专利名称：大尺寸、超薄金属内衬的复合材料压力容器的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种复合材料压力容器的制造方法，具体涉及一种大尺寸、超薄金属内衬的复合材料压力容器的制造方法。
背景技术：
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，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。
发明内容
本发明的目的是为解决在飞行器中，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而提供的一种大尺寸、超薄金属内衬的复合材料压力容器的制造方法。本发明在内衬1的外表面缠绕浸胶的碳纤维复合材料层4；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。
本发明具有以下有益效果一、本发明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，设计制造出了内衬厚度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，由该制造方法生产出来的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。二、采用该制造方法生产出来的复合材料压力容器可显著地提高大尺寸、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、由该制造方法生产出来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，其直接应用的技术领域包括(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。
图1是由本发明制成的大尺寸、超薄金属内衬的复合材料压力容器的整体结构示意图。
具体实施例方式具体实施方式
一结合图1说明本实施方式，本实施方式的大尺寸、超薄金属内衬的复合材料压力容器的制造方法，在内衬1的外表面缠绕浸胶的碳纤维复合材料层4；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。
具体实施方式
二本实施方式与具体实施方式
一的不同点是本实施方式在内衬1的制造方法中，a步骤中将厚度δ为0.8mm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300r/min、进刀量为0.5mm/r，旋压成直径Φ为746mm的左封头1-2和右封头1-3。采用上述技术参数，可防止铝镁合金薄板坯或纯铝薄板坯在旋压过程中起皱。
具体实施方式
三本实施方式与具体实施方式
一的不同点是本实施方式在内衬1的制造方法中，b步骤中的再结晶温度为390℃。通过再结晶处理，可提高左封头1-2和右封头1-3的机械性能。
具体实施方式
四本实施方式与具体实施方式
一的不同点是本实施方式在内衬1的制造方法中，d步骤中将厚度δ为0.8mm的铝镁合金薄板坯或纯铝薄板坯冷卷成直径Φ为746mm的圆筒并用惰性气体焊接制成筒身1-1。采用惰性气体焊接，可保证焊缝平整、无疤痕、无气孔、无裂纹。
具体实施方式
五本实施方式与具体实施方式
一的不同点是本实施方式在内衬1的制造方法中，e步骤中将左封头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1955mm的内衬1，所有焊缝全部在自动焊接机上进行，焊接电流为125～130A，送丝速度为4～4.5m/min，焊件的转动速度为300±2mm/min。采用上述技术参数，可保证焊缝平整，并可满足焊缝的高延展性和低翘曲率的要求。
具体实施方式
六本实施方式与具体实施方式
