支撑预研、国家科技部863项目资助下,完成了八丝束铺放试验系统、铺丝用精密低张力测控系统、铺丝开放式数控系统的研制和溶剂法专用预浸纱研究;并开发了基于OpenGL的自动铺丝运动模拟设计与仿真软件和基于CATIA的自动铺丝CAD/CAM软件原型,形成了自动铺丝及装备技术储备。目前正在开展自动铺丝工程样机的研究工作,为自动铺丝技术的应用研究奠定了基础[3]。
2 低温固化预浸料技术
低温固化预浸料[4]的固化温度低于100℃,固化后在自由状态下通过高温后处理可达到完全固化进而达到较高的玻璃化温度。经后处理的低温固化预浸料,其力学性能及耐热、耐老化性能与中、高温固化的预浸料相当。采用低温固化技术,可以大大降低对模具材料、辅助材料的要求。制造的复合材料的构件尺寸精度高,固化残余应力低,尤其适用于大型、复杂构件的制备。所用树脂多为环氧树脂,其核心技术主要在于潜伏性固化剂体系,预浸料既要保证足够的反应活性以便能在较低的温度下固化,又要有足够长的室温(超过10天)及低温(-18℃超过6个月)贮存期。目前应用最多的潜伏性固化剂是采用不同方法改性的咪唑类固化剂。从ACG公司1975年研制出第一个低温固化体系LTM10至今,许多公司如Hexcel、Cytec、3M也先后研制出各自的低温固化预浸料。国内北京航空材料研究院在过去的几年里也先后研制出了LT系列低温固化树脂及SY-70低温固化胶膜,其中LT-01及LT-03树脂分别配合T-300及T-700纤维,已用于无人机的研制。低温固化预浸料的发展趋势是实现不用热压罐,在真空压力下低温固化,通过控制树脂的流动性及反应特性,采用适当的预压实及固化工艺,使复合材料固化后的孔隙率与热压罐固化的产品相当。
目前低温固化预浸料更多的是用于复合材料工装及无人机复合材料构件的制造,部分用于复合材料构件的修补。
3 电子束固化
电子束固化是一个利用高能、高聚集度的电子束来固化树脂基材料的过程,电子直线加速器是电子束固化技术的主要设备,用于产生一般介于3~10MeV之间的电子束能量。电子束固化通常由2道工序组成,第一步是铺层、压实,第二步是采用电子束辐照固化,辐照工序要求电子束穿透整个工件厚度以及任何真空袋或模具材料。
电子束固化在室温下进行,消除了由于热应力而产生的部件翘曲和变形,能更好地控制外形,而且由于室温和真空袋的运用带来了低的加工成本;电子束固化时间很短,常为秒级至分级,降低了能耗;而且固化后制品的孔隙率、吸水率和收缩率都低,这是其显著的优点。另外,电子束固化与纤维自动铺放技术相结合,能成型大型整体部件,明显减少部件、紧固件和模具的数量,是复合材料结构减重的重要措施,也是降低成本的一种有效方法[5]。但电子束固化技术目前还很少在航空上应用。
4 液体成型技术
液体成型技术[4]是过去20年里复合材料低成本制造技术发展最重要的一个方向。该技术不需要用昂贵且使用、维护费用均较高的热压罐,可以高精度、稳定地成型复杂构件,表面质量、尺寸精度、重复性均优于热压罐成型的构件,适于制造较大批量的复合材料构件。该技术的核心是树脂注入工艺及纤维预成型体的制造技术。初期发展的工艺是树脂转移模塑工艺(RTM),其基本原理是将预成型体放置在设计好的模具中,闭合模具后,通过正压将所需的树脂注入模具,当树脂充分浸润增强体后,加热并保持正压固化,固化完后脱模获得产品。随着不同应用的需求,后期又发展出多种树脂注入的工艺,较为成熟的主要有VARTM(真空辅助吸入树脂的RTM工艺)、VARI(单面模具、真空辅助吸入、真空压力固化)、SCRIMP(加入高渗透率介质促进树脂流动,其他同VARI)及RFI(树脂膜渗透成型)。航空上可用的RTM树脂主要为环氧及双马来酰亚胺类。环氧类具有代表性的是3M公司的PR-500、Hexcel公司的RTM 6、Cytec公司的977-20等;双马类具有代表性的是Shell公司的Compimide。RTM类工艺对树脂的要求是在注入温度下有较低的粘度,有足够长的工作时间,同时为提高复合材料性能还要求树脂有一定的韧性。而按传统的增韧方法,树脂韧性与粘度是两个矛盾的、很难同时满足的因素,所以Cytec公司通过将增韧的热塑性树脂纺丝并编入织物中的方法来解决这个矛盾[6],树脂中因没有增韧材料而降低了粘度;而北京航空材料研究院则通过离位增韧的方法也取得了类似的效果[7]。
在纤维预成型体方面,要求选择适宜的近净预成型体,发展到目前主要有2D织物、3D织物、2D编织物、3D编织物和缝编织物。不同的编织方法对纤维的性能有不同程度的损伤,编织的密实程度影响着树脂的流动,不同的预成型体对最终产品的纤维体积含量有较大的影响。为了减少工艺试验费用,提高制件的合格率,许多研究者还进行了大量的计算机模拟研究,通过在不同温度、压力、结构条件下测试、模拟树脂在纤维编织体中的流动,预测树脂在具体零件中的流动状态,设计出最佳的流道,以得到缺陷最少的制件。
RTM及其他液体成型技术是除热压罐技术外发展最快、最有前途的低成本制造技术,目前在航空上的应用包括口盖、舱门、主梁、雷达罩等。RTM应用最多的例子是F-22飞机。F22上占非蒙皮复合材料结构质量约45%的约360件承载结构是用RTM技术制造的,采用RTM技术使得F-22上复合材料结构制品的公差控制在0.5%以内,废品率控制在5%以内,比原设计节约成本2.5亿美元。图3为用RTM工艺制造Airbus A330系列飞机的扰流板接头的工艺过程。
5 RFI技术
RFI即树脂膜渗透成型技术,其实也是液体成型技术的一种,与其他液体成型工艺的区别是树脂预先制成膜状铺放在纤维预成型体下方,加热时树脂流动是厚度方向的流动,大大缩短了流程,使纤维更容易被树脂浸润。相对于RTM工艺, RFI工艺能制造出纤维含量高(70%)、孔隙率极低(0%~2%)、力学性能优异、制品重现性好、壁厚可随意调节的大型复合材料制件和复杂形状的制件,并可根据性能要求进行结构设计。RFI工艺采用真空袋压成型方法,免去了RTM工艺所需的树脂计量注射设备及双面模具加工无需制备预浸料,挥发物少,成型压力低,生产周期短,劳动强度低,满足环保要求和低成本高性能复合材料的要求[9,10,11]。RFI工艺是除RTM工艺外又一项可在航空上推广应用的低成本制造技术。目前航空RFI工艺中所用的基体树脂主要是环氧树脂和双马来酰亚胺树脂。国外具有代表性的树脂有Cytec公司用在A380上的Cycom977-2, Hexcel公司用在B787上的 M36。
国内也有不少研究者对RFI工艺进行了研究。陈书华等[12]对RFI用模具设计与工艺进行了研究,设计研制了渗透率的测试模具,推导出一维树脂流动的解析表达式。杨梅[13]对RFI工艺中树脂的流动行为和固化过程进行了研究,建立了理论模型和模拟技术。王东等[9]对RFI工艺用树脂展开了研究,得到了一种改性双马来酞亚胺树脂。该树脂体系在室温下成膜性好、低粘度时间长,适宜制造纤维体积含量较高的RFI制件。张国利等[14]测定了不同纤维含量叠层预制体的渗透率,设计了一维树脂膜熔渗的流动模型。
目前RFI工艺已得到工程化应用。Airbus公司在德国汉堡的Stade制造厂为A380研制了短轴为5.5m、长轴为6.2m的椭圆形后压力舱隔板,是到目前为止用RFI工艺制造的最大的航空复合材料构件[14]。下面以其制造工艺过程为例,说明RFI工艺制造大型构件时的具体工艺及最终成型的构件,详见图4(图4中,图片序号对应工艺过程序号)。
(1)将6K与12K高模量碳纤维按0°与90°制成非纺织缝合织物并收卷到2个轴上;
(2)在用S-52型模具钢制造的模具上喷脱模剂,然后在设计好的部位上铺HTA/977-2预浸料用作补强片;
(3)在模具上铺贴单位面积质量为1000g/m2的977-2树脂膜;
(4)在树脂膜上铺贴预成型体织物;
(5)组袋,按照要求的工艺使树脂渗透、浸润纤维并固化(图略);
(6)在固化后要求的部位贴上用HTA/977-2预浸料包裹的PMI泡沫成为加强筋;
(7)进行第二次固化(图略);
(8)进行适当的修边即得到最后的构件。
6 结束语
涡轮叶片的材料和制造工艺 篇5
涡轮叶片是航空发动机的关键件，其承受温度的能力是评价发动机性能和决定发动机寿命上的重要因素，为了使涡轮叶片获得高耐温能力，应从两方面进行考虑：铸造工艺和叶片材料。
涡轮叶片的工作环境极其恶劣，一方面叶片的工作温度很高，对于航机的涡轮进口温度最高已达1950℃,因此要求叶片材料在高温下应具有较高的持久强度和蠕变强度，足够的韧性，良好的抗热疲劳和机械疲劳性能，以及较高的抗高温氧化和抗热腐蚀能力。另一方面，由于叶片承受温度的不均匀性，使其存在很高的热应力，并且燃机在变工况时将承受很大的热冲击，所以要求叶片拥有耐热冲击能力。随着大推力、高效率、长寿命的涡轮发动机的发展，需要不断提高涡轮进口燃气温度，为适应这一要求，无论叶片结构还是叶片材料都应不断改进以提高其耐高温能力。
无余量熔模精密铸造目前为涡轮叶片制造的最佳手段。其工艺流程主要包括型芯模具的设计与制造、压制型芯、蜡模模具的设计与制造、装配注蜡、涂浆制壳、干燥型壳、脱蜡、烧结、浇注金属、脱壳脱芯、激光打孔等环节。
模具的设计定型：
1、精铸模具型腔体设计，首先建立叶片零件模型，包括叶身、缘板、榫头伸根的内型特征，以此构建叶身实体。此后进行叶片的多态模型转化，由叶片零件模型转化到型腔体模型。
2、型腔优化及精铸仿真，根据铸件的收缩原理采用反变形优化工艺方法对型腔进行放型最终得到模具型腔。
3、精铸模具结构设计与制造，确定核心包络块并设计叶片精铸模具模架，再由模具标准件经机械加工、表面处理、装配、检测、修模到定型。模具结构的合理性和尺寸精度对于熔模精铸件十分重要。设计制造高质量的内外型模具即精铸模具就成为精密熔模铸造技术的关键。
陶瓷型芯的制造：在叶片蜡型压制之前是需制作设计陶瓷型芯模具，并压制合格陶瓷型芯。陶瓷型芯的制备包括浆料的配制、型芯压制、型芯素肧的修理、烧结、强化及其过程质量控制与检验等。决定浆料性能的因素有陶瓷粉料的成分与颗粒形状、增塑剂的成分和性质、粉料和增塑剂的比例等。陶瓷型芯的质量很大程度上取决于素胚的压制质量，压制压力、锁模压力、浆料温度、保压时间等是影响陶瓷型芯压制质量的主要原因。
蜡模的制造工艺：合格的蜡型是制备精密铸件的前提，压制蜡型时，将陶芯放入蜡型模具中，并依靠定位元件对其定位。生产中大多采用压力把糊状模料压入压型的方法制造熔模。压制蜡基模料时，分型剂可为机油、松节油等；分型剂层越薄越好，使熔模能更好地复制压型的表面，提高熔模的表面光洁度。模料压制温度、压注压力、保压时间、压型温度、和模力、分型剂种类及其用量，以及制模和存放熔模的环境都会影响蜡模的质量。
