大尺寸、超薄金属内衬的复合材料压力容器的制造方法技术

大尺寸、超薄金属内衬的复合材料压力容器及其制造方法，它涉及一种复合材料压力容器及其制造方法。本发明专利技术解决了在飞行器中，采用全金属压力容器存在重量大问题及采用现有工艺技术无法加工大尺寸、超薄金属内衬的压力容器问题。内衬１由铝镁合金材料或纯铝材料制成，内衬１的厚度δ为０．５～１．８ｍｍ、直径Φ为７００～１０００ｍｍ；内衬１的左封头１－２和右封头１－３为三点圆形封头形状，内衬１是通过旋压左封头１－２和右封头１－３、热处理、机械加工、筒身１－１的焊接及左封头１－２和右封头１－３与筒身１－１端头的焊接、整体焊接五个步骤制造完成。用本发明专利技术所述方法可以制造出重量轻、气密性好、强度高、尺寸大的复合材料压力容器。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种复合材料压力容器及其制造方法，具体涉及一种。
技术介绍
在航天领域中，飞行器的重量是评价飞行器整体性能的一个十分重要的指标。20世纪60年代以前，飞行器中所用到的压力容器，多数是采用传统的全金属容器，这种压力容器能很好的解决高压液体和气体的泄漏问题。受材料本身性能的限制，全金属容器的重量远远不能达到“轻质”的标准，80年代中期，生产出了高性能碳纤维，它具有非常高的比强度，适合于生产轻质量、高强度的压力容器。但是，由于碳纤维复合材料层板具有较高的渗透性，不能长时间贮存高压液(气)体或者低压气体。因此，贮存高压液(气)体或者低压气体的复合材料压力容器必须设计一个内衬，以保证其气密性，防止贮存物泄露。由于压力容器的性能指标(PV/W)会随着内衬重量的增大而降低，所以，对用于贮存低压气体和液体的压力容器来说，通常使用弹性体内衬或聚合物内衬，这些内衬是非结构件，不承受载荷作用，但可减少压力容器的整体重量；对于高压液体或气体贮存物，通常使用不同的金属做内衬，根据具体的设计要求，金属内衬可以是结构件也可以是非结构件。追求轻量化是航空航天领域一个永恒的目标，而复合材料高压容器在具有高强度及可重复使用等优良的性能的同时，又具有轻质的特性，所以，这对减轻发动机的重量具有重要意义。贮存高压气体的复合材料压力容器，目前主要有两种基本技术其一为铝内衬的碳纤维/环氧复合材料压力容器，其二为承载内衬(如不锈钢、钛合金等)的凯夫拉纤维/环氧复合材料压力容器。其中，铝内衬的碳纤维/环氧复合材料压力容器是目前最流行的技术，但这种技术也存在如下缺点因为纤维的弹性变形能力远远大于铝内衬的弹性变形能力，铝内衬在每次压力循环中都会屈服，压力容器的循环寿命因此被限制在100次左右，铝内衬的承载能力很小，受加工工艺的限制，目前为止只能制造出内衬板厚在2.5mm左右的小尺寸的压力容器，这样就存在着重量大、加工成本高的问题。对大尺寸、超薄金属内衬的压力容器无法加工制造，所以有必要对压力容器的结构及制造工艺进行优化设计，充分发挥材料的潜力，在满足性能要求的前提下，尽可能地减少其无效重量，达到轻量化及降低成本的目的。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决在飞行器中采用全金属压力容器存在重量大的问题，以及采用现有工艺技术只能加工出金属内衬厚度在2.5mm左右的小尺寸碳纤维/环氧复合材料压力容器，而对大尺寸、超薄金属内衬的压力容器无法加工的问题，从而提供了一种。它由内衬1、左法兰盘2、右法兰盘3和碳纤维复合材料层4组成；内衬1的中心轴线左端的左封头1-2上用惰性气体焊接有左法兰盘2，内衬1的中心轴线右端的右封头1-3上用惰性气体焊接有右法兰盘3，内衬1的外表面缠绕有碳纤维复合材料层4，内衬1的外表面与碳纤维复合材料层4粘接；所述的内衬1的厚度δ为0.5～1.8mm，内衬1的直径Φ为700～1000mm；内衬1的长度L为1900～2500mm；所述的内衬1采用铝镁合金薄板坯或纯铝薄板坯制成；所述的左封头1-2和右封头1-3为三点圆形封头形状，内衬1是通过旋压左封头1-2和右封头1-3、热处理、机械加工、内衬1的筒身1-1的焊接及左封头1-2和右封头1-3与筒身1-1端头的焊接、内衬1的整体焊接五个步骤制造完成；所述的碳纤维复合材料层4是碳纤维/环氧缠绕层，即将环氧树脂与酸酐固化剂、苄基二甲胺按照重量配比1∶0.08～0.1∶0.005～0.006的比例混合成胶状，然后将浸胶后的碳纤维在内衬1的外表面进行缠绕制备而成，碳纤维的纵向缠绕与水平方向的夹角β为4°～20°；内衬1的制造方法由以下步骤完成a、左封头1-2和右封头1-3的旋压成型将厚度δ为0.5～1.8mm的铝镁合金薄板坯或纯铝薄板坯放在芯模上旋压，旋压速度为200～650r/min，进刀量为0.3～0.7mm/r，旋压出直径Φ为700～1000mm的左封头1-2和右封头1-3；b、热处理将a步骤旋压成型的左封头1-2和右封头1-3分别进行再结晶退火处理，再结晶温度