Соединительный элемент полого герметичного изделия интегральной конструкции и способ его изготовления
Изобретение может быть использовано при изготовлении конструкций из композиционных материалов. Соединительный элемент полого герметичного изделия интегральной конструкции выполнен из УУКМ на основе низкомодульных углеродных волокон и содержит присоединительный концевой участок 1 и металлическую законцовку, снабженную сильфоном. Сначала на оправке-нагревателе 8 формируют каркас тканепрошивной структуры из углеродной такни на основе низкомодульных углеродных волокон за исключением участков 1 и 2а, на которых слои ткани оставляют не соединёнными. На участке 1 слои ткани отбортовали на фланцевый участок 9. Затем насыщают полученный каркас пироуглеродом термоградиентным методом, подавая ток верхним 10 и нижним 11 токоподводами на оправку-нагреватель 8. Полное насыщение каркаса пироуглеродом производят на такой длине от начала участка 1, при которой его удлинение примерно равно удлинению металлической законцовки. После этого полностью уплотненный пироуглеродом участок механически обрабатывают под формирование шликерного покрытия на основе мелкодисперсного графитового порошка и временного связующего и с одного из его концов выполняют проточку под металлическую законцовку, глубина которой должна быть достаточна для жесткого и герметичного соединения УУКМ и законцовки. На одном из участков законцовки формируют антиадгезионное покрытие, первый слой которого выполняют из графитовой фольги, а второй - из фторопласта или целлофана. Другим участком законцовку вклеивают на термостойкий клей в выполненную проточку. Затем ненасыщенный и недоуплотненный пироуглеродом участки пропитывают коксообразующим связующим, после чего в едином технологическом процессе производят герметизацию участка 2, карбонизацию и насыщение пироуглеродом в вакууме. Обеспечивается герметичность изделия интегральной конструкции, отдельные элементы которого выполнены из материалов с различными коэффициентами термического расширения и при его работе находятся в разных температурных зонах. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к конструкциям из композиционных материалов и может быть использовано при их изготовлении, в том числе при выполнении их интегральными.
Известен соединительный элемент полого герметичного изделия интегральной конструкции, выполненный из УУКМ на основе низкомодульных углеродных волокон с присоединительным концевым участком в виде несоединенных между собой слоев ткани, являющихся продолжением тех, что армируют УУКМ. Он усматривается из [пат. РФ №2515878, «Корпусная или внутренняя деталь аппарата, снабженная выступающими частями, способ ее изготовления и устройство для формирования и насыщения пироуглеродом каркасов закладных элементов, образующих выступающие части», 2014 г.]. Элемент указанной конструкции выбран нами в качестве прототипа.
Недостатком его является невозможность использования при изготовлении герметичного изделия интегральной конструкции, отдельные элементы которой находятся в существенно разнящихся по температуре зонах и некоторые элементы которой выполнены из металла.
Известен способ изготовления соединительного элемента, включающий формирование каркаса ткане-прошивной структуры на основе низкомодульных углеродных волокон, насыщение его пироуглеродом термоградиентным методом на оправке-нагревателе, на одном из участков которого температура более, а на другом менее 840°С, мехобработку полностью уплотненного пироуглеродом участка, формирование на нем шликерного покрытия на основе мелкодисперсного графитового порошка и временного связующего и провязку его пироуглеродом в среде метана с последующим формированием в едином технологическом процессе газофазного пироуглеродного покрытия. Способ усматривается из [пат. РФ №2515878, «Корпусная или внутренняя деталь аппарата, снабженная выступающими частями, способ ее изготовления и устройство для формирования и насыщения пироуглеродом каркасов закладных элементов, образующих выступающие части», 2014 г.]. Указанный способ выбран нами в качестве прототипа.
Недостатком способа является то, что он не обеспечивает изготовление соединительного элемента для использования при изготовлении герметичного изделия интегральной конструкции, отдельные элементы которой находятся в существенно разнящихся по температуре зонах и некоторые элементы которой выполнены из металла.