一的不同点是本实施方式在内衬1的制造方法中，a步骤中将厚度δ为1.2mm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425r/min、进刀量为0.4mm/r，旋压成直径Φ为780mm的左封头1-2和右封头1-3；b步骤中的再结晶温度为400℃；d步骤中将厚度δ为1.2mm的铝镁合金薄板坯或纯铝薄板坯冷卷成直径Φ为780mm的圆筒并用惰性气体焊接制成筒身1-1，焊接电流为120A，送丝速度为6m/min，焊件的转动速度为285mm/min。采用上述技术参数，经过旋压、热处理制成的内衬1可大大提高机械性能。
具体实施方式
七本实施方式与具体实施方式
一的不同点是本实施方式在内衬1的制造方法中，d步骤中的铝镁合金薄板坯或纯铝薄板坯冷卷成型并用氩弧焊接构成筒身1-1，再将筒身1-1的左端与左封头1-2对接用氩弧焊接，筒身1-1的右端与右封头1-3对接用氩弧焊接；e步骤中将左封头1-2与左法兰盘2用氩弧焊接，将右封头1-3与右法兰盘3用氩弧焊接制成长度L为1900～2500mm的内衬1。焊接如此薄、尺寸如此大的部件，国内尚属首次。采用氩弧焊接，可保证焊缝具有高的延展性和低的翘曲率。
具体实施方式
八本实施方式与具体实施方式
一的不同点是本实施方式在内衬1的制造方法中，a步骤中将厚度δ为0.6mm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210r/min，进刀量为0.4mm/r，旋压出直径Φ为710mm的左封头1-2和右封头1-3；b步骤中的再结晶温度为395℃；d步骤中先将厚度δ为0.6mm的铝镁合金薄板坯或纯铝薄板坯冷卷成直径Φ为710mm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步骤中将左封头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1910mm的内衬1，所有焊缝全部在GLW300-LIPR自动焊接机上进行，焊接电流为85A，送丝速度为3m/min，焊件的转动速度为260mm/min。采用上述技术参数可制成超薄内衬1。
具体实施方式
九本实施方式与具体实施方式
一的不同点是本实施方式在内衬1的制造方法中，a步骤中将厚度δ为1.6mm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640r/min，进刀量为0.6mm/r，旋压出直径Φ为995mm的左封头1-2和右封头1-3；b步骤中的再结晶温度为410℃；d步骤中先将厚度δ为1.6mm的铝镁合金薄板坯或纯铝薄板坯冷卷成直径Φ为995mm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、步骤中将左封头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2495mm的内衬1，所有焊缝全部在自动焊接机上进行，焊接电流为155A，送丝速度为9m/min，焊件的转动速度为310mm/min。采用上述技术参数可制成尺寸较大的内衬1。
具体实施方式
十本实施方式与具体实施方式
一的不同点是本实施方式在内衬1的制造方法中，a步骤中将厚度δ为1.2mm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430r/min，进刀量为0.5mm/r，旋压出直径Φ为850mm的左封头1-2和右封头1-3；b步骤中的再结晶温度为405℃；d步骤中先将厚度δ为1.2mm的铝镁合金薄板坯或纯铝薄板坯冷卷成直径Φ为850mm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步骤中将左封头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2200mm的内衬1，所有焊缝全部在自动焊接机上进行，焊接电流为120A，送丝速度为6m/min，焊件的转动速度为290mm/min。采用上述技术参数制成的内衬1可满足机械性能要求。