为390～420℃，随炉冷却至室温；c、机械加工将经过b步骤热处理后的左封头1-2和右封头1-3进行机械加工，去除左封头1-2和右封头1-3表面的氧化物材料；d、惰性气体焊接先将厚度δ为0.5～1.8mm的铝镁合金薄板坯或纯铝薄板坯冷卷成直径Φ为700～1000mm的圆筒，再用惰性气体焊接构成筒身1-1，再将筒身1-1的左端与左封头1-2对接用惰性气体焊接在一起，筒身1-1的右端与右封头1-3对接用惰性气体焊接在一起；e、整体焊接将左封头1-2与左法兰盘2用惰性气体焊接在一起，将右封头1-3与右法兰盘3用惰性气体焊接在一起制成长度L为1900～2500mm的内衬1，所有焊缝全部在自动焊接机上进行，焊接电流为80～160A，送丝速度为2～10m/min，焊件的转动速度为250～320mm/min。本专利技术具有以下有益效果一、本专利技术的大尺寸、超薄金属内衬的复合材料压力容器综合考虑了压力容器的性能指标PV/W(P复合材料压力容器的爆破压力；V复合材料压力容器的容积；W复合材料压力容器的重量)，把性能优越的碳纤维复合材料与低费用的铝镁合金内衬或纯铝内衬制造技术有效地结合起来，设计出了内衬厚度δ在0.5～1.8mm之间、内衬直径Φ在700～1000mm之间、内衬长度L在1900～2500mm之间的大尺寸、高性能、超薄型的复合材料压力容器，该复合材料压力容器具有结构简单、费用低、质量轻、可靠性高、可贮存高压气体(液体)的优点，它的设计、制造成功，实现了航空航天领域追求轻量化的目标。二、制造大尺寸、超薄金属内衬的复合材料压力容器的关键技术之一是内衬的制造方法，它的研制成功，显著地提高了大尺寸、超薄金属内衬的复合材料压力容器的性能，并大大降低了飞行器的发射成本。三、内衬的生产技术主要包括大尺寸、超薄壁厚的左封头和右封头的旋压技术；圆柱形筒身本身及筒身与左封头、筒身与右封头以及左封头与左法兰盘、右封头与右法兰盘之间的焊接技术。内衬的左封头和右封头采用旋压技术制成，旋压技术从未被用于制造大尺寸、超薄金属内衬的复合材料压力容器中，尤其是应用于旋压厚度如此薄、尺寸如此大的左封头和右封头，国内外都还没有报道。旋压成型技术能够显著降低成本，并能缩短准备时间。根据旋压变形特点，旋轮轨迹采用计算机编程控制。为了提高机械性能，旋压后的左封头和右封头需要进行再结晶退火处理，这样处理之后，能够去除左封头和右封头中的残余应力，并明显提高内衬的延展性和断裂韧性。为了达到预期的目标，内衬上的所有焊缝全部在自动焊接机上进行，以保证焊缝具有高的延展性和较低的翘曲率。四、本专利技术的大尺寸、超薄金属内衬的复合材料压力容器即可以用作卫星和航天飞机上的压力容器，也可以用作卫星和航天飞机上的燃料贮箱和氧化剂贮箱。该技术可以直接应用的
包括(1)卫星的压力容器，燃料贮箱和氧化剂贮箱；(2)空间站中的生命保障系统和空间助推器；(3)航天飞机的生命保障系统和轨道机动飞行系统；(4)可重复使用航天器的生命保障系统，一级燃料、二级燃料、氧化剂的贮箱及压力容器；(5)固液混合火箭的氧化剂贮箱；(6)空间站/深空探测活动的压力推动器等。附图说明图1是本专利技术的大尺寸、超薄金属内衬的复合材料压本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大尺寸、超薄金属内衬的复合材料压力容器，它由内衬（１）、左法兰盘（２）、右法兰盘（３）和碳纤维复合材料层（４）组成；其特征在于内衬（１）的中心轴线左端的左封头（１－２）上用惰性气体焊接有左法兰盘（２），内衬（１）的中心轴线右端的右封头（１－３）上用惰性气体焊接有右法兰盘（３），内衬（１）的外表面缠绕有碳纤维复合材料层（４），内衬（１）的外表面与碳纤维复合材料层（４）粘接；所述的内衬（１）的厚度（δ）为０．５～１．８ｍｍ，内衬（１）的直径（Φ）为７００～１０００ｍｍ；内衬（１）的长度（Ｌ）为１９００～２５００ｍｍ；所述的内衬（１）采用铝镁合金薄板坯或纯铝薄板坯制成；所述的左封头（１－２）和右封头（１－３）为三点圆形封头形状，内衬（１）是通过旋压左封头（１－２）和右封头（１－３）、热处理、机械加工、内衬（１）的筒身（１－１）的焊接及左封头（１－２）和右封头（１－３）与筒身（１－１）端头的焊接、内衬（１）的整体焊接五个步骤制造完成；所述的碳纤维复合材料层（４）是碳纤维／环氧缠绕层，即将环氧树脂与酸酐固化剂、苄基二甲胺按照重量配比１∶０．０８～０．１∶０．００５～０．００６的比例混合成胶状，然后将浸胶后的碳纤维在内衬（１）的外表面进行缠绕制备而成，碳纤维的纵向缠绕与水平方向的夹角（β）为４°～２０°。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：赫晓东，王荣国，苏忠华，刘文博，苏钝，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：93[中国|哈尔滨]