Задачей изобретения является разработка конструкции и способа изготовления соединительного элемента, которые бы обеспечили возможность его использования при изготовлении герметичного изделия интегральной конструкции, отдельные элементы которой находятся в существенно разнящихся по температуре зонах и некоторые элементы которой выполнены из металла.
Изобретения настолько взаимосвязаны, что образуют единый изобретательский замысел. При разработке новой конструкции соединительного элемента был изобретен новый способ его изготовления. Применение заявляемого соединительного элемента и способа его изготовления позволит решить поставленную задачу с получением требуемого технического результата. Следовательно, заявленные изобретения удовлетворяют требованию единства изобретения.
Поставленная задача решается за счет того, что соединительный элемент полого герметичного изделия интегральной конструкции, выполненный из УУКМ на основе низкомодульных углеродных волокон с присоединительным концевым участком в виде несоединенных между собой слоев ткани, являющихся продолжением тех, что армируют УУКМ, в соответствии с заявляемым техническим решением дополнительно выполнен с металлической законцовкой, снабженной сильфоном; при этом законцовка расположена в углублении, выполненном в УУКМ: причем зона их контакта между собой находится на такой длине от начала участка из УУКМ, при которой удлинение его примерно равно удлинению металлического участка, а длина сочлененного участка, где они жестко соединены между собой, минимизирована; на остальном же участке их контакта между собой они имеют свободу перемещения друг относительно друга.
Выполнение соединительного элемента с металлической законцовкой создает предпосылки для герметичного соединения его с металлическим элементом изделия интегральной конструкции, отдельные элементы которой находятся в существенно разнящихся по температуре зонах, а также для сохранения герметичности его отдельных элементов в процессе эксплуатации. Чтобы эти предпосылки реализовать на практике, необходимо исключить образование существенных напряжений в изделии интегральной конструкции, которые могут привести к нарушению целостности элементов из УУКМ или нарушению целостности сформированного на них герметичного пироуглеродного покрытия, а также сохранить герметичность стыка УУКМ с металлом.
Выполнение соединительного элемента с металлической законцовкой, снабженной на конце сильфоном, позволяет компенсировать различное удлинение соединяемых элементов изделия интегральной конструкции. То, что законцовка расположена в углублении, выполненном в УУКМ; причем зона их контакта между собой находится на такой длине от начала участка из УУКМ, при которой удлинение его примерно равно удлинению металлического участка, а длина сочлененного участка, где они жестко соединены между собой, минимизирована; на остальном же участке их контакта между собой они имеют свободу перемещения друг относительно друга, позволяет сохранить герметичность стыка УУКМ с металлом. Обусловлено это тем, что при этом достигается достаточно синхронное удлинение участков, выполненных из разнородных материалов, а именно: из УУКМ и металла, при сохранении жесткого соединения между ними. Тем самым обеспечивается реализация созданных предпосылок.
В новой совокупности существенных признаков у объекта изобретения возникает новое свойство: способность сохранить герметичность стыка между участками из УУКМ и металла по длине соединительного элемента, а также исключить образование существенных напряжений в элементах изделия интегральной конструкции, которые находятся в существенно разнящихся по температуре зонах и некоторые из которых выполнены из металла.
Благодаря новому свойству решается поставленная задача, а именно: разработана конструкция соединительного элемента, который обеспечивает возможность использования при изготовлении герметичного изделия интегральной конструкции, отдельные элементы которой находятся в существенно разнящихся по температуре зонах и некоторые элементы которой выполнены из металла.