熔模铸型的制造工艺：首先是熔模的组装，把形成铸件的熔模和形成浇冒口系统的熔模组合在一起，主要采用焊接法，用薄片状的烙铁，将熔模的连接部位熔化，使熔模焊在一起。后再经过若干次涂料、挂砂，干燥硬化，密封加固，脱蜡，焙烧最终制成型壳。型壳的性能与质量取决于面层与加固层材料的性能、相应涂挂工艺和过程控制。
合金浇铸工艺：高温合金熔模精密铸造广泛使用真空感应熔炼浇注。影响其工艺的主要因素有母合金棒锭的质量，熔炼浇注用陶瓷制件的质量，浇注工艺参数（浇注温度、浇注速度、型壳温度、冷却速度）。
影响涡轮叶片精铸尺寸精度的因素较多，例如模料的收缩、熔模的变形、型壳在加热和冷却过程中的线量变化、合金的收缩率以及在凝固过程中铸件的变形等。
采用模具型腔反变形补偿方法是提高涡轮叶片精铸尺寸精度的一个有效手段。铸造中，浇注后叶片的尺寸变形最大，高温液态合金注入模壳后，随温度的降低，会产生收缩变形，同时会产生弯曲变形和弯扭变形。为了有效地防止变形的产生，采用在传统的模具设计时考虑对收缩变形的补偿，通过数值模拟方法或者经验方法获得变形量，然后向与变形相反的方向预留一定的变形量，这样在变形后就会获得与设计模型一致的铸件。由于涡轮叶片外形复杂，仅采用一次位移场补偿的方法，很难达到精度要求。可以通过迭代法可以较为精确地逼近外形。
涡轮进口温度每提高100℃，航空发动机的推重比能够提高10％左右。据报道，自20世纪60年代中期至80年代中期，涡轮进口温度平均每年提高15℃，其中材料所做出的贡献在7℃左右。可见，材料的发展对提高涡轮进口温度起到了至关重要的作用。20世纪60年代以来，由于真空冶炼技术水平的提高和加工工艺的发展，铸造高温合金逐渐开始成为涡轮叶片的主选材料。定向凝固高温合金通过控制结晶生长速度使晶粒按主承力方向择优生长，改善了合金的强度和塑形，提高了合金的热疲劳性能。到20世纪80年代，随着单晶合金材料在涡轮叶片上成熟应用，更推动了涡轮叶片用材料的又一次革命。但是单晶叶片制造工序繁多，过程复杂，在表面处理、气膜孔加工、喷涂涂层等过程中非常容易产生外来应力，使其在后续长时间的高温使用过程中也有可能出现再结晶现象，为发动机涡轮叶片的安全可靠使用带来了潜在威胁。目前航空发达国家正在发展冷却效果达到0.75以上的层板、发散等先进涡轮叶片冷却方式，但随着冷却技术的不断改进，叶片内部的结构愈发复杂，对于涡轮叶片的材料设计和制造工艺设计提出了更高的挑战。
提高涡轮叶片的耐高温能力是我们的追求，目前解决这一问题的主要手段之一是在涡轮叶片表面采用热障涂层技术，热障涂层技术的基本设计思想是利用陶瓷材料优越的耐高温、耐腐蚀、耐磨损和绝热等性能使其以涂层形式和基体复合，以提高结构件抵抗高温腐蚀的能力。即研制既具有相当隔热效果又可经受长期高温氧化腐蚀的陶瓷热障涂层，通过将低导热性、耐高温的陶瓷材料以涂层的方式沉积到高温合金基体表面以达到隔热和降低工件表面工作温度的目的。热障涂层的应用可提高涡轮前燃气温度或减少冷却空气量，从而提高发动机性能或推力。国外热障涂层系统一般是两层结构，外层为隔热陶瓷层，利用其较低的热传导性和基体自带的冷却系统，可在陶瓷中产生较大的温度降。内层为粘结层，可以改善陶瓷层与金属基体的粘结性能，同时也具有抗氧化功能，保护叶片基体免受氧化侵害。我国在热障涂层研制方面起步较晚，目前我国的热障涂层技术也有了较大的进步，热障涂层已经应用于发动机燃烧室、喷口、涡轮叶片等处，涡轮叶片上热障涂层的制备方法，等离子喷涂热障涂层的工作原理是通过电离形成等离子气流，温度可达2 000℃，能在很短时间内迅速将涂层材料熔化或软化，然后以很高的速度(可达200 m/s)喷在预热的基体或已喷的涂层上，涂层与基体的结合方式主要是机械锁定。这种方法的优点是喷涂速度快，生产效率高，零件尺寸不受真空容器的体积限制，可以很大；缺点是不易用来喷涂形状复杂的零件，喷涂厚度不均匀，表面较粗糙，结合不牢，涂层寿命较低，因此不适于在对表面粗糙度和寿命都有很高要求的航空发动机涡轮叶片上应用。
从单晶合金的发展来看，使用温度已经超过了1200 ℃，与合金的初熔温度相比仅有不足200 ℃的差距，镍铝金属间化合物与铌-硅基合金是二种有希望成为新一代超高温材料的新型高温合金，它们的密度不足镍基高温合金的4/5，采用这两种合金制造的高压涡轮叶片估计能够使转子质量减轻30%左右。但它们也有两个致命的缺点，即抗氧化性能差和高温强度相对较低，目前的材料不能满足未来新一代战斗机发动机的设计使用要求，涡轮叶片用的材料的第三次革命还须等待，在未来一段时间内，先进单晶合金仍然是高性能航空燃气涡轮发动机涡轮叶片的主导材料。
复合材料制造 篇6
【关键词】复合结构材料；机械制造专业；应用；行业
前言
复合结构材料之所以能够如此迅猛广泛的应用于机械制造专业中在于高强度、大刚度、小质量等区别于其他材料的独特优势，也可以实现其他材料不能实现的相互之间的协调。根据复合结构材料的性质，可将其分为两种，，前者具有良好的耐磨性以及耐高温性，被称为功能型材料，其广泛适用于机械专业的各个零部件制造，各个部件的工作质量和工作寿命都得到了很好的保证；后者即为结构型材料，它被广泛的应用于大型机械设备制造中，这种材料可以降低机械设备的总体质量，但同时可以增大其整体强度。
1. 复合结构材料在机械制造专业上的应用
1.1不锈钢复合钢板
这种复合性质的钢板是由多种合金元素构成，不同合金元素的组合导致了每种不锈钢复合钢板的性质也有着显著的差别；比如可以根据合金的组成制造耐腐蚀以及耐电化学腐蚀的钢板，这种钢板的耐久性在钢材里面具有显著的优势。另外，不锈钢复合板根据其使用要求以及加工工艺，可以采用先进的真空轧制，以此确保不同材料元素之间的很好结合。不锈钢复合板的导热能力也是具有良好的导热能力也是其他普通钢板不能比拟的，再加上其优异的耐腐蚀性，这种材料在易于焦化的设备亦或是易于腐蚀的设备中可以广泛应用。
1.2玻璃纤维复合结构材料
纤维和热固性树脂材料是机械工程领域常用的复合材料，但玻璃纤维复合材料确实二者的结合。这两种材料完美复合得到的玻璃纤维拥有极高的强度，且其抗冲击性、腐蚀性较之以往有了长足的进步，但与此同时，其又具有较小的密度及收缩性。而且这种材料还将之前两种材料的成型和韧性发挥的更加淋漓尽致。基于上述的各种优点，玻璃纤维复合结构材料被广泛应用于机械设备中诸如阀门、管道、容器等各种耐腐蚀、耐磨的零部件中。
1.3石墨碳纤维纤维复合结构材料
碳纤维石墨纤维复合结构材料是由石墨、树脂以及陶瓷中的两种或多种材料以不同的比例混合而成。其性能主要体现于良好的耐腐蚀性以及耐热性，除此之外，还有较高的强度、较好的刚度以及较大的劲度，而且这种复合材料线膨胀系数相对较小且具有很好的自润滑性。碳纤维石墨纤维复合结构材料在机械制造专业中主要应用于航空航天领域或者比较精密的核工业机械中。
1.4晶须复合结构材料
晶须复合结构材料是一种比较新型的复合结构材料，且其中的晶须为单晶，较之于其他普通的材料，这种复合结构材料不存在错位或空穴等质量问题，而且具有由于晶须材料本身的机械强度就比较高，其复合而成的复合结构材料的机械强度又得到了提升很强的机械强度。在实际的机械制造专业中，晶须复合结构材料一般广泛应用于涡轮叶片等领域。
1.5石棉纤维复合结构材料
这种材料主要是由树脂纤维复合而成，因此它除了具有树脂纤维本身的耐磨性以及绝缘性之外，还具有良好的耐热性以及耐酸性能。这些性能决定了石棉纤维复合结构材料在各类绝缘、绝热设备以及对于封闭性要求较高的哥哥机械零部件中。
1.6塑料金属粒复合结构材料
金属粒塑料复合结构材料是指将不同比例的金属与塑料进行复合而得到的一种新型的复合结构材料，这种复合结构材料能够降低原材料本身的线膨胀系数，而且，最为重要的是其能够改善金属材料本身的导电性以及导热性能，这种材料在各种机械设备的轴承中得到了广泛的使用。
1.7多层复合结构材料
顾名思义，多层复合结构材料是指各种材料不同层次的分层结合，其复合所用的材料一般为多孔性青铜、钢以及塑料分层的复合，这种材料根据不同材料的复合比例，可以体现不同程度的耐冲击性以及耐磨性。多层复合结构材料通常应用于各种机械设备以及机械专业的热片、轴承等耐磨件当中。
2. 复合结构材料在冲压模具制造中的应用
冲压模具在各种机械设备中有着广泛的应用，在机械制造专业也有着不可替代的作用。冲压磨具在不同的机械设备中存在着具体的使用环境的差异，这也导致了各种冲压磨具的材料构成也大不相同。根据当前阶段我国机械设备中冲压模具的具体应用，可以将其组成材料划分成三种：第一种是拉伸模材料、第二种是冷挤压模材料，最后一种是冲裁模材料。
根据当前阶段的各种冲压模具的使用情况以及使用形势来看，钢材还是制造冲压模具的最主要的材料。例如，碳素工具钢虽然具有较强的经济性且易于加工成型，但是这种材料淬透性以及硬度较差，一旦在进行热处理时通常都会发生较大的形变，而且此类钢的承载能力较低，因此不能应用于对塑性以及硬度有较高要求的机械部件中。另外，硬质合金钢虽然其淬透性较好，但其抗弯性能以及韧性较差，因此，此类钢材对于有强度和韧性要求的机械，便不可轻易使用。较之诸如此类的钢材，复合结构材料可以将各自的优异性能进行复合，在充分发挥各种材料的长处的同时，消弱了各种材料较弱性质的使用，复合结构材料在冲压模具制造中可以承受各种冲击和摩擦，因而其得到了广泛的使用。
3.结束语
复合结构材料是根据各种不同材料在机械制造领域的使用情况并机械制造设备的使用要求，由不同材料重新复合组成的一种新型的复合结构材料。这种材料可以将各种材料的优势很好的结合，提高设备自身的强度、韧性以及耐久性、抗冲击性等各种机械性能，同时很好的消弱和避免了各种材料自身的不足，充分发挥了各种材料的优势，而且，这种材料虽然发展历程较为短暂，但由于其良好的机械性能以及使用的灵活性，已经在机械设备、于航空航天、汽车、工业设备等诸多领域中得到了广泛的应用。而且，我们坚信，随着我国科学技术水平的不断进步以及我国机械制造领域的不断发展和完善，复合结构材料也将会在我国的机械制造专业中扮演愈加重要的作用。
参考文献：
[1] 曾安然 ， 李大刚 . 改性分子筛 / 顺丁橡胶复合材料的制备及性能研究 [J]. 黎明职业大学学报 ，2015（01）.