具体实施方式
十一本实施方式的内衬1的外表面缠绕碳纤维复合材料层4的制备方法由以下步骤完成a′、对内衬1的外表面进行处理将内衬1的外表面用80～120目的砂纸进行打磨处理，再用乙酸乙脂试剂清理打磨后的表面；b′、酸洗按重量份数比取重铬酸钾∶浓硫酸∶去离子水＝2∶15∶40混合配制酸液，再将酸液加热至55～65℃，将内衬1置于酸液中，处理20min；c′、冲洗、烘干将经b′步骤处理过的内衬1用清水冲洗，再放入到55～65℃的真空烘箱中烘干，冷却至室温；d′、界面胶粘剂的配制及涂覆环氧树脂胶∶三乙醇胺∶端羧基液体丁腈橡胶∶双酚A＝100∶15∶10∶24混合配制界面胶粘剂，所述的环氧树脂胶由以下组分并按照重量百分比组成环氧树脂85～90％、丁腈橡胶10～15％，将配制好的界面胶粘剂涂覆在内衬1的外表面上，胶层厚度为0.01～0.02mm，涂胶用量为150～250g/m2，再将涂胶后的内衬1置于烘干箱中，在70～80℃的温度下固化15～25min；e′、碳纤维浸树脂胶按照重量份数比取环氧树脂∶酸酐固化剂∶苄基二甲胺＝1∶0.08～0.1∶0.005～0.006混合配制树脂胶，将碳纤维浸树脂胶；f′、碳纤维复合材料的缠绕在涂界面胶粘剂的内衬1的外表面按照纵向三层、环向三层、纵向三层、环向二层、纵向二层、环向二层的顺序缠绕碳纤维复合材料层4，纵向缠绕与水平方向的夹角β为4°～20°；g′、固化和表面修整将缠有碳纤维复合材料层4的内衬1以0.6±0.1℃/min的升温速率升高到70±2℃，保温20～25min；以0.6±0.1℃/min的升温速率升高到95±2℃，去除多余树脂胶；再以0.6±0.1℃/min的升温速率升高到120±2℃，保温50～70min，最后以不超过2℃/min的速度冷却至室温，固化完成后用摩尔百分比为0.1～0.2％的碱液对固化后的压力容器内表面进行清洗。采用80～120目的砂纸打磨内衬1的外表面，使内衬1的外表面凹凸不平，用乙酸乙酯试剂清洗打磨后的表面，可去除油污，利于涂覆界面粘胶剂；在内衬1的外表面均匀涂界面胶粘剂，并要选用合理的涂胶厚度，如果胶层较厚，内衬1的外表面容易产生气泡、缺陷和早期断裂现象，受热后的热膨胀在界面区所造成的热应力也较大，更容易引起接头破坏，因此应使胶层尽可能薄一些，但也不宜太薄，这样可能会出现缺胶现象。为获得较高的粘接强度，胶层厚度应控制在0.01～0.02mm之间，选用适宜的涂胶速度，可防止气泡产生。界面胶粘剂应该满足如下性能指标界面胶粘剂的主要性能指标
碳纤维复合材料层4的设计是通过网络理论完成的，这种方法可以确定环向缠绕层和纵向缠绕层的最小厚度，并且能够确定出左封头1-2和右封头1-3的几何形状。也就是环向缠绕层的厚度、纵向缠绕层的厚度，是通过成熟的工程实践和试验共同确定的，最后的结构形式是通过有限元分析或者其他等效的分析方法进行优化设计，多种分析方法共同确定最后的结构。缠绕线型的选择缠绕规律是保证碳纤维缠绕内衬1质量的关键技术，也是内衬1强度设计和缠绕运动机构设计的依据。根据内衬1的结构形状和尺寸、强度要求以及荷载特性，我们在研究过程中采用了特种纵向缠绕技术。具体缠绕线型实施过程为纵向三层→环向三层→纵向三层→环向二层→纵向二层→环向二层→固化→表面修整。在每次缠绕进行中不准断纱或做纱团的更换工作，缠绕同时用四个纱团，要求直径接近或一致，以保证能共同工作。纵向缠绕与水平方向的夹角β要严格控制在4～20°范围内。
具体实施方式
十二本实施方式与具体实施方式