Поставленная задача решается также за счет того, что в способе изготовления соединительного элемента, включающем формирование каркаса ткане-прошивной структуры на основе низкомодульных углеродных волокон, насыщение его пироуглеродом термоградиентным методом на оправке-нагревателе, на одном из участков которого температура более, а на другом менее 840°С, мехобработку полностью уплотненного пироуглеродом участка, формирование на нем шликерного покрытия на основе мелкодисперсного графитового порошка и временного связующего и провязку его пироуглеродом в среде метана с последующим формированием в едином технологическом процессе газофазного пироуглеродного покрытия, в соответствии с заявляемым техническим решением полное насыщение каркаса пироуглеродом производят на такой длине от начала, при которой удлинение участка из УУКМ при нагреве примерно равно удлинению металлического участка; с одного из концов полученного при этом УУКМ выполняют проточку под металлическую законцовку минимальной глубины, достаточной для жесткого и герметичного соединения между собой УУКМ и металла, после чего вклеивают на термостойкий клей металлическую законцовку, снабженную на конце сильфоном, в выполненное углубление, предварительно сформировав на участке, контактирующем с тканевыми заготовками, антиадгезионное двухслойное покрытие с первым слоем из графитовой фольги и вторым слоем из материала типа фторопласта, целлофана и т.п., затем ненасыщенный участок каркаса и недоуплотненный пироуглеродом участок заготовки пропитывают коксообразующим связующим и формуют углепластик, после чего в едином технологическом процессе производят герметизацию участка из УУКМ, а также карбонизацию и насыщение углепластикового участка пироуглеродом в вакууме.
Проведение полного насыщения каркаса пироуглеродом на такой длине от начала, при которой удлинение при нагреве участка из УУКМ примерно равно удлинению металлического участка, создает предпосылки для обеспечения их синхронного удлинения.
То, что с одного из концов полученного УУКМ выполняют проточку под металлическую законцовку минимальной глубины, достаточной для жесткого и герметичного соединения между собой УУКМ и металла с последующей вклейкой на термостойкий клей металлической законцовки, позволяет герметизировать стык и при этом минимизировать разницу в их удлинениях и тем самым сработать на сохранение его герметичности.
Вклейка в проточку металлической законцовки, снабженной на конце сильфоном. позволяет придать соединительному элементу гибкость и тем самым благодаря возможности компенсировать разницу в удлинениях элементов изделия интегральной конструкции, исключить образование в них существенных напряжений.
Осуществление предварительного (перед вклейкой металлической законцовки в углубление) формирования на участке, контактирующем с тканевыми заготовками, антиадгезионного покрытия с первым слоем из графитовой фольги и вторым слоем из материала типа фторопласта, целлофана и т.п. создает условия, исключающие сцепление углепластика с металлом (на стадии его формования), а также УУКМ и металла (на стадии насыщения пироуглеродом карбонизованного углепластика), что обеспечивается соответственно антиадгезионным покрытием из фторопласта или целлофана и графитовой фольгой.
Осуществление пропитки коксообразующим связующим ненасыщенного пироуглеродом участка каркаса с последующим формованием углепластика позволяет ввести металлическую законцовку в контакт с углепластиком (а затем и с полученным на его основе УУКМ) через антиадгезионное покрытие и тем самым обеспечить сохранность места стыка между участками из УУКМ и металла по их длине в процессе изготовления и эксплуатации изделия интегральной конструкции.
Проведение в едином технологическом процессе герметизации участка из УУКМ, а также карбонизации и насыщения пироуглеродом в вакууме углепластикового участка позволяет придать герметичность соединительному элементу.
В новой совокупности существенных признаков у объекта изобретения возникает новое свойство: способность обеспечить герметичность стыка между участками из УУКМ и металла по длине герметичного соединительного элемента и сохранить их в процессе изготовления и эксплуатации, а также исключить образование существенных напряжений в элементах изделия интегральной конструкции (собранного с помощью рассматриваемых здесь соединительных элементов), которые находятся в существенно разнящихся по температуре зонах и некоторые из которых выполнены из металла.
Благодаря новому свойству решается поставленная задача, а именно: разработан способ изготовления соединительного элемента заявляемой конструкции, который обеспечивает возможность использования при изготовлении герметичного изделия интегральной конструкции, отдельные элементы которой находятся в существенно разнящихся по температуре зонах и некоторые элементы которой выполнены из металла.
Изобретение поясняется чертежами (фиг. 1 и 2), где соединительный элемент находится соответственно в статике и динамике (то есть в составе интегральной конструкции). Соединительный элемент полого герметичного изделия интегральной конструкции выполнен из УУКМ на основе низкомодульных углеродных волокон с присоединительным концевым участком 1 в виде не соединенных между собой слоев ткани, являющихся продолжением тех, что армируют УУКМ (то есть соединительный элемент имеет присоединительный участок 1 и участок 2, выполненный из УУКМ). Соединительный элемент выполнен к тому же с металлической законцовкой 3, снабженной сильфоном 4.