[2] 尹良舟 ， 刘汇丰 ， 王东伟 ， 李言言 ， 杨莉 . 界面改性对复合材料力学性能的影响 [J]. 河南工程学院学报 （ 自然科学版 ），2015（01）.
[3] 黄超 ， 韩道荣 ， 万冰峰 .T300/648复合材料湿热老化机理研究[J]. 长沙航空职业技术学院学报 ，2015（01）.
[4] 午海霞 ， 周国清 ， 刘昌华 ， 陈建光 . 壳聚糖 / 纳米淀粉复合材料结构和性能研究 [J]. 重庆电子工程职业学院学报 ，2010（02）.
[5] 姜生 ， 周祥 ， 晏雄 . 含空气层 CPE/CZ 结构材料低频吸声性能研究 [J]. 南通纺织职业技术学院学报 ，2010（02）.
复合材料制造 篇7
钨 (W) 具有高硬度且在所有金属中熔点最高, 铜 (Cu) 具有优良的导电和导热性能, W-Cu复合材料既具有良好的导电、导热性, 又有低的热膨胀系数和高的抗电弧腐蚀性, 因此长期以来被广泛用作电触头、电火花加工、电阻焊及等离子电极材料。
随着微电子信息技术的发展, W-Cu复合材料在大规模集成电路和大功率微波器件 (用作基片、连接件和散热件等电子封装材料和热沉材料) 中也具有广泛的用途。
为满足W-Cu复合材料在各先进领域的应用需求, 国内外研究人员一直致力于W-Cu复合材料的新成分、使用性能、制造技术及新应用等探索研究。本文就此方面的研究现状和发展方向进行了综述。
2 W-Cu复合材料主要应用种类
2.1 电触头用W-Cu复合材料
由于W的熔点 (3 390~3 430℃) 远高于Cu的沸点 (2 350~2 600℃) , 作为电触头使用时, 在高温电弧作用下, 钨铜中的Cu通过“发汗”散热使钨骨架能够及时冷却并保持完整, 从而保证了电触头的良好开断功能。W-Cu复合材料这种良好的抗电弧腐蚀、抗熔焊和耐电压特性, 使其特别适合用作高压及超高压开闭触头, 如用于真空开关电器及以SF6为灭弧介质的新型高压电器中。
当要求W-Cu材料在低截流值场合使用时, 可采用含添加元素的W-Cu复合材料。表1是用熔渗法制备的添加少量低熔点金属 (如B、Nb、Ce) 的W-Cu (20) 电触头材料的性能[1]。
试验发现, 添加了这些元素的W-Cu复合材料用作电触头时可使截流值变小, 在开闭时的燃弧时间均比W-Cu (20) 电触头短, 因而对触头表面烧蚀也有所减少, 电寿命延长, 其中效果最明显的是W-Cu-B材料, 其抗烧蚀性能提高了近30%[1]。
2.2 微电子封装用W-Cu复合材料
随着集成电路 (IC) 芯片技术的迅猛发展, 对集成电路封装材料的要求也越来越苛刻。除要求电子封装材料具有高达170~190 W/ (m·K) 的热导率 (TC) 及低的且可特别设定的热膨胀系数 (CTE) 外, 还需易于加工成形且成本低。W-Cu复合材料易于调整热物性参数[2], 大大提高了其在微电子器件中的适用范围, 因此被视为大功率器件中一种很好的热沉材料。其合适的热膨胀系数可与微电子器件中的硅片、砷化镓等半导体材料及陶瓷材料很好地匹配连结, 从而避免了热应力所引起的热疲劳破坏[3]。W-Cu复合材料还可按最终尺寸成形, 可实现器件的小型化;同时, 还可通过改变W与Cu的比例来调节其CET与TC。图1是W-Cu复合材料中Cu含量与CET、TC的关系[2]。
近年来W-Cu复合材料在大规模集成电路和大功率微波器件中得到迅速发展和广泛应用。例如, 作为高效的散热和热沉材料, 已经应用于微处理器、微波组件和无线电通讯装置等高新技术产品中, 其高导热及耐热性大大提高了微电子器件的使用功率。用于电子封装领域的W-Cu复合材料的主要性能见表2[4]。
2.3 电加工电极用W-Cu复合材料
各种先进电加工技术的发展, 也成为高耐热、高导电、导热和抗电弧烧蚀的W-Cu复合材料的另一个重要应用领域[5]。从热传导的角度研究电火花加工过程电极材料的蚀除, 一直是电火花加工的研究热点之一。不管是短脉宽加工还是长脉宽加工, 电极表面的蚀除凹坑都出现了白层, 存在着相变, 说明造成材料蚀除的原因均与材料的吸收热能有关[6]。
在开展电火花加工的较长时期内, 普遍采用Cu和铜合金作为加工电极。虽然Cu和铜合金价格低廉且使用方便, 但由于Cu及铜合金电极不耐电火花烧蚀, 导致电极材料消耗过大, 且加工精度差 (有时需进行多次加工) , 因而在很多场合不能满足特殊加工的需要。
随着模具精度和许多难加工材料部件用量的不断增加, W-Cu复合材料作为电火花加工电极的用量与日俱增。采用W-Cu材料的电加工电极, 不仅使被加工模具及部件的精度提高, 而且电极损耗小, 加工效率高, 甚至一次即可完成产品粗加工和精加工的全部过程[7]。
电火花加工电极的特点是品种规格繁多, 批量小但总量大。作为电加工电极的W-Cu复合材料应具有尽可能高的致密度和组织均匀性, 但对一些细长棒材、管料以及异型电极, 如果采用常规的方法制取, 有时工艺并不方便, 材料利用率也很低。
2.4 航天、军工领域高温用W-Cu复合材料
W-Cu复合材料由于具有非常好的耐高温性能, 自20世纪60年代起, 美国就开始将W-Cu合金用于火箭、导弹和其他一些飞行器的喷管喉衬、燃气舵、鼻锥、配重等高温部件。其应用原理是, 当燃气温度接近甚至超过合金的熔点时 (>3 000℃) , W-Cu复合材料因其所含Cu的蒸发而大量吸热, 大大降低了钨铜部件的表面温度, 从而能在一般材料无法承受的高温环境中使用。
此外, 近年来W-Cu复合材料在现代军事上的一些新用途也在不断发展。例如, 电磁炮的导轨材料[7], 其利用的是W-Cu材料的耐高温、高导电和抗电弧、抗摩擦等优异性能;而破甲弹的药型罩, 则主要是利用W-Cu材料的高密度、高强度及高动态性能, 从而大大提高破甲弹的破甲威力。
一些高温用W-Cu复合材料的主要性能指标见表3[5]。
3 W-Cu复合材料的制造技术
W与Cu的熔点相差很大且不互溶, 因此W-Cu复合材料只能采用粉末冶金方法制造。这种方法可使W-Cu复合材料通过不同技术要求的特定组合, 在性能上呈现出符合要求的W、Cu两种金属的本征物理性能。但普通粉末冶金工艺的缺点是制得的材料全致密化困难, 孔隙度较大, 故对材料的导电性、导热性、气密封性及力学性能有不利的影响。
为提高材料的性能, 国内外材料工作者对W-Cu复合材料的制造技术进行了大量研究, 目前主要的制造方法有高温液相烧结法、熔渗法、热压烧结法、活化液相烧结法、化学共沉淀法、注射成型法等。
3.1 高温液相烧结法
高温液相烧结法是将钨粉和铜粉按一定比例配料 (可同时加入润滑剂、成型剂等) , 在混料机中充分混合, 然后模压成形, 再在保护性气氛中, 在高于Cu的熔点300℃以上的条件下进行液相烧结, 从而制得致密化W-Cu复合材料法。
这种生产工艺简单易控, 成本低廉, 但由于烧结温度较高易出现材料晶粒粗大的问题, 并且, 通常烧结制得材料的相对密度仅达90%~95%, 因而很难得到成分均匀、高致密度的W-Cu复合材料。
通过机械预合金化技术, 可以使粉末在压制烧结前达到原子级水平的均匀混合。这种在钨粉中有Cu相存在的复合粉, 在稍高于Cu熔点以上的温度短时间烧结即可获得94%以上致密度的W-Cu材料, 尤其适合低铜含量W-Cu材料的制备[8]。
另外, 还可利用共还原超细钨铜混合氧化物制得分散性极佳的超细钨铜混合粉。由于超细粉末表面活性高, 可以在较低烧结温度和较短的烧结时间条件下实现材料致密化[9]。
高温液相烧结法制造的W-Cu材料只能用于对材料性能要求不高的场合。
3.2 熔渗法
熔渗法是将熔点较低的金属液在一定条件下浸润填充进具有一定密度和强度的难熔材料多孔基体骨架中, 熔化的Cu沿着W骨架的颗粒流动填充骨架孔隙, 从而获得较致密的材料。铜熔液在多孔W骨架的毛细管作用下, 渗入W骨架的孔隙中, 形成Cu的网络分布, 使得采用此法制备的W-Cu复合材料的韧性大大提高。熔渗合金密度一般可达到理论密度的97%~98%, 甚至更高。因为烧结骨架中总存在着少量的封闭孔隙不能被熔渗金属填充, 有时还可在熔渗后对材料进行进一步的冷、热加工以提高密度。
肖鹏等[10]研究熔渗法制造W-Cu合金时提出, 熔渗不同W含量骨架坯中的理论孔隙率是不随骨架毛坯中加入的诱导铜粉的含量而变的。诱导铜粉在高温下熔化后, 所占据的孔隙与原孔隙没有区别, 其作用只是便于铜液更好地充填孔隙, 减少缺陷, 提高其性能。
表4是不同W-Cu合金的W骨架在1 320℃时的理论孔隙率[10]。表5是液态铜对W骨架的湿润角θ随温度的变化情况[11]。
在Cu对W骨架的熔渗过程中, 随着温度的升高, 液态铜的表面张力略有增大, 因此液态铜对W骨架的湿润性随温度的升高而改善。当熔渗温度超过Cu的熔点150℃以上时, 熔渗即可良好地进行。