十一的不同点是本实施方式在内衬1的外表面缠绕碳纤维复合材料层4的制备方法中，a′步骤中将内衬1的外表面用100目的砂纸进行打磨处理；b′步骤中按重量份数比取重铬酸钾∶浓度为98％的浓硫酸∶去离子水＝2∶15∶40混合配制酸液，再将酸液加热至60℃；c′步骤中将已经用清水冲洗的内衬1放入到60℃的真空烘箱中烘干；d′步骤中按照重量份数比取环氧树脂胶∶三乙醇胺∶端羧基液体丁腈橡胶∶双酚A＝100∶15∶10∶24混合配制界面胶粘剂，所述的环氧树脂胶由以下组分并按照重量百分比组成环氧树脂87％、丁腈橡胶13％，将配制好的界面胶粘剂涂覆在内衬1的外表面上，胶层厚度为0.015mm，涂胶用量为200g/m2，再将涂胶后的内衬1置于烘干箱中，在75℃的温度下固化20min；e′步骤中按照重量份数比取环氧树脂∶酸酐固化剂∶苄基二甲胺＝1∶0.08∶0.005混合配制树脂胶；f′步骤中的碳纤维复合材料层4的纵向缠绕与水平方向的夹角β为12°；g′步骤中将缠有碳纤维复合材料层4的内衬1以0.6℃/min的升温速率升高到70℃，保温25min；以0.6℃/min的升温速率升高到95℃，去除多余树脂胶；再以0.6℃/min的升温速率升高到120℃，保温60min，固化完成后用摩尔百分比为0.1％的碱液对固化后的压力容器内表面进行清洗。采用上述技术参数，可将碳纤维复合材料牢固的缠绕在内衬1的外表面上。
具体实施方式
十三本实施方式与具体实施方式
十一的不同点是本实施方式在内衬1的外表面缠绕碳纤维复合材料层4的制备方法中，a′步骤中将内衬1的外表面用90目的砂纸进行打磨处理；b′步骤中按重量份数比取重铬酸钾∶浓硫酸∶去离子水＝2∶15∶40混合配制酸液，再将酸液加热至60℃；c′步骤中将经b′步骤处理过的内衬1用清水冲洗，再放入到60℃的真空烘箱中烘干，冷却至室温；d′、步骤中按照重量份数比取环氧树脂胶∶三乙醇胺∶端羧基液体丁腈橡胶∶双酚A＝100∶15∶10∶24混合配制界面胶粘剂，所述的环氧树脂胶由以下组分并按照重量百分比组成环氧树脂86％、丁腈橡胶14％，将配制好的界面胶粘剂涂覆在内衬1的外表面上，胶层厚度为0.015mm，涂胶用量为160g/m2，再将涂胶后的内衬1置于烘干箱中，在70℃的温度下固化15min；e′步骤中按照重量份数比取环氧树脂∶酸酐固化剂∶苄基二甲胺＝1∶0.08∶0.005混合配制树脂胶；f步骤中的碳纤维复合材料层4的纵向缠绕与水平方向的夹角β为5°；g′步骤中将缠有碳纤维复合材料层4的内衬1以0.6℃/min的升温速率升高到70℃，保温25min；以0.6℃/min的升温速率升高到95℃，去除多余树脂胶；再以0.6℃/min的升温速率升高到120℃，保温60min，固化完成后用摩尔百分比为0.1％的碱液对固化后的压力容器内表面进行清洗。采用上述技术参数，在保证碳纤维复合材料牢固的缠绕在内衬1的外表面的同时，还可节约成本。
具体实施方式
十四本实施方式的内衬1外表面缠绕碳纤维复合材料层4的方法由以下步骤完成a′、对内衬1的外表面进行处理将内衬1的外表面用80～120目的砂纸进行打磨处理，再用乙酸乙脂试剂清理打磨后的表面，去除油污；b′、酸洗按重量份数比取重铬酸钾∶浓硫酸∶去离子水＝2∶15∶40配制酸液，按比例先将重铬酸钾加入到酸洗槽中，再按比例加入去离子水并搅拌，使重铬酸钾溶于水中，再按比例缓慢加入浓度为98％的浓硫酸，搅拌均匀后，再将酸液加热至55～65℃，将内衬1置于酸液中，处理20min；c′、冲洗、烘干将经b′步骤处理过的内衬1用清水冲洗，直至表面没有剩余的酸液，再将内衬1放入到55～65℃的真空烘箱中烘干表面水分，冷却至室温；d′、界面胶粘剂的配制及涂覆d′、界面胶粘剂的配制及涂覆按照重量份数比取环氧树脂胶∶三乙醇胺∶端羧基液体丁腈橡胶∶双酚A＝100∶15∶10∶24混合配制界面胶粘剂，所述的环氧树脂胶由以下组分并按照重量百分比组成环氧树脂85～90％、丁腈橡胶10～15％，将配制好的界面胶粘剂涂覆在内衬1的外表面上，胶层厚度为0.01～0.02mm，涂胶用量为150～250g/m2，再将涂胶后的内衬1置于烘干箱中，在70～80℃的温度下固化15～25min；e′、碳纤维浸树脂胶按照重量份数比取环氧树脂∶酸酐固化剂∶苄基二甲胺＝1∶0.08∶0.005混合配制树脂胶，再将树脂胶装入胶槽中，然后将T1000碳纤维纱束浸入胶槽，完成浸胶过程；f′、碳纤维复合材料的缠绕待d′步骤中的界面胶粘剂处于半固化状态时，用浸过树脂胶的T1000碳纤维缠绕，按照纵向三层、环向三层、纵向三层、环向二层、纵向二层、环向二层的顺序缠绕碳纤维复合材料，纵