При этом металлическая законцовка 3 расположена в углублении 5, выполненном в УУКМ. Причем зона их контакта между собой находится на такой длине 
от начала участка 2 из УУКМ, при которой удлинение его (участка 2) примерно равно удлинению металлического участка 3. А длина 
сочлененного участка, где они жестко соединены между собой, минимизирована. На остальном же участке 
их контакта между собой они имеют свободу перемещения друг относительно друга.
Работа соединительного элемента поясняется чертежом (смотри фиг. 2). Она (работа) проявляется уже при изготовлении герметичного изделия интегральной конструкции, когда присоединительный участок 1 соединительного элемента встраивается в присоединительный участок внутренней оболочки 6.
Дальнейшая работа соединительного элемента в составе изделия интегральной конструкции проявляется при нагреве указанного изделия.
При нагреве герметичного изделия интегральной конструкции, внутренняя оболочка 6 которого выполнена из УУКМ и находится в зоне более высоких температур, чем выполненная из металла наружная оболочка 7, они (оболочки) претерпевают различное удлинение как в продольном, так и в поперечном направлении. При этом по длине соединительного элемента устанавливается градиент температур. Поскольку металлы имеют более высокий клтр, чем УУКМ, но законцовка из металла находится в более низкотемпературном интервале, можно избежать ситуации, когда удлинение металлической законцовки существенно превысит удлинение участка 2 соединительного элемента, выполненного из УУКМ.
Расположение зоны контакта УУКМ с металлом на такой длине 
от начала участка 2 из УУКМ, при которой удлинение его (участка из УУКМ) примерно равно (или больше) удлинению металлического участка 3, приводит к их синхронному удлинению. При этом в случае выполнения соединительного элемента в виде фланца к оболочкам 6 и 7 сохраняется плотное соединение между собой УУКМ и металла на длине 
В противном случае (при большем удлинении металлического участка 3 фланца в сравнении с удлинением участка 2 из УУКМ) нарушается плотное соединение УУКМ с металлом, которое приводит к потере герметичности стыка между ними.
В случае соединительного элемента в виде втулки большее (в сравнении с участком 2 из УУКМ) удлинение металлического участка 3 хотя и не приводит к нарушению плотного соединения между собой УУКМ и металла на участке 
(так как удлинение ее металлического участка 3 происходит в оба конца), но чревато излишним сжатием гофр компенсатора 4. Что касается компенсации разницы в поперечном удлинении (то есть по кольцу) внутренней и наружной оболочек 6 и 7, к величине которой приплюсовывается величина удлинения соединительного элемента, то она компенсируется сжатием гофр сильфона 4 (а при охлаждении - растяжением их). Что касается наличия разницы в продольном удлинении внутренней и наружной оболочки 6 и 7, то она не страшна, так как соединительный элемент может изгибаться на участке расположения сильфона 4. То, что длина сочлененного участка, где УУКМ и металл жестко соединены между собой, минимизирована, приводит к тому, что разница в удлинении УУКМ и металла на этой длине несущественна, следствием чего является сохранение прочного и герметичного соединения между ними. То, что на длине 
металлическая законцовка 3 охвачена снаружи УУКМ, защищает зону соединения между собой УУКМ и металла на участке 
от механического повреждения, которое могло бы произойти при воздействии на него изгибных нагрузок. В то же время благодаря тому, что на участке 
контакта между собой металла и УУКМ они имеют свободу перемещения друг относительно друга, позволяет свести к минимуму длину 
зоны соединения металла с УУКМ с указанным выше следствием.
Изготовление соединительного элемента заявляемым способом осуществляют следующим образом.