实践证明, 渗铜需要的时间比液相烧结达到完全致密化所需要的时间要短得多, 并且, 仅从毛坯中的孔隙或孔隙率看, 在能够有效熔渗条件下, W-Cu系合金中W含量越低, 孔隙率越大, 熔渗速度越快, 熔渗时间越短。
用熔渗法制造W-Cu复合材料的优点是烧结性能好, 致密度相对较高, 导电、导热性也很理想, 缺点是熔渗后需进行机加工以除去熔渗时多余的Cu, 这不仅增加了机加工费用, 还降低了成品率, 但对于可使材料获得优异性能来说, 此法仍具有很大优势。因此熔渗法是目前制备高钨的W-Cu复合材料中应用最为广泛的方法[5], 这种工艺在一些大中型高压断路器和真空开关用W-Cu触头的生产中已普遍应用。
3.3 热压烧结法
热压烧结法是将混合好的粉末装入模腔内, 在加压的同时将粉末加热到正常烧结温度, 经过较短时间烧结成致密而均匀的制品。热压将压制和烧结两道工序同时完成, 可以在较低的压力下迅速得到冷压、烧结制品所达不到的密度。但是, 热压工艺对模具的要求高, 耗费大, 单件生产效率低, W-Cu复合材料热压烧结还需要H2保护或真空烧结, 生产成本更高, 因此在生产中并不常用。
但研究人员仍然使这种方法获得了一些特殊的应用, 例如, 周张健等[12]在1 800℃、炉膛压力为18 N/mm2、2 h的条件下制得了达到理论密度94.6%、富铜端Cu含量最高为22.55% (体积分数) 的W-Cu功能梯度材料。
3.4 活化液相烧结法
活化液相烧结是在W-Cu材料中加入微量的Pd、Ni、Co、Fe等第三种金属元素, 其加入量一般控制为总量的0.1%~0.5%。这些元素促使不溶解于Cu的W相可部分溶解于Cu相中, 从而在液相烧结过程中形成含有这些金属元素的γ相。与高温液相烧结法相比, 该法不仅可降低烧结温度, 缩短烧结时间, 而且可使材料的烧结致密度大大提高。研究表明[13]Co、Fe的活化效果最好, 可明显提高W-Cu复合材料的烧结致密度, 但Ni在W-Cu烧结时的活化效果不明显, 比其在纯钨烧结过程中的活化效果差得多。其原因可能是Ni与Cu形成了无限固溶体, 不能起到活化效果, 而Co、Fe与Cu只能形成有限固溶体, 在烧结过程中微量元素形成的第二相会在晶界中析出, 并形成金属间化合物, 从而促使W的致密化。
总之, 活化液相烧结可使材料获得较高的相对密度、硬度及断裂强度等, 但活化剂的加入降低了W-Cu复合材料的导电、导热性, 因此制造的材料一般只用于对导电、导热性要求不高的场合。表6是加入Co的活化液相烧结和高温液相烧结制备的W-Cu (10) 复合材料的部分性能对比[14]。
3.5 化学共沉淀法
将浓硝酸 (HNO3) 搅拌加入硝酸铜溶液中, 再将混合溶液加到 (NH4) 2WO4溶液中, 用电磁搅拌器充分搅拌进行化学共沉淀反应。将反应后的沉淀物过滤、清洗后, 置于马弗炉中焙烧, 可得到W和Cu的复合氧化物粉末。将复合粉末研碎后, 在管式炉中于650~750℃通H2还原, 可得到W-Cu复合粉末。用钢模将W-Cu复合粉压制成型, 最后在氢气炉中烧结, 可制得超细晶粒的W-Cu合金。这是化学共沉淀法制造W-Cu复合材料的一个实例。依此方法, 所制得的W-Cu复合粉表现出较高的烧结活性, 在1 200℃烧结时, 相对密度为98.5%;1 250℃烧结时, 相对密度可达99.7%[15]。与传统产品相比其导电性、热导率、抗弯强度、硬度均有大幅度提高, 尤其是1 250℃烧结的试样, 其热导率高达223.1 W/ (m·K) 。
化学共沉淀法在生产中易造成环境污染, 且制造成本较高, 因而限制了该法的实用性。
3.6 注射成形法
金属注射成形技术是一种新型的粉末成形技术, 在制备具有复杂几何形状、均匀组织结构和高性能、高精度的产品方面具有独特优势, 该法能够完全实现自动化连续操作, 因而生产效率很高。
实践表明, 粉末注射成形工艺在生产小尺寸复杂形状的W-Cu产品时尤显经济有效。Yang等[16]研究了Cu含量为10%、15%及20% (质量分数) W-Cu材料的注射成形, 粉末填充量为52% (体积分数) , 经两步脱脂后将钨坯在1 150℃预烧结30 min, 最后在1 500℃条件下加Cu熔渗5 min, 可获得致密度高达99.2%以上的W-Cu复合材料。表7是采用注射成形和熔渗法制备的W-Cu合金的性能[4]。
美国的R.M.Geanan等[4]采用注射成形技术制备W骨架也获得了较好的效果。预先制备的W骨架经900℃预烧, 在1 500℃熔渗90~120 min, 就能获得性能优秀的W-Cu复合材料。
4 W-Cu复合材料制造技术进展
4.1 纳米粒子法
近年来, 随着超细粉末制造技术的发展, 由纳米W-Cu粉末制造的W-Cu复合材料已达到非常高的致密度 (近乎完全致密) , 并具有极高的导热、导电性能。纳米W-Cu复合粉的制造方法通常有机械合金化 (MA) 、溶胶-凝胶法 (Sol-gel) 、热化学工艺合成法 (Mechano-Thermo Chemical Process) 及喷雾干燥法 (Spray Drying Method) 等。
机械合金化是将W、Cu粉末在搅拌或行星式高能球磨机中进行高能球磨, 并采用气体保护以防止粉末氧化。J.C.Kim等[17]用机械合金化方法, 在较低的温度 (1100℃) 下液相烧结制取了几乎全致密的纳米W-Cu (20) 和W-Cu (30) 复合材料, W-Cu复合粉体带来的纳米结构特征有效地强化了粉体的烧结性能。
国内学者对机械合金化制备纳米W-Cu复合粉末也进行了研究, 通过高能球磨将钨粉和铜粉长时间混合研磨, 可以制得均匀分布的纳米级W-Cu复合合金粉末。含Cu20%的W-Cu混合粉球磨50h后, 形成了含有Cu的钨超饱和固溶体[16]。
雒晗等[18]采用机械合金化方法将W-Cu (15) 混合粉末在行星式高能球磨机中球磨, 研究了不同球磨时间对W-Cu复合材料组织的影响, 利用XRD及SEM分析了不同球磨时间的粉末和烧结后的样品, 结果表明, 随着球磨时间的延长, 粉末的晶粒尺寸不断减小, 烧结后样品的相对密度不断提高。图2是球磨时间与试样相对密度的关系[18], 球磨10、30、40、60 h样品的相对密度分别为93.2%、97.0%、98.0%、98.8%。
溶胶-凝胶法[19]是将易于水解的金属化合物 (无机盐或金属醇盐) 在某种溶剂中与水或其他物质发生反应, 经水解与缩聚过程逐渐凝胶化, 再经干燥煅烧和还原等后处理得到所需的材料。其基本反应有水解和聚合反应, 可在低温下制备纯度高、粒径分布均匀、化学活性高的单、多组分混合物。
热化学工艺合成法[20]是以偏钨酸铵和硝酸铜为原料制备混合溶液, 然后将混合溶液采用喷雾干燥, 通过旋转雾化和其后的干燥工艺得到金属盐混合粉末的前驱体, 将前驱体煅烧后, 得到W-Cu氧化物复合粉末, 再将氧化物复合粉末球磨并经二步氢还原, 从而制备出纳米复合粉末。刘丽荣等[21]以仲钨酸铵 (APT) 和硝酸铜为原料, 通过固液掺杂、搅拌、加热及干燥等实验过程获得了W-Cu前驱体粉末, 再经氢还原工艺得到W-Cu复合粉, 最后将W-Cu复合粉烧结成的W-Cu (15) 合金, 经1 220℃烧结, 其烧结体密度达到了理论密度的98.45%, 烧结出的W-Cu材料组织结构均匀致密, 合金中形成了对导电、导热性能有重要作用的Cu网络结构。
Lee等[22]采用将机械-热化学法与液相烧结相结合的方法, 在没有烧结活化剂的情况下, 制得了W平均颗粒尺寸为1μm的接近完全致密的含Cu20%的W-Cu复合材料。
图3是未经活化粉末、经机械活化粉末与经机械活化后再化学活化粉末的烧结密度比较。经机械活化后的粉末, 其烧结密度与仅经混合的粉末相比有了很大的提高, 而通过机械活化与化学活化的共同作用, 可使相对密度进一步提高[23]。
4.2 其他制造方法
随着工程装备技术的发展, 新的制造工艺也应运而生。如定向凝固技术, 是利用W-Cu合金在快凝固速度 (1 000~1 000 000 KPs) 与大过冷度的作用下, 合金元素在固相中的溶解度扩大、晶粒组织细化、偏析显著减少, 从而使W-Cu合金能得到很好的导电性能、高的室温和高温强度、更好的耐磨和耐腐蚀性能的一种特殊制造方法[24]。定向凝固技术的冷却速率可以通过调节凝固过程中固液界面的温度梯度和生长速率来实现。
电弧熔炼法[25]是先用传统粉末冶金法将所要求的合金制成可熔电极, 再在自耗电弧炉内熔化, 经快速凝固、时效及固溶处理, 从而制得晶粒细、密度偏析小、致密度高及抗蚀性好的复合材料。
纤维强化法[5]是利用具有一定方向性的纤维替代难熔金属粉末颗粒 (如钨粉) 与铜粉相互交替重叠冷压或将短钨单丝纤维和铜粉混合冷压、烧结后制备的纤维强化金属基复合材料。它不仅具有较好的横向力学性能及高的导电、导热性能, 且能控制难熔金属在高温下的氧化飞溅, 使材料具有较高的耐蚀性。