向缠绕与水平方向的夹角β为4°～20°，在缠绕过程中，每束纱片的张力从250N逐层递减到50N，将含胶量严格控制在20～27％之间；g′、固化和表面修整将缠有碳纤维复合材料层4的内衬1以0.6±0.1℃/min的升温速率升高到70±2℃，保温20～25min；以0.6±0.1℃/min的升温速率升高到95±2℃，去除多余树脂胶；再以0.6±0.1℃/min的升温速率升高到120±2℃，保温50～70min，最后以不超过2℃/min的速度冷却至室温，固化完成后用摩尔百分比为0.1～0.2％的碳酸氢钠溶液对固化后的压力容器内表面进行清洗。实验证明，由上述组合配制的树脂胶能够在很宽的温度范围内具有非常好的拉伸强度及较高的断裂韧性。
权利要求
1.一种大尺寸、超薄金属内衬的复合材料压力容器的制造方法，在内衬(1)的外表面缠绕浸胶的碳纤维复合材料层(4)；其特征在于内衬(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。
2.根据权利要求1所述的大尺寸、超薄金属内衬的复合材料压力容器的制造方法，其特征在于在内衬(1)的制造方法中，a步骤中将厚度(δ)为0.8mm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300r/min、进刀量为0.5mm/r，旋压出直径(Φ)为746mm的左封头(1-2)和右封头(1-3)。
3.根据权利要求1所述的大尺寸、超薄金属内衬的复合材料压力容器的制造方法，其特征在于在内衬(1)的制造方法中，b步骤中的再结晶温度为390℃。
4.根据权利要求1所述的大尺寸、超薄金属内衬的复合材料压力容器的制造方法，其特征在于在内衬(1)的制造方法中，d步骤中将厚度(δ)为0.8mm的铝镁合金薄板坯或纯铝薄板坯冷卷成直径(Φ)为746mm的圆筒并用惰性气体焊接制成筒身(1-1)。
5.根据权利要求1所述的大尺寸、超薄金属内衬的复合材料压力容器的制造方法，其特征在于在内衬(1)的制造方法中，e步骤中将左封头(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1955mm的内衬(1)，所有焊缝全部在自动焊接机上进行，焊接电流为125～130A，送丝速度为4～4.5m/min，焊件的转动速度为300±2mm/min。
6.根据权利要求1所述的大尺寸、超薄金属内衬的复合材料压力容器的制造方法，其特征在于在内衬(1)的制造方法中，a步骤中将厚度(δ)为1.2mm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425r/min、进刀量为0.4mm/r，旋压出直径(Φ)为780mm的左封头(1-2)和右封头(1-3)；b步骤中的再结晶温度为400℃；d步骤中将厚度(δ)为1.2mm的铝镁合金薄板坯或纯铝薄板坯冷卷成直径(Φ)为780mm的圆筒并用惰性气体焊接制成筒身(1-1)，焊接电流为120A，送丝速度为6m/min，焊件的转动速度为285mm/min。
7.根据权利要求1所述的大尺寸、超薄金属内衬的复合材料压力容器的制造方法，其特征在于在内衬(1)的制造方法中，d步骤中的铝镁合金薄板坯或纯铝薄板坯冷卷成型并用氩弧焊接构成筒身(1-1)，再将筒身(1-1)的左端与左封头(1-2)对接用氩弧焊接，筒身(1-1)的右端与右封头(1-3)对接用氩弧焊接；e步骤中将左封头(1-2)与左法兰盘(2)用氩弧焊接，将右封头(1-3)与右法兰盘(3)用氩弧焊接制成长度(L)为1900～2500mm的内衬(1)。