Из низкомодульных углеродных волокон формируют каркас ткане-прошивной структуры. Затем насыщают его пироуглеродом термоградиентным методом. Причем полное насыщение каркаса пироуглеродом производят на такой длине от начала, при которой удлинение при нагреве участка из УУКМ примерно равно удлинению металлического участка (металлической законцовки соединительного элемента).
После этого проводят мехобработку полностью уплотненного пироуглеродом участка заготовки (со стороны ее внутренней и наружной поверхности). Далее с одного из концов участка из УУКМ (того конца, который предназначен для соединения с металлической законцовкой) выполняют проточку под металлическую законцовку, снабженную на конце сильфоном. Причем проточку выполняют минимальной глубины, достаточной для жесткого и герметичного соединения между собой УУКМ и металла. Затем металлическую законцовку вклеивают на термостойкий клей в выполненное углубление. Предварительно перед вклейкой формируют на участке, контактирующем с тканевыми заготовками, антиадгезионное двухслойное покрытие с первым слоем из графитовой фольги и вторым слоем из материала типа фторопласта, целлофана и т.п.
Затем ненасыщенный участок каркаса (то есть тканевые заготовки, охватывающие металлическую законцовку) и прилегающий к нему недоуплотненный пироуглеродом участок заготовки пропитывают коксообразующим связующим и формуют углепластик (при этом антиадгезионное покрытие из фторопласта или целлофана позволяет исключить склеивание между собой углепластика и металлической законцовки).
После этого в едином технологической процессе производят герметизацию участка из УУКМ, а также карбонизацию и насыщение пироуглеродом в вакууме углепластикового участка. Герметизацию участка из УУКМ осуществляют путем формирования на нем шликерного покрытия на основе мелкодисперсного графитового порошка и временного связующего, провязки его пироуглеродом в вакууме в среде метана с последующим формированием в едином технологическом процессе газофазного пироуглеродного покрытия.
Способ поясняется примерами конкретного выполнения.
Пример 1
Изготовили соединительный элемент в виде втулки из УУКМ, с одного из концов имеющей присоединительный участок из несоединенных между собой слоев углеродной ткани, а с другой стороны - металлическую законцовку, снабженную сильфоном. Вначале из углеродной ткани марки УВИС-ТМ/4 на основе низкомодульных углеродных волокон на формообразующей оправке, состоящей из оправки - нагревателя 8 и фланцевого участка 9, сформировали каркас ткане-прошивной структуры за исключением концевых участков 1 и 2а, где слои ткани оставили не соединенными между собой. Причем с одного из концов 1 каркаса слои ткани отбортовали на фланцевый участок 9 формообразующей оправки, не являющейся нагревателем (см. фиг. 3). Затем произвели насыщение каркаса пироуглеродом термоградиентным методом. При этом ток на оправку - нагреватель 8 подали верхним 10 и нижним 11 токоподводами. Причем полное насыщение каркаса на участке 2 пироуглеродом произвели на такой длине от начала (от фланцевого участка 1 каркаса, являющегося присоединительным участком), при которой удлинение при нагреве участка из УУКМ примерно равно удлинению металлического участка (металлической законцовки, которую в конкретном случае выполнили из стали 12Х18Н10Т). Указанные удлинения были предварительно определены экспериментальным путем применительно к температурным интервалам, при которых эксплуатируется герметичное изделие интегральной конструкции. Для исключения возможности насыщения пироуглеродом каркаса на участке 2а соответствующий ей участок оправки - нагревателя выполнили с существенно большим проходным для тока сечением.
Затем произвели мехобработку уплотненного пироуглеродом участка заготовки по ее внутренней и наружной поверхности под формирование на них шликерного покрытия. После этого произвели в УУКМ проточку под металлическую законцовку. Выполнили ее глубиной, достаточной для жесткого и герметичного соединения между собой УУКМ и металла (фактически глубина проточки составила 60 мм, из которых 30 мм пришлись на соединение с металлической законцовкой, а 30 мм совместно со 100 мм длины тканевых заготовок пришлись на охватывающий металлическую законцовку участок со свободой перемещения УУКМ и металла друг относительно друга). Затем на участке металлической законцовки, отступив от ее конца 30 мм, приклеили графитовую фольгу, а по ней - целлофан шириной 130 мм. После этого металлическую законцовку вклеили в проточку на термостойкий клей марки КТ-30 ТУ 6-02-760-78.