5 结束语
复合材料制造 篇8
摘要：高强度竹基纤维复合材料制造技术是以我国丰富的可再生的竹材生物质资源为原材料,通过重点研究竹青竹黄差速异步点裂微创、纤维原位可控分离、纤维化单板制造、增强树脂梯级导入等关键技术;通过工艺创新和新产品开发以及关键设备的研发,突破传统技术中竹青竹黄难以有效胶合的制约竹材工业化利用的瓶颈难题;使得占我国竹材资源近50%的小径级竹材得以工业化充分利用,并使毛竹等大径级竹材的一次利用率从20%~50%提高至90%以上,研制出高强度、高附加值竹基纤维复合材料,提升了我国竹产业的技术水平。目前已经形成了风电桨叶用竹基纤维复合材料系列技术、全竹集装箱底板用竹基纤维复合材料系列技术,全竹建筑模板用竹基纤维复合材料系列技术等3套技术体系,促进了我国竹产业的升级换代。
关键词：竹材,竹基纤维复合材料,高强度
阅读全文链接(需实名注册):http://www.nstrs.cn/xiangxi BG.aspx?id=15619&flag=1
矫直辊堆焊复合制造技术实践 篇9
中板矫直机矫直辊是中板厂矫直设备的主要消耗部件[1,2], 其材质为60Cr Mn Mo, 制作工艺为锻造、机加工、调质处理。材质的选择以满足辊面高硬度、高耐磨性为主。由于矫直辊母材合金含量较低, 在矫直生产过程中磨削量大、换辊周期短、使用成本高, 同时在钢板表面形成压痕。
为了提高矫直辊的各项性能, 本文针对某冶金中板厂十一辊矫直机矫直辊 (9支Φ250×3000mm的工作辊、2支Φ350×3000mm的导辊) 进行了堆焊修复, 并用于生产。其使用寿命高于原母材60Cr Mn Mo, 很好地满足了矫直辊的使用要求。
1 矫直辊堆焊材料及工艺的选择
1.1 矫直辊失效形式
通过对矫直辊表面辊系使用条件及失效形式进行分析, 主要有以下情况:
(1) 矫直辊工作表面淬火层易出现龟裂、掉快, 产生的微凸起硬点、粘结氧化皮在板材表面形成压痕;
(2) 矫直辊工作表面的硬度和强度及耐磨性下降, 轧辊消耗大;
1.2 堆焊材料的综合性能分析
矫直辊在≤800℃ (有水冷却) 的工作环境中长期运行, 应具有耐高温、高耐磨、高硬度、耐腐蚀 (水气) 、防蠕变、抗粘接 (氧化皮) 、高温疲劳强度 (防网状裂纹和剥落) 等特性。根据矫直辊的失效形式, 堆焊材料应具有以下特点:
(1) 含碳量为中碳, 材料变形小, 具有韧性、塑性及良好的导热性, 减少产生冷热裂纹的倾向。
(2) 含硅锰元素, 强化基体, 提高强度、硬度, 提高屈强比和耐腐蚀性。
(3) 高Cr元素含量, 强化基体, 抗氧化性和耐腐蚀性, 抗有害气体。当Cr含量大于5%时, 既耐热又具有高强度。当与碳形成碳化铬时, 明显提高强度, 有效防止与板面的粘接。
(4) 含Ni元素, 提高热强度和硬度而不降低塑性, 良好的耐腐蚀性能。特别是当与铬配合使用时更能发挥其良好的性能。
(5) Mo、W、Nb、Ti等元素, 强化基体, 细化晶粒, 提高高温强度与蠕变极限, 抗有害气体, 能有效防止与板面粘接。
(6) 焊接材质具有二次硬化倾向, 使用过程中不降低硬度, 反而会使硬度提高4~7HRC, 并使辊面硬度均匀化。
选择的焊接材料应具有焊接工艺性能好, 耐高温、高耐磨、高强度、耐侵蚀、抗氧化, 抗蠕变、抗粘接等特性, 综合考虑成本等因素, 修复后的矫直辊使用寿命应达到原辊 (60Cr Mn Mo材质) 的2倍以上。
1.3 堆焊材料选择
为了使矫直辊表面获得高强度、高韧性、耐磨的工作层, 结合矫直辊在使用过程中的不同工作条件, 选用了中冶集团建筑研究总院有限公司焊接所研制生产的ZY-YD255F-S作为矫直辊工作层, 以ZY-YD001-S焊丝作为过渡层, 其熔敷金属的化学成分见表1。选用ZY-SF60烧结焊剂作为堆焊焊剂, 其化学成分见表2。
1.4 堆焊修复工艺
选择埋弧焊作为矫直辊的堆焊修复方法。
1.4.1 焊前加工及检测
为了保证上、下矫直辊有效工作层厚度, 堆焊层的有效厚度应>15mm。矫直辊堆焊修复前必须经加工去除疲劳层, 再进行超声波探伤和着色探伤, 如发现裂纹等缺陷, 全部去除, 再次经探伤合格后方可焊接。
1.4.2 预热温度和层间温度的确定
矫直辊在堆焊过程前必须进行预热。预热温度、保温时间未达到技术要求, 堆焊层会形成较大的热应力, 产生裂纹;矫直辊表层在堆焊时也会发生马氏体相变, 形成薄的脆硬层, 从而导致堆焊层开裂和剥落。故堆焊前矫直辊应充分预热并在堆焊时保持焊道层间温度稳定。
预热温度由矫直辊材料和堆焊材料的合金体系来综合确定, 一般碳含量和合金元素总含量越高, 则预热温度也越高。预热保温时间和轧辊的直径、长度有关, 轧辊直径越大, 保温时间越长, 以保证轧辊内外均温。堆焊开始后, 焊道层间温度允许比预热温度低, 但不得超过50℃的温差。
针对此矫直辊, 综合考虑其直径、长度, 预热温度选择为400℃, 保温5 h;焊道层间温度为300~350℃。
1.4.3 堆焊工艺的确定
堆焊工艺参数是指堆焊时所采用的焊接极性、焊丝直径、焊接电流、焊接电压以及堆焊速度等。堆焊工艺参数主要取决于圆盘直径、焊丝直径和焊丝的合金元素含量。焊丝直径根据矫直辊的大小来确定, 一般在Ф2.4~4.0mm范围内, 小轧辊使用小直径焊丝, 大轧辊使用大直径焊丝。焊丝合金元素含量高的情况下, 选择较低堆焊工艺参数;反之, 则选择较高堆焊工艺参数。
本次研究进行的轧辊堆焊修复制造过程中, 采用Ф3.2mm的药芯焊丝, 堆焊工艺参数如表3所示。
1.4.4 焊后去应力回火工艺参数的确定
焊后去应力回火的目的是去除堆焊过程中产生的热应力和组织应力, 同时使堆焊组织产生“二次硬化”, 进一步提高和改善堆焊金属的耐磨性及耐热疲劳性。
回火工艺参数通常根据以下几方面因素来综合考虑设定:
(1) 以堆焊层材料的化学成分, 如含碳量以及Cr、Mn、Mo、W、V、Nb等合金元素的含量, 设定回火温度;
(2) 以堆焊层的厚度设定保温时间;
(3) 以堆焊辊的直径设定保温时间。
依据本文研制的药芯焊丝堆焊金属以及矫直辊母材的合金成分, 回火温度设定在530℃, 保温时间为10h。
2 堆焊材料试验
2.1试验工艺
用研制生产的药芯焊丝ZY-YD255F-S在25×250×200 mm的Q235试板上堆焊五层, 作堆焊试验, 在530℃×2h回火后, 随炉冷却到室温。
2.2 性能分析
2.2.1 熔敷金属的金相组织
堆焊层横截面金相试样用4%硝酸酒精溶液腐蚀, 结果如图2~图5所示。图2为底层焊缝和热影响区的分界, 分界上晶粒明显长大部分为热影响区, 组织为铁素体和少量珠光体;在热影响区上面的母材组织为铁素体和呈带状分布的珠光体。图3为底层焊缝, 焊缝组织呈柱状晶分布, 组织为马氏体, 少量残余奥氏体及回火马氏体。图4为盖面焊缝, 组织为马氏体, 还有少量白色小颗粒碳化物;图5是图4的局部放大, 可以明显看到基体组织上的碳化物颗粒。
2.2.2 熔敷金属的性能
(1) 硬度测试
采用HL-160A里氏硬度计测量ZY-YD127-S堆焊试样的硬度值, 结果如表5所示。原母材5Cr Ni Mo的锥辊要求硬度为HRC50, ZY-YD127-S堆焊材料的硬度与原母材5Cr Ni Mo的锥辊的硬度相当。
(2) 耐磨性试验
采用ML-10磨粒磨损试验机进行试验, 结果如表5所示。从表5可以看出, ZY-YD255F-S堆焊后矫直辊的耐磨性比60Cr Mn Mo提高了3~5倍。
其中:0#为60Cr Mn Mo;1#为ZY-YD255F-S堆焊熔敷金属。
(3) 拉伸和冲击试验结果
熔敷金属拉伸试验按GB/T2652-2008《焊缝及熔敷金属拉伸试验方法》进行, 常温冲击试验采用GB/T 2650-2008《焊接接头冲击试验方法》的方法进行。熔敷金属拉伸试验的抗拉强度为1370MPa, 冲击试验试验结果如表7所示。
从表7可以看出, 堆焊金属具有较高的强度和一定的冲击韧性, 能够满足矫直辊的使用要求。
3 矫直辊堆焊修复现场情况
图6和图7分别为矫直辊工作辊和导辊的堆焊现场。矫直辊经修复后通过机加工和磨削加工, 探伤无裂纹、气孔等缺陷。
4 结论
(1) 结合矫直辊的工作条件, 通过自行研制的ZY-YD001-S和ZY-YD255F-S药芯焊丝, 对矫直辊工作辊和导辊进行堆焊修复。堆焊修复后的矫直辊无缺陷, 其强度和韧性与母材金属相当, 耐磨性比母材提高了2~5倍。
(2) 堆焊修复后的矫直辊投入生产线使用, 其各项性能满足使用要求, 延长了轧辊使用寿命, 减少了轧辊消耗, 降低了生产成本。
参考文献
[1]赵军.中板矫直辊辊面粘钢锈蚀产生原因及有效防治[J].甘肃冶金, 2013, (4) :45-47.
