小型固體發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室絕熱層氣囊自動(dòng)膨脹加壓粘貼成型工藝*

鄭光虎，余小波，李 添，何永祝，侯宇輝，凌 玲

(湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所，襄陽(yáng) 441003)

0 引言

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中，絕熱層在高溫高壓燃?xì)獾臎_刷燒蝕下起到保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的作用。大多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室采用低密度，低燒蝕率的柔性橡膠絕熱層，成型方式主要為手工貼片[1-4]。在燃燒室絕熱生產(chǎn)中，根據(jù)燃燒室殼體尺寸、絕熱層設(shè)計(jì)指標(biāo)及要求，可以選用芯模熱膨脹成型工藝[5]、擠脹成型工藝[6]或氣囊加壓成型工藝[7-9]等方法。這些工藝方法需要對(duì)絕熱層施加成型壓力， 促進(jìn)膠粘劑向絕熱層中滲透和擴(kuò)散，增強(qiáng)絕熱層/膠粘劑/殼體的吸附粘接能力[9]。其中的加壓方式、加壓壓強(qiáng)的大小作為絕熱成型工藝的關(guān)鍵要素，是絕熱成型工藝改進(jìn)中的一個(gè)重要方向。

本文在氣囊加壓成型工藝的基礎(chǔ)上，提出了一種新型的氣囊自動(dòng)膨脹加壓絕熱粘貼成型工藝，該工藝加壓裝置為普通的真空烘箱，加壓壓力約1 atm，可同時(shí)為絕熱層/殼體界面提供合適的真空度，避免粘接界面脫粘、裹氣。該工藝方法適合于小型發(fā)動(dòng)機(jī)的快速絕熱制造。

1 指標(biāo)要求和實(shí)施途徑

1.1 技術(shù)指標(biāo)

(1)對(duì)某大長(zhǎng)徑比小型發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室進(jìn)行通體絕熱，絕熱層外徑為60 mm，厚度為1～2 mm，見圖1；

(2)殼體/絕熱層，絕熱層/人工脫粘層粘接強(qiáng)度不小于2 MPa；

(3)殼體/絕熱層粘接界面不允許有脫粘、裹氣；

(4)尾部絕熱層端面到尾部殼體端面長(zhǎng)度11 mm。

圖1 某發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室絕熱殼體Fig.1 Diagram of the insulated shell of SRM

1.2 絕熱成型方案分析

該發(fā)動(dòng)機(jī)殼體為硬鋁合金材料，長(zhǎng)徑比大且為兩端收口結(jié)構(gòu)，不適合選用芯模熱膨脹成型和擠脹成型工藝。該結(jié)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)適用氣囊加壓成型工藝，具體過程為在160 ℃將人工脫粘層和絕熱層模壓完全硫化成預(yù)制件，其中將絕熱層分解為兩段分別模壓。對(duì)殼體和預(yù)制件噴砂后，在殼體表面刷涂底漆和膠粘劑，以殼體頭部R端和尾部坡臺(tái)為基準(zhǔn)定位，分別將頭部預(yù)制件和尾部預(yù)制件貼放于殼體內(nèi)，兩段絕熱層之間采用搭接連接方式，搭接位置設(shè)置于人工脫粘層粘貼區(qū)域，搭接位置回填料選用耐燒蝕環(huán)氧材料。在人工脫粘層粘貼區(qū)域刷涂膠粘劑后以頭部絕熱層R端為基準(zhǔn)定位貼入絕熱層上。為殼體內(nèi)提供一定的真空度，給氣囊加壓，使絕熱層粘貼到殼體上成型，殼體與絕熱層之間的公差配合通過預(yù)制件的彈性形變來消除。與傳統(tǒng)的氣囊加壓成型工藝不同的是本文使用真空烘箱作為加壓裝置，利用封口密閉氣囊在真空中自動(dòng)膨脹向四周加壓的原理將絕熱層預(yù)制件粘貼到殼體上。氣囊自動(dòng)膨脹加壓原理示意圖見圖2。

氣囊自動(dòng)膨脹加壓工藝具體過程為將模壓硫化的絕熱預(yù)制件貼壁放入刷涂好膠粘劑的殼體內(nèi)，依次裝填氣囊，裝配定位工裝后將氣囊氣嘴堵住密封，將整個(gè)殼體放入真空烘箱中，一定時(shí)間后取出完成絕熱成型。