8.根据权利要求1所述的大尺寸、超薄金属内衬的复合材料压力容器的制造方法，其特征在于内衬(1)的外表面缠绕碳纤维复合材料层(4)的制备方法由以下步骤完成a′、对内衬(1)的外表面进行处理将内衬(1)的外表面用80～120目的砂纸进行打磨处理，再用乙酸乙脂试剂清理打磨后的表面；b′、酸洗按重量份数比取重铬酸钾∶浓硫酸∶去离子水＝2∶15∶40混合配制酸液，再将酸液加热至55～65℃，将内衬(1)置于酸液中，处理20min；c′、冲洗、烘干将经b′步骤处理过的内衬(1)用清水冲洗，再放入到55～65℃的真空烘箱中烘干，冷却至室温；d′、界面胶粘剂的配制及涂覆按照重量份数比取环氧树脂胶∶三乙醇胺∶端羧基液体丁腈橡胶∶双酚A＝100∶15∶10∶24混合配制界面胶粘剂，所述的环氧树脂胶由以下组分并按照重量百分比组成环氧树脂85～90％、丁腈橡胶10～15％，将配制好的界面胶粘剂涂覆在内衬(1)的外表面上，胶层厚度为0.01～0.02mm，涂胶用量为150～～250g/m2，再将涂胶后的内衬(1)置于烘干箱中，在70～80℃的温度下固化15～25min；e′、碳纤维浸树脂胶按照重量份数比取环氧树脂∶酸酐固化剂∶苄基二甲胺＝1∶0.08～0.1∶0.005～0.006混合配制树脂胶，将碳纤维浸树脂胶；f′、碳纤维复合材料的缠绕在涂界面胶粘剂的内衬(1)的外表面按照纵向三层、环向三层、纵向三层、环向二层、纵向二层、环向二层的顺序缠绕碳纤维复合材料层(4)，纵向缠绕与水平方向的夹角(β)为4°～20°；g′、固化和表面修整将缠有碳纤维复合材料层(4)的内衬(1)以0.6±0.1℃/min的升温速率升高到70±2℃，保温20～25min；以0.6±0.1℃/min的升温速率升高到95±2℃，去除多余树脂胶；再以0.6±0.1℃/min的升温速率升高到120±2℃，保温50～70min，最后以不超过2℃/min的速度冷却至室温，固化完成后用摩尔百分比为0.1～0.2％的碱液对固化后的压力容器内表面进行清洗。
9.根据权利要求8所述的大尺寸、超薄金属内衬的复合材料压力容器的制造方法，在内衬(1)的外表面缠绕碳纤维复合材料层(4)的制备方法中，a′步骤中将内衬(1)的外表面用100目的砂纸进行打磨处理；b′步骤中按重量份数比取重铬酸钾∶浓硫酸∶去离子水＝2∶15∶40混合配制酸液，再将酸液加热至60℃；c′步骤中将已经用清水冲洗的内衬(1)放入到60℃的真空烘箱中烘干；d′步骤中按照重量份数比取环氧树脂胶∶三乙醇胺∶端羧基液体丁腈橡胶∶双酚A＝100∶15∶10∶24混合配制界面胶粘剂，所述的环氧树脂胶由以下组分并按照重量百分比组成环氧树脂87％、丁腈橡胶13％，将配制好的界面胶粘剂涂覆在内衬(1)的外表面上，胶层厚度为0.015mm，涂胶用量为200g/m2，再将涂胶后的内衬(1)置于烘干箱中，在75℃的温度下固化20min；e′步骤中按照重量份数比取环氧树脂∶酸酐固化剂∶苄基二甲胺＝1∶0.08∶0.005混合配制树脂胶；f′步骤中的碳纤维复合材料层(4)的纵向缠绕与水平方向的夹角(β)为12°；g′步骤中将缠有碳纤维复合材料层(4)的内衬(1)以0.6℃/min的升温速率升高到70℃，保温25min；以0.6℃/min的升温速率升高到95℃，去除多余树脂胶；再以0.6℃/min的升温速率升高到120℃，保温60min，固化完成后用摩尔百分比为0.1％的碱液对固化后的压力容器内表面进行清洗。
全文摘要
大尺寸、超薄金属内衬的复合材料压力容器的制造方法，它涉及一种复合材料压力容器的制造方法。本发明解决了在飞行器中，采用现有制造工艺不能加工出大尺寸、超薄金属内衬的压力容器问题。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；b.将左封头1－2和右封头1－3热处理；c.将左封头1－2和右封头1－3机械加工；d.将左封头1－2与筒身1－1和右封头1－3与筒身1－1用惰性气体焊接在一起；e.将左封头1－2与左法兰盘2及右封头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。用本发明可以制造出重量轻、气密性好、强度高、尺寸大的复合材料压力容器。
文档编号F17C1/00GK1955536SQ20051008921
公开日2007年5月2日 申请日期2005年7月4日 优先权日2005年7月4日
发明者赫晓东, 王荣国, 苏忠华, 刘文博, 苏钝 申请人:哈尔滨工业大学