复合材料制造 篇10
压力容器是承受一定压力的设备, 在化工、轻工、能源、航天等领域得到广泛应用。我国工业技术的发展迫切要求压力容器能够在各种条件下具有更优良的性能。压力容器本身存在着很大的危险性, 其危害程度主要与设计压力、温度、介质条件和材料力学性能有关。复合材料的发展对整个压力容器技术的突破具有重要意义。压力容器的材料选取是设计过程中的重要步骤, 对容器的后期使用起着决定性作用, 材料的机械强度和耐腐蚀性等都会影响压力容器的使用状况, 以往压力容器材料多为金属板材, 容器内衬采用耐腐蚀的合金钢材料, 外层进行金属层板包扎以提高机械强度。但金属材料密度大、造价高, 尤其是在腐蚀严重的场合选用合金钢材料, 给工业生产带来许多不便。上世纪40年代, 复合材料得到迅速发展, 尤其促进了复合材料压力容器的发展和应用。复合材料压力容器具有优良的性能, 在工业压力容器中得到了广泛应用。
2 复合材料压力容器的相关概述
2.1 复合材料压力容器性能特点
根据国际化标准组织 (ISO) 的定义, 复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。其中, 一种材料为基体, 其它材料为增强体组合而成的材料各种材料在性能上互相取长补短, 产生协同效应, 使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求, 不但具有可设计性材料与结构的同一性。复合材料的优越性、复合性能对复合工艺的依赖性等特点, 还具有优良的化学稳定性, 减摩耐磨自润滑、耐热、耐疲劳和电绝缘等性能, 复合材料的优良性能使得尤其制造而成的压力容器具有独特的特点和优良性能:
2.1.1 机械强度高, 目前复合材料的增强材料主要为一些纤维产品复合材料中的大量增强纤维, 使得材料过载而少数纤维断裂时, 载荷会迅速重新分配到未破坏的纤维上, 使整个构件在短期内不至于失去承载能力;由于纤维材料本身强度高, 形变性能好, 与基体材料结合后强度性能会提高数倍;制成的容器质量好、刚性好、强度高。
2.1.2 容器密度小, 复合材料压力容器基体材料为金属、陶瓷和一些聚合物等, 本身密度不是很大, 与增强材料融合更加降低了其密度值, 因而相应的压力容器密度也会随之降低。
2.1.3 耐腐蚀好, 与传统金属相比, 复合材料的耐腐蚀性能明显提高, 不需要做特殊处理即能满足耐腐蚀的要求, 所以复合材料压力容器耐腐蚀性也相应由于一般金属压力容器。
2.1.4 韧性好, 在压力作用下, 钢制压力容器破坏具有突发性, 而复合材料压力容器的生产中材料与基体有效结合, 可以使载荷平衡传递, 防止裂纹扩展, 提高了材料的断裂韧性, 从而提高了压力容器的抗压性能。
2.2 复合材料压力容器研究现状
目前, 复合材料压力容器正以独特的优势 (重量轻、结构效率高、失效形式安全、耐腐蚀性好) 在飞机、潜艇、火箭等运载工具及医疗方面广泛应用。
复合材料压力容器是复合材料技术在压力容器中的重要应用, 必将随着复合材料技术的发展而发展。因此, 在拓展复合材料压力容器应用范围的同时, 国内外都在加强复合材料压力容器方面的基础研究, 特别是在带内衬或无内衬压力容器的受力状态进行精确分析取得了一定成果。在对改进复合材料的成型工艺, 使碳纤维复合材料与其连接的金属材料成为整体, 达到最佳的性能指标。从而促进了复合材料压力容器在性能上的进步。
3 复合材料压力容器制造中质量控制要点分析
3.1 复合材料的选择
复合材料压力容器在某些服役工况条件下, 除了要有足够的强度外, 还应具备良好的气密性, 且与气体介质种类、压力有紧密联系。复合压力容器主要由内衬和纤维缠绕复合材料增强层组成。内衬材料的选取与复合材料的材料设计直接影响了压力容器的性能, 所以在设计复合压力容器前, 应根据压力容器的使用环境和用途等方面而定。谨慎选择复合压力容器的材料。
3.1.1 内衬材料
复合压力容器在高压作用下除了有足够的强度外, 还应有良好的气密性。但纤维增强树脂基复合材料气密性较差, 压力容器必须拥有能够密封的内衬。复合压力容器的内衬材料可以分为两类:金属材料和塑料材料。
3.1.2 纤维缠绕复合材料
1) 纤维材料
复合压力容器中复合材料缠绕层承担绝大部分的压力载荷, 纤维是复合材料的主要承载部分。目前常用的纤维增强材料有玻璃纤维、碳纤维、凯芙拉 (Kevlar) 纤维等, 主要产品形式为无捻粗纱。
2) 树脂粘结剂
树脂粘结剂起粘接纤维的作用, 以剪切力的形式向纤维传递载荷, 并保护纤维免受外界环境的损伤。主要有环氧树脂、酚醛树脂、聚酸亚胺树脂等, 目前常用的是环氧树脂, 它具有粘结力大, 制造工艺简单, 固化后收缩率小, 硬度高, 韧性好的特点。
3.2 复合材料设计与工艺
决定复合材料性能的不仅是增强纤维, 树脂基体也起着非常重要的作用。树脂基体的选择决定于纤维的种类和复合材料的性能要求, 对于复合材料压力容器所用树脂通常采用环氧树脂。在生产实践中, 应对复合材料的固化反应机理及固化反应动力学进行系统的分析研究, 在树脂配方的使用设计工艺时应充分考虑材料的配比、成本和性能等问题。
复合材料压力容器的设计通常采用网格理论, 但网格理论无法分析压力容器封头处的应力分布, 由碳纤维和芳纶纤维增强的压力容器又经常出现封头早期破坏形式, 因此, 分析复合材料压力容器封头处的应力分布, 从而给出合理的封头补强形式尤为必要。用有限元方法对复合材料压力容器封头处的应力分布进行有效的分析可给出合理的封头补强形式。
对于金属内衬复合材料压力容器的设计有别于橡胶或塑料内衬的压力容器。一方面, 金属内衬本身在工作的时候承受一定的拉应力;另一方面, 金属内衬容易出现早期或疲劳开裂破坏形式。
本文讨论了金属内衬的纤维缠绕压力容器设计方法, 通过应变控制准则, 有效的解决了压力容器的设计问题。同时通过对金属内衬断裂延伸率的提高, 预防了金属内衬的早期开裂, 提高了压力容器的疲劳寿命及可靠性。
3.3 压力容器焊接控制
编制压力容器焊接工艺时, 给出的焊接规范是一个范围, 这有利于焊工操作。但在实际焊接过程中, 焊接参数是一个给定值 (表值) 。有的制造厂在焊接检查记录中填写的焊接参数与焊接工艺一样 (是一个范围) 。这是不真实的, 也是不负责任的。因此, 焊接参数控制必须以焊机上的表读显示数值为准, 焊接记录也必须填写这个表示值。这一点应当予以足够的重视。焊接质量就是靠焊接参数来保证的。焊接参数记录不能反映实际情况, 甚至不按焊接参数施焊, 那后果不堪设想, 所以, 必须真实记录实际施焊参数。另外一个参数是焊接速度, 这是焊接过程中保证线能量 (焊接输入热) 的关键环节。在制造低温容器时, 要求焊工一根焊条在保证焊接质量的前提下, 尽量增加焊接长度。
3.4 热处理控制
压力容器制造过程中, 有时需要进行热处理。常见的热处理有下述几种:消除焊接残余应力热处理、正火热处理、调质热处理和固溶化热处理等等。不管哪种热处理, 均要控制加热 (升温) 、保温、降温三个阶段。应当强调的是, 在调质处理的淬火阶段和固溶化处理的降温阶段, 要有足够快的冷却速度。这个冷却速度, 一般根据钢的连续冷却曲线来确定。因此, 必须把握住这个至关重要的数值。可以采用喷淋淬火, 这比水池淬火冷却速度更快, 效果更好。
3.5 无损检测控制
无损检测就是我们通常称之为探伤。在压力容器制造过程中常用的探伤方法有射线、超声波、磁粉、渗透几种。这几种探伤方法可分别检测母材、焊缝、表面和近表面的缺陷, 确保压力容器的质量。
首先要明确设计要求的探伤方法及合格标准, 看其是否能执行, 有时也会出现图纸要求的特殊探伤方法。
其次, 无损检测往往实践经验显得更为重要。同一台仪器, 不同的人操作, 结果可能不一样。经验丰富的人, 往往正确准确, 特别是超声波探伤。
第三, 控制探伤仪器和器材的质量, 这对探伤结果的评定是至关重要的, 质量不好的器材, 会导致误判。
第四, 不断开发新技术, 为压力容器质量安全提供更多的保障技术和手段, 有的制造厂开发出长方形截面长形内压容器角对接焊缝射线探伤技术, 使这类承受高压力容器的角对接焊缝质量得到保证。
3.6 焊缝返修控制
3.6.1 焊缝返修必须编制返修工艺, 经焊接责任人审核后依据返修工艺进行返修, 对焊接接头的同一部位的返修次数超过2次以上的返修, 需经单位技术总负责人批准。
3.6.2 返修的现场记录应详细, 至少包括坡口型式、尺寸、返修长度、焊接工艺参数 (焊接电流、电弧电压、焊接速度、预热温度、层间温度、后热温度和保温时间, 焊材牌号及规格, 焊接温度等) 和施焊者及钢印等。
3.6.3 要求焊后热处理的压力容器, 应在热处理前焊接返修;如在热处理后进行返修, 返修后应再作热处理。
3.6.4 有抗晶间腐蚀要求的奥氏体不锈钢制压力容器, 返修部位仍需保证原有的抗晶间腐蚀性能。
3.6.5 压力试验后需返修的返修部位, 必须按原质量要求经无损检测合格, 由于焊接接头或接管泄漏而进行返修的, 或返修深度大于1/2壁厚的压力容器, 还需重新进行压力试验。
3.7 复合材料压力容器性能检测