圖2 氣囊自動(dòng)膨脹加壓原理示意圖Fig.2 Diagram of the automatic expansion pressurefrom airbag

在真空烘箱中，絕熱層受到的壓力=1個(gè)室溫大氣壓p-真空烘箱真空度+熱膨脹壓力Δp。氣囊裝填前充滿空氣即為1 atm。真空烘箱提供真空能力的強(qiáng)弱決定了燃燒室殼體內(nèi)真空度的大小，以ZK025B電熱真空烘箱為例，箱體內(nèi)真空度能達(dá)到267 Pa。成型過程中，膠粘劑的固化需要一定溫度。成型過程中固化溫度T2=100 ℃，室溫T1=20 ℃，固化設(shè)備ZK025B電熱真空烘箱，按照理想氣體狀態(tài)方程pV=nRT計(jì)算出熱膨脹壓力Δp=(T2-T1)/(273+20)×p=27 665 Pa，絕熱層受到的壓力為128 723 Pa。

相比于傳統(tǒng)的氣囊加壓成型工藝，氣囊自動(dòng)膨脹加壓成型工藝加壓介質(zhì)由高壓空氣替換為常壓空氣，減少了生產(chǎn)操作的危險(xiǎn)因素和生產(chǎn)能耗。成型設(shè)備由特制的預(yù)壓烘箱替換為真空烘箱，不用擔(dān)心外界氣體進(jìn)入殼體，省去了殼體的密封處理。新的加壓方式不需要管路，真空烘箱箱體的空間能得到充分利用，單批次最多絕熱殼體個(gè)數(shù)要遠(yuǎn)大于預(yù)壓烘箱，對(duì)于批量生產(chǎn)的小型殼體而言，這種優(yōu)勢(shì)更能得到體現(xiàn)。

2 氣囊自動(dòng)膨脹加壓絕熱成型工藝關(guān)鍵點(diǎn)

2.1 硫化預(yù)制件與殼體的匹配性、預(yù)制件厚度

絕熱層硫化后存在一定的收縮率，設(shè)計(jì)模壓模具時(shí)須考慮絕熱層材料的收縮率[3-4]。預(yù)制件過大，貼合后絕熱層存在褶皺，鼓包，預(yù)制件過小，絕熱層難以貼合，易脫粘。由于殼體與絕熱層之間的公差配合是通過預(yù)制件的彈性形變來消除的，所以絕熱層厚度不能過厚，否則通過氣囊自動(dòng)膨脹產(chǎn)生的內(nèi)壓力無(wú)法抵消因預(yù)制件彈性形變?cè)斐傻膲毫ο模辰咏缑娌荒塬@得粘接所需壓緊力，易造成界面脫粘。

對(duì)絕熱層厚度與消耗壓力的關(guān)系進(jìn)行建模計(jì)算。由1.2節(jié)計(jì)算結(jié)果可知絕熱層受到壓力為128 723 Pa，設(shè)定粘接界面受到的壓力為101 325 Pa，那么絕熱層預(yù)制件彈性形變?cè)试S消耗的最大壓力為27 398 Pa。該燃燒室殼體內(nèi)徑加工最大公差為0.2 mm，殼體與絕熱層之間最大配合間隙可認(rèn)為0.2 mm。

絕熱層變形在彈性范圍內(nèi)。絕熱層楊氏模量為6.1 MPa，泊松比為0.49。絕熱層外徑尺寸φ60 mm，受壓膨脹到60.2 mm與殼體粘接后，絕熱層外表面即粘接界面還受到0.1 MPa的壓力，絕熱層膨脹消耗的壓力由氣囊內(nèi)氣體的熱膨脹的壓力增值提供。計(jì)算模型設(shè)定：彈性變形模型、3D建模、網(wǎng)格采用四面體劃分。計(jì)算完成后，獲得了絕熱層厚度與內(nèi)壁壓強(qiáng)關(guān)系圖，結(jié)果如圖3所示。

圖3 絕熱層厚度與內(nèi)壁壓強(qiáng)關(guān)系Fig.3 The relationship between the thickness of the insulation layer and the required pressure