如何获取复合材料压力容器制造过程信息, 提高其稳定性, 一直是复合材料压力容器工作者关注的重要课题。复合材料压力容器成型工艺过程中包含复杂的物理化学变化, 影响产品质量的因素十分复杂。传统的工艺过程控制无法得到加工材料内部状态变化的信息。光纤传感技术是近年来随着智能材料与结构在各行各业的广泛应用而兴起的一种全新的监测手段。光纤传感器具有体积小、重量轻、抗电磁干扰、信噪比高、测量对象范围广、与基体材料相容性好等特点, 最适合于埋入式测量, 因而使复合材料固化工艺过程的监测成为可能。
1.容器2.接头3.上部4.中部5.下部6.短纤维7.长纤维加强件
1.上部2.中部3、4金属环
根据复合材料的特点, 用多种手段对复合材料的工艺全过程、多种参量进行在线监控。将光纤智能化在线监测技术引入复合材料压力容器生产工艺中, 将大大提高复合材料成型工艺过程的效率, 提高产品质量和性能, 降低工艺成本。实时获取复合材料压力容器服役条件下的状态信息, 对提高结构安全与可靠性、降低维护成本以及理论模型的发展具有重要意义。通常所采用的一些复合材料结构的损伤检测方法成本较高, 设备复杂, 不能实时在线监测。迫切需要建立一种有效的复合材料结构在线监测系统, 实现快速、准确检测损伤的形成以及损伤的位置。因此, 将材料开发、力学设计与在线监测技术有机结合, 针对一些特殊的复合材料压力容器服役环境有必要采用氦检漏技术、声发射技术、高精度变形测量技术、光纤健康监测技术等, 建立一套满足复合材料压力容器使用性能评价方法, 为复合材料压力容器的工程应用提供相关的配套技术, 保障其在特殊环境应用的可靠性和安全性。
复合材料压力容器结构设计理论的发展, 薄壁金属内衬成型技术的创新, 缠绕成型工艺仿真技术的实现以及性能监测与评价体系的建立, 为最大化地优化了复合材料压力容器个方面性能, 解决了如航天, 深海潜水等科学。
4 复合材料压力容器的设计及其典型结构
4.1 复合材料压力容器的设计
复合材料压力容器一般采用纤维缠绕工艺方法制造, 由连续纤维提产品所需的强度和刚度。制造时一般采用延展性好的金属材料如铝、塑性塑料或橡胶傲内衬以满足容器的气密性能和疲劳性能要求。设计上一般采用网络理论, 进行网络分析。
网络理论认为由纤维连续缠绕而成的 (压力容器) 器纤维分布均匀, 同时受力, 不计基体刚度, 载荷全部由纤维承担。筒身可以进行螺旋缠绕、螺旋缠绕加环向缠绕、螺旋缠绕加纵向铺放、纵向铺放加环向缠绕。封头的形状不能预先给定, 必须通过计算决定, 且网络徽元必须以均衡型条件为前提, 只能进行螺旋或平面缠绕, 不能进行环向缠绕。通过网络分析获得缠绕纤维的缠绕方向、纤维厚度和纤维应力。
4.2 复合材料压力容器的典型结构
由于复合材料不同于钢材的制造工艺压, 不能在筒体上方便地开孔、接管等, 复合材料压力容器必须考虑复合材料的特有性能, 其结构的连接、密封等都有不同于钢材的方法。
图1介绍一个典型的轴对称圆柱形筒体复合材料压力容器的结构和制造过程。典型的压力容器通常由接头2, 上部3, 中部4和下部5构成, 6和7分别表示的是短纤维复合填料和长纤维复合加强件。图2表示的接头是由短纤维复合材料层包围的金属适配器, 用以连接管子、阀门等, 以便装载和排出物料, 由于复合材料不适合经常的螺纹装配, 需要使用金属。在这种情况下, 连接部分必须保证安全, 由短纤维和树脂组成的填料能够较好地填进槽中, 将长纤维加强件和金属适配器紧密地连接起来。
本例的容器下部是向内的, 这适合于低压的情况, 而向外则适合于高压的情况上部和中部、中部和下部之间通过金属环连接, 结构见图3。该结构的压力容器在制造时, 用工具钢或碳钢做模.模通常分为上、下两个部分, 严格定义内部空心部分的形状。将待成型的容器做成上面所述的形状, 化工装备在其内部放置一个用尼龙做成的袋子, 袋子端部有一个用以接受压缩空气的接头。然后将成型的容器放进模中, 通入压缩空气, 使得容器的材料膨胀, 紧贴模的内壁, 最终制成所需的容器。由经典的应力分析可知, 承受内压圆柱壳的周向应力、轴向应力和长度无关, 容器的容积可以在不影响应力的情况下通过改变而改变, 该结构的容器的改变是通过图3中所示的金属连接环的使用而实现。
结束语
复合材料压力容器生产技术的不断发展和复合材料结构设计理论、制备工艺、性能评价方法的不断突破, 使得复合材料压力容器性能越来越高, 从而能够适应更多的使用环境。社会经济的发展和全球化给我国压力容器行业带来了新的发展机遇, 同时也给复合材料压力容器的带来了新的挑战。作为生产者的我们应严格把好压力容器的生产质量关, 以身作则, 兢兢业业, 生产出优质、安全的产品, 为企业提高效益的同时, 为社会创造财富。
参考文献
[1]张天平.空间应用复合材料压力容器研制技术[J].上海航天, 2002, 3:54-62.
[2]陈建良, 童永光.复合材料在压力容器中的应用[J].压力容器, 2001, 18 (6) :47-50.
[3]廖英强, 刘勇琼.纤维缠绕压力容器的可靠性分析[J].宇航材料工艺, 2008 (6) :7-9.
[4].刘饧礼, 王秉权.复合材料力学基础[M].北京中国建筑工业出版社, 1984.
[5].张天平.空间应用复合材料压力容器研制技术[J].上海航天, 2002 (1) :54-58.
[6]蒙晓影.复合材料的特性及其力学性能的试验评价方法[J].赤峰学院学报, 2005, 21 (3) :77-77, 2007 (4) :54-57.
新材料与装备制造业的盛会 篇11
中国工程院院士、中国科协副主席、中国科协常委会促进企业自主创新专门委员会主任刘玠主持开幕式和主题报告会。刘玠指出，对于企业而言，创新就是利用科学技术，不断推出产品新的使用价值和降低产品生产成本，获得市场竞争优势。面对日趋激烈的全球市场化竞争，企业必须加快提高认识能力和实践能力，促进整体创新能力提升，获取发展的不竭动力。
中国科协书记处书记张勤在开幕式上致辞，并作了题为“知识产权的基本理论与国家战略”的报告。张勤表示，在建设创新型国家的进程中，科技工作者队伍不断发展壮大。中国科协肩负着党和国家团结、带领广大科技工作者建设创新型国家的神圣使命。作为党和政府联系科技工作者的桥梁纽带，科协将倾心建好科技工作者之家，倾情当好科技工作者之友。中国科协八届二次全委会强调，要着力加强学科建设，紧紧围绕传统产业转型升级、战略性新兴产业培育的前沿问题，以增强自主创新能力为导向，以搭建产学研用合作平台为依托，引导科技工作者围绕制约我国产业升级的核心技术、关键技术和共性技术努力攻关，为加快转变经济发展方式提供坚实的科技支撑。
江苏省委常委、副省长、无锡市委书记黄莉新在开幕式上致辞。她指出，科技创新是转变经济发展方式、提高国际竞争力的主导力量和不竭源泉。走创新驱动的科学发展道路，已经成为一个国家、一个地区破解资源环境约束难题、构筑战略新优势的必然选择。近年来，江苏省深入实施创新驱动战略，以科技创新工程为抓手，加快建设创新型省份，企业自主创新能力和竞争力显著增强，有力促进了经济转型升级。无锡市紧紧围绕建设“东方硅谷”目标，坚持创新驱动不动摇，深入推进国家创新型试点城市建设，强化企业自主创新的主体地位，积极实施引进海外归国领军型科技人才的“530”计划，大力引进国内外科技创新创业领军人才和团队，切实加大科技创新投入力度，科技创新对经济发展贡献度明显提高，成为全国科技创新先进城市、国家传感网创新示范区、国家海外高层次人才创新创业基地。
中国工程院院士、中国金属学会名誉理事长翁宇庆以“发展特殊钢促进装备制造业发展”，中国工程院院士、中国工程院工程管理学部主任王基铭以“石油石化工业发展与材料装备业的需求”，中国工程院院士、教授级高工、博士生导师陈蕴博以“微合金非调质钢的研究与应用进展”为题，分别作了论坛主题报告。专家们结合特钢及其产业链发展现状，提出科技创新的关键问题。专家指出，中国装备制造业不断进步，为特钢行业的发展提供了难得的机遇和广阔的平台。促进高品质特殊钢产业与相关制造领域的交流与合作，对推动我国新材料与装备制造业发展有着重要意义。
论坛特邀三一重工股份有限公司执行总裁易小刚、中信泰富特钢集团江阴兴澄特种钢铁有限公司总工程师李国忠、中信泰富特钢集团湖北新冶钢有限公司副总经理王治政、中国汽车工程研究院副总工程师马鸣图、中国船舶重工集团公司第七二五研究所副总工程师张俊旭、国家核电上海核工程研究设计院副总工程师沈秋平、中国商飞上海飞机设计研究院金属材料室主任李红萍等企业代表作专题报告。会议期间，与会专家代表参观了江阴兴澄特种钢铁有限公司，并与一线工作人员进行亲切交谈，共同交流业务问题。
一位业内人士称：高品质特殊钢是我国战略性新兴产业发展的重要材料基础，也是衡量钢铁强国的重要标志。与发达国家相比，中国特钢行业的差距在集约化、专业化、高效化等方面，成为长期以来制约我国制造业发展的瓶颈。这次论坛的举办，为科学家与企业家、政府与企业搭建了一个难得的交流平台，也为企业推进产学研用相结合创造了极好的机会。
爆炸复合板设备的制造技术 篇12
近年来, 随着石油、化工等重腐蚀行业的发展, 常规材料已经不能满足腐蚀较严重场合, 越来越多的工艺装置不得不采用复合板来制造各种设备。用特种耐蚀有色金属作为复层, 基层材料采用碳钢, 两者经爆炸复合后制造的设备, 不仅对工艺介质具有抗腐蚀性能, 而且还能满足结构和强度要求。对于耐腐蚀性介质, 选用复合板不仅充分利用了基层和复层材料各自的优点, 而且还极大地降低了设备一次投资成本。考虑到复层材料往往都是价格比较昂贵的稀有金属材料, 有些复层材料与基层材料不具有优良的异种金属焊接性, 用复合板材料制造设备要比单一材料制造设备的过程、工艺及质控手段要复杂得多。
目前我国用复合材料制造化工设备主要以焊接为主, 在制造时存在的问题也相对较多。处理这些技术难题, 工艺手段与方法是否得当, 关系到成型设备的综合性能能否达到设计要求的关键所在。本文作者将结合自己的工作实践从材料控制、结构选用、焊接方法及检验手段等方面进行详细剖析, 力争使制造者在遇到类似问题时能迎刃而解。
1 材 料
复合板按组成的材料可划分为钛-钢复合板、锆-钢复合板、铜-钢复合板、镍-钢复合板、钢-钛-锆复合板、钢-钛-锆-钽复合板等;按其复合层材料与基层材料的层数可划分为两层复合板, 三层复合板以及四层复合板;按其成形方法可划分为爆炸复合板和轧制复合板等。选用正确的复合方式, 正确的复合层数, 直接关系到复合板的成型质量, 关系到制造成型后的设备力学性能、抗腐蚀性能并且是否满足设计要求。以钢-钛-锆复合板来举例, 基层材料为中等强度的容器用钢采用爆炸复合时, 可以得到良好的复合质量;若当基层材料为强度高或者基层厚度超过10mm, 爆炸复合难度相应加大, 此时应在锆和钢之间增加1层厚度为2～6mm钛层作为过渡层, 才能保证复合板的质量。由此可以看出, 不管采用是几种复合材料;什么样的复合方式, 还是多层复合结构, 都必须要根据材料的特性和工艺的制造要求而定。
目前, 国内压力容器行业多采用是爆炸复合板。那么如何才能确保复合板的质量符合化工设备的工艺要求呢?笔者推荐应从以下几个方面进行考虑:
1) 要确保爆炸复合板的基层与复层的贴合率要满足相关标准的要求;
2) 在制造前必须用超声波对复合板的贴合率进行复验;
3) 对于复层材料钛、锆、镍等贵金属有色材料应避免与钢材料接触, 防止铁离子污染。在制造前对复合板进行铁离子污染试验, 是保证材料质量的又一重要的环节。
说明:下文所述复合板仅指复层和基层不能焊接的爆炸复合板, 不锈钢爆炸复合板除外。
2 结 构
复层金属与基层金属采用熔化焊时, 会在熔合区形成脆性金属间化合物, 这种脆性金属间化合物和低熔点的共晶体将会提高材料的强度, 而大大降低材料的塑性, 会直接影响到焊接接头的力学性能。再由于复层与基层金属存在热物理性能差异, 如焊接时会造成焊接接头冷却过程中收缩不均, 形成较大的焊接内应力, 严重时甚至会产生焊接接头开裂。可见, 复层与基层金属直接采用熔化焊是不可能的。
2.1 复合板对接
图1所示为复合板对接焊接接头型式。常用的型式主要分为两种:图1a平压条型式;图1b欧姆型压条型式。图1a型式一般用于常温常压等条件不太苛刻的工况;图1b常用在高温高压等条件苛刻的场合。这两种型式的焊接型式都是互不相熔的间接焊接接头, 即复层、基层各自进行焊接, 复合层间互不熔合。基层材料的坡口要根据厚度而定, 一般常采用X型、V型。在焊接基层材料前, 需要将基层表面焊接区域内的复层去除。待基层对接焊接完成, 方才可以用填充条填充去除复层材料后所遗留的空缺部分。填充条的作用是在压条后面提供机械支撑, 以便抵挡内部介质造成的压力。填充条压紧后, 用压条结构将复层金属结合起来。在压条结合之前, 必须在基层对接接头处钻出通气孔。检漏嘴的结构型式如图2所示。其可以为盖板焊接时在背面提供氩气保护, 也可作为设备检漏系统中检漏孔用。
2.2 法兰盖
法兰盖复合结构大致分为两种类型。图3a所示的结构型式为爆炸方式复合, 一般用于操作条件比较苛刻的场合。对于负压工况, 笔者推荐使用图3a的结构;图3b衬里结构型式, 用与复层材料相同材质的埋头螺钉将复层固定在基层上, 螺钉端部用氩弧焊将其与复层密封焊。复层周边采用银钎焊, 银被熔化后封闭了复层与基层间的缝隙。此处银钎焊只起密封作用, 不能做强度结构使用。法兰盖背面开有通气孔, 以提供氩气保护。图3b结构制作相对简单, 成本较低, 一般用于操作条件相对较低的场合, 负压工况不推荐使用。
2.3 接管
压力容器对外管口复合结构主要分为两种。一种图4a图4b衬里结构型式;图4c复合板卷制结构;
图4a、图4b一般用于直径较小, 不宜采用复合板进行卷制的接管;图4c常用于直径较大的, 能用复合板卷制的接管。需要提请注意的是, 不管采用何种结构型式, 都必须保证壳体直径大于等于400mm, 否则接管内口与壳体之间就不能采用衬圈或翻边结构进行连接。
图4a接管内衬管伸入壳体复层内表面一定的高度, 在内衬管外套入一个宽度为50mm的衬环, 厚度一般同接管衬管厚度。衬环与壳体复层进行搭接焊, 与内衬管角焊。这种结构制作方便, 可用于操作压力和温度不高的复合设备上。图4b是在壳体衬里后, 将钢管与壳体焊接, 再装入内衬管 (可热套或冷套) , 然后用手工翻边与壳体衬里焊接, 值得注意的是考虑到手工翻边的不易性, 翻边的宽度一般控制在10～15mm。图4c是复合板制接管的翻边结构。接管用复合板卷制而成, 然后内套一个厚度不少于筒体复层厚度、宽度约为50～100mm的衬环, 衬环外边与壳体复层搭接焊, 然后衬环向接管内翻边并与接管复层进行搭接焊。当然此种结构变通一下, 也用于衬里结构形式。也就是衬环向接管内翻边与接管衬里层对接焊。值得注意的是, 不管采用图4中哪种结构型式, 在搭接区域内的壳体或接管基层都应该钻一个通气孔, 以便背面氩气保护, 检漏嘴结构型式如图2所示。
2.4 法兰
衬环法兰密封面连接结构常用的有下图5所示的三种结构。图5a为两面角焊缝的未焊透结构;
图5b、5c为全焊透结构。
图5a结构双面角焊缝在焊接过程中两焊缝密闭的空隙中易留有空气或保护气。在设备操作时, 空隙中的气体受热膨胀, 极易造成焊缝开裂而发生工艺介质泄漏, 从而引起事故发生。在图外的项目中经常用到图5b、图5c两种结构。图5b采用的是双面焊结构;图5c是带不可拆垫环的单面焊结构。从投入运行设备管口的腐蚀分析看, 这两者焊缝热影响区的金属都极易发生间隙腐蚀。
图5d、图5e这两种结构可以避免了图5a、图5b、图5c结构上述的缺陷。制造简单, 组装方便, 成本相对较低, 同时也能保证衬环与接管复层间有足够的连接强度。
3 焊 接
选定了受压元件的复合结构型式, 还离不开好的焊接方法。好的焊接方法与手段可以提高设备的使用安全、抗腐蚀能力;不好的焊接技术将会加速介质对设备材料腐蚀, 减少设备使用寿命, 还有可能引起安全事故。所以复合板焊接对在整台设备制造过程中也是重中之重。
由于复层材料与基层材料的不可焊性, 在确定合理的焊接结构之后, 如何选择正确的焊接方法与工艺直接关系到设备的最终质量。一般来说, 复合板的焊接次序是先对基层材料进行焊接, 优选用TIG焊接方法。焊接基层材料时焊接线能量不宜太大, 过大的焊接线能量会使复层材料因温度过热而发生氧化反应, 复合板界面结合强度下降和基层与复层材料脱离等问题。基层材料焊接时尽量在基层侧进行焊接, 避免在复层侧焊接时飞溅物对复层材料造成污染。必要时可在基层钢焊接时第一道焊缝采用单面焊, 双面成形。基层材料焊接完成后, 打磨复层侧焊缝余高至母材表面平齐, 经外观、探伤检验合格后, 方才可以焊接复层材料。焊接复层应选用钨极氩弧焊 (氩气纯度为99.99%) 。在焊接同时, 还需专人负责用氩气对焊道的进行保护。焊接过程中还应严格控制焊接电流和层间温度。值得注意的是所有焊接工作都必需在正确的PQR与WPS指导下进行。
4 问题与对策
多年来, 从客户反馈的信息来看, 复合板制设备发生泄漏的问题主要集中在复层焊缝贴条处与管口衬环与接管复层连接处的焊缝开裂。经过分析, 复合板制设备发生泄漏的原因主要分为以下几个方面:
1) 焊缝存在裂纹、气孔、咬边等缺陷。
2) 复层材料与基层材料热膨胀系数不同, 复层材料与基层材料之间的存在热应力。
3) 焊接过程中, 焊工未能严格按照WPS进行操作, 焊接线能量较大。
4) 复层材料在焊接过程中未得到可靠的氩气保护。
5) 对复合板制设备焊缝的检验没有引起足够的重视。
设备制造过程中应充分考虑到复合板材料的特殊性。焊接前, 必须应按规范要求进行焊接工艺评定。焊接过程中, 应严格按照WPS的要求进行, 控制好焊接线能量。对复层材料必须采取氩气保护, 以避免复层材料因温度过大而产生氧化。焊接完成后, 应对焊缝表面进行严格的外观检查, 焊缝表面不应该存在裂纹、咬边、焊瘤等缺陷。对焊缝进行一系列常规 (RT、UT、PT) 检查外, 根据设备的重要程度, 可增加肥皂泡检漏、氨气检漏法、氦质谱仪试验、氦质谱仪泄漏试验等。情况特殊时, 也可对焊缝提出耐久性试验要求, 对设备进行热气循环试验。
5 结 语
在设备设计时选用合适的结构型式, 提出合理的制造、检验要求;把好原材料质量关;严格按照制造工艺、焊接作业指导书进行组配、焊接;按要求对设备进行各项检验。从严控制好所有质控点, 确保产品综合性能都满足设计预期效果。
摘要：复合板制设备具有材料特殊、结构复杂、制造难度大、技术要求高等特点。通过对原材料的质量控制, 各受压元件复合结构合理的选用, 分析制造中存在技术问题及难点, 采取相应的制造工艺及检控手段, 保证成型设备综合性能达到最佳。