根據(jù)計(jì)算結(jié)果獲得絕熱層厚度與壓強(qiáng)關(guān)系如下：

δ=52.11 lnp+ 112.6

式中δ為絕熱層厚度，mm；p為絕熱套內(nèi)壁壓強(qiáng)，MPa。

將128 723 Pa代入公式計(jì)算得出厚度δ=5.8 mm。本案例中允許絕熱層最厚值為5.8 mm?？紤]到實(shí)際絕熱粘貼的常用的最高溫度為200 ℃，熱膨脹后，最大壓力約為0.16 MPa，對(duì)應(yīng)的厚度δ值為17.1 mm。同時(shí)，TI116絕熱層楊氏模量較小，當(dāng)使用的絕熱層硬度高，楊氏模量較大時(shí)，所能應(yīng)用的絕熱層最厚值要小于17.1mm。因此，氣囊自動(dòng)膨脹加壓絕熱成型工藝主要適用于絕熱層厚度較薄的小型發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室。

當(dāng)δ=0 mm時(shí)，可得對(duì)應(yīng)的p=115 325 Pa，對(duì)應(yīng)的熱膨脹溫度值為60 ℃。因此,本工藝方法保證粘接可靠的最低條件是熱膨脹溫度不能低于60 ℃，否則無(wú)論絕熱層多薄也不能保證粘接界面存在足夠壓力。

2.2 膠粘劑固化參數(shù)的確定

文中發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室絕熱層選用TI116丁腈絕熱層，730丁腈-酚醛膠粘劑。由于絕熱層在粘貼前已經(jīng)模壓硫化，粘貼過程僅僅涉及到膠粘劑的固化。燃燒室設(shè)計(jì)要求限制了殼體最高絕熱溫度為100 ℃，在此以最高溫度100 ℃為膠粘劑固化溫度，膠粘劑的固化壓力為氣囊自動(dòng)膨脹的壓力(1 atm)，膠粘劑的固化時(shí)間需要確定。100 ℃、1 atm下的膠粘劑固化時(shí)間對(duì)殼體/絕熱層粘接強(qiáng)度影響見圖4 。

粘接測(cè)試執(zhí)行中國(guó)航天科技集團(tuán)公司第四研究院院標(biāo)準(zhǔn)Q/G 173—2008《固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室界面粘接強(qiáng)度測(cè)試方法——φ25 mm試樣拉升法》，制備φ25 mm試件，試件固化壓力由不同重量金屬壓陀保證，壓陀質(zhì)量=固化壓力×φ25 mm試件粘接面積/重力加速度。試件拉伸測(cè)試儀為美國(guó)INSTRON 4502材料試驗(yàn)機(jī)，測(cè)試?yán)俾蕿?0 mm/min，溫度為20 ℃。

圖 4 730膠粘劑固化時(shí)間對(duì)殼體/絕熱層粘接強(qiáng)度的影響Fig.4 The influence of the bonding strength of the shell/ insulation by the curing time of 730 adhesive

從圖4可看出，隨著固化時(shí)間的增加，殼體/絕熱層粘接強(qiáng)度逐漸變大，當(dāng)730膠粘劑固化3 h后，殼體/絕熱層粘接強(qiáng)度超過2 MPa，達(dá)到指標(biāo)要求。從圖4中還可看出，當(dāng)指標(biāo)要求小于2.5 MPa時(shí)，選用0.1、0.6 MPa固化壓力對(duì)殼體/絕熱層粘接強(qiáng)度影響不大，730膠粘劑的固化速率不變。當(dāng)固化時(shí)間超過4 h后，不同固化壓力下，試件粘接強(qiáng)度出現(xiàn)不同：0.1 MPa固化壓力下，粘接強(qiáng)度穩(wěn)定在2.5 MPa；0.6 MPa固化壓力下，粘接強(qiáng)度仍隨著固化時(shí)間的延長(zhǎng)而變大，固化10 h未飽和。

絕熱層粘貼過程中，壓力的存在能保證膠粘劑向絕熱層中擴(kuò)散滲透，提高絕熱層/膠粘劑/殼體粘接強(qiáng)度。固化時(shí)間小于4 h，730膠粘劑本體固化強(qiáng)度低。所以，拉伸強(qiáng)度受固化壓力影響不大。當(dāng)固化時(shí)間超過4 h后，隨著固化時(shí)間的延長(zhǎng)，0.1 MPa固化壓力下，730膠粘劑本體固化強(qiáng)度越來越高，但膠粘劑向絕熱層中擴(kuò)散滲透程度較小，絕熱層/膠粘劑/殼體粘接強(qiáng)度較低。由于0.6 MPa固化壓力下，730膠粘劑向絕熱層中擴(kuò)散滲透程度高，絕熱層/膠粘劑/殼體粘接強(qiáng)度要高0.1 MPa固化壓力下粘接強(qiáng)度。超過4 h后，在固化壓力0.6 MPa下，粘接強(qiáng)度值并未飽和，是由于TI116絕熱層本體在100 ℃存在一定的后硫化行為，與730膠粘劑本體強(qiáng)度同時(shí)增高。這與粘接試件絕熱層內(nèi)聚破壞的結(jié)果相吻合。

在測(cè)試絕熱層/人工脫粘層(熟膠/熟膠)粘接試件結(jié)果發(fā)現(xiàn)：730膠粘劑固化3 h時(shí)，熟膠/熟膠粘接強(qiáng)度大于2.0 MPa。該測(cè)試結(jié)果確定出自膨脹加壓粘貼工藝730膠粘劑的固化時(shí)間，并從理論上論證了在一定指標(biāo)要求范圍內(nèi)，自膨脹加壓粘貼工藝的可行性。

2.3 粘接界面的真空環(huán)境

粘接界面的真空環(huán)境受到真空烘箱真空能力，730膠粘劑初粘力的影響。真空烘箱必須具備一定的真空能力，否則粘接界面氣體難以完全去除，導(dǎo)致脫粘，裹氣的發(fā)生。730膠粘劑具有較強(qiáng)的初粘力，φ25 mm初粘試件拉伸強(qiáng)度達(dá)0.23 MPa，絕熱層預(yù)制件直接貼入殼體后，與殼體粘貼較緊，界面的氣體很難通過抽真空除盡。在70～80 ℃烘箱中，對(duì)刷涂到殼體后的730膠粘劑進(jìn)行預(yù)烘處理20～30 min后取出室溫冷卻1 h，730膠粘劑初粘力明顯降低，絕熱層預(yù)制件貼入殼體后不直接與殼體粘貼，界面的排氣通道暢通，氣體容易除盡，能夠有效避免粘接界面的局部脫粘和裹氣。

3 實(shí)施效果

采用氣囊自動(dòng)膨脹加壓絕熱成型工藝后，完成數(shù)十發(fā)該型燃燒室殼體的絕熱，絕熱層厚度及端口配合尺寸符合要求，模壓模具型腔尺寸保證了絕熱層的厚度，尾部定位工裝長(zhǎng)度尺寸保證了尾部絕熱層端面到尾部殼體端面長(zhǎng)度尺寸。測(cè)量尺寸及要求尺寸見表1。超聲波探傷結(jié)果表明直筒段殼體/絕熱層粘接界面無(wú)脫粘，真空負(fù)壓檢驗(yàn)結(jié)果表明粘接界面無(wú)裹氣，見圖5。

表 1 尺寸要求及實(shí)測(cè)尺寸Table1 Size requirements and measured dimensions mm

圖5 絕熱殼體真空負(fù)壓檢驗(yàn)Fig.5 Vacuum negative pressure test of an insulated case

裝藥完成后，對(duì)殼體進(jìn)行X射線實(shí)時(shí)成像探傷，進(jìn)一步觀察殼體頭部R端和尾部臺(tái)階處絕熱層粘接情況，見圖6。由圖6可看出，殼體頭部R端和尾部臺(tái)階處絕熱層粘接良好，粘接界面無(wú)低密度脫粘層或裹氣。

(a)殼體頭部R端

(b)殼體尾部臺(tái)階處

4 結(jié)論

(1)氣囊自動(dòng)膨脹加壓絕熱粘貼成型工藝具有粘接可靠、生產(chǎn)效率高的特點(diǎn)。相比于傳統(tǒng)氣囊加壓工藝，節(jié)省了殼體的密封處理和管路連接/拆卸時(shí)間和人力，平均每發(fā)殼體絕熱節(jié)省人工約0.8 h。在滿足粘接強(qiáng)度指標(biāo)情況下，可完全取代傳統(tǒng)的氣囊加壓絕熱成型工藝。

(2)絕熱套在膨脹過程中需要消耗壓力，消耗的壓力受到殼體加工精度，絕熱套的厚度和絕熱層本體楊氏模量等因素的影響，因熱膨脹提供的壓力增量有限，所以該工藝方法僅適用于小型發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的快速高效絕熱成型，并且硫化粘貼溫度不能低于60 ℃。