Затем ненасыщенный участок каркаса и недоуплотненный пироуглеродом участок заготовки (со стороны металлической законцовки) пропитали коксообразующим связующим и сформировали углепластик (в результате получили слои материала, охватывающие металлическую законцовку).
После этого в едином технологическом процессе произвели герметизацию мехобработанного участка из УУКМ, а также карбонизацию и насыщение пироуглеродом в вакууме углепластикового участка. Для этого на мехобработанном участке заготовки из УУКМ сформировали шликерное покрытие на основе мелкодисперсного графитового порошка марки ГС-1 и временного связующего, в качестве которого использовали 8%-ный раствор поливинилового спирта (ПВС) в воде. Шликерное покрытие провязали пироуглеродом и сформировали по нему газофазное пироуглеродное покрытие, осуществив это в едином технологическом процессе. Параллельно с этим происходило уплотнение пироуглеродом карбонизованного углепластика. В конкретном случае для этого использовали вакуумный изотермический метод. При этом для исключения насыщения пироуглеродом тканевых заготовок присоединительного участка соединительного элемента их (тканевые заготовки) расположили на графитовом диске и закрыли графитовой крышкой, препятствующей доступу метана к тканевым заготовкам. Металлическую законцовку также закрыли от доступа к ней метана.
Параметры режима:
- температура, ступенчато повышаемая с 920°С до 1000°С;
- вакуум: 10±2 мм рт.ст.;
- рабочий газ: метан;
- длительность: 360 ч.
Пример 2
Изготовили соединительный элемент в виде фланца, являющегося единым для внутренней оболочки из УУКМ и наружной оболочки из металла. Фланец выполнили заодно с частью внутренней оболочки, на конце которой сформировали тканевый присоединительный участок.
Изготовление произвели аналогично Примеру 1.
1. Соединительный элемент полого герметичного изделия интегральной конструкции, выполненный из УУКМ на основе низкомодульных углеродных волокон с присоединительным концевым участком в виде несоединенных между собой слоев ткани, являющихся продолжением тех, что армируют УУКМ, отличающийся тем, что он выполнен с металлической законцовкой, снабженной сильфоном, при этом указанная законцовка расположена в углублении, выполненном в УУКМ, с образованием зоны контакта между ними, расположенной на такой длине от начала присоединенного участка из УУКМ, при которой удлинение УУКМ примерно равно удлинению металлической законцовки, причем зона контакта включает участок, на котором УУКМ и металлическая законцовка жестко и герметично соединены между собой посредством термостойкого клея, и участок, выполненный с возможностью их свободного перемещения относительно друг друга посредством сформированного на законцовке двухслойного антиадгезионного покрытия.
2. Способ изготовления соединительного элемента по п. 1, включающий формирование каркаса тканепрошивной структуры на основе низкомодульных углеродных волокон, насыщение его пироуглеродом термоградиентным методом на оправке-нагревателе, на одном из участков которого температура более, а на другом менее 840 °С, механическую обработку полностью уплотненного пироуглеродом участка, формирование на нем шликерного покрытия на основе мелкодисперсного графитового порошка и временного связующего и провязку его пироуглеродом в среде метана с последующим формированием в едином технологическом процессе газофазного пироуглеродного покрытия, отличающийся тем, что полное насыщение каркаса пироуглеродом производят на такой длине от начала присоединенного участка из УУКМ, при которой его удлинение примерно равно удлинению металлической законцовки, затем с одного из его концов выполняют проточку под металлическую законцовку, снабженную сильфоном, с глубиной, достаточной для жесткого и герметичного соединения УУКМ и указанной законцовки, на одном из участков металлической законцовки, контактирующей с УУКМ, формируют двухслойное антиадгезионное покрытие с первым слоем из графитовой фольги и вторым слоем из фторопласта или целлофана, а другим участком указанную законцовку вклеивают на термостойкий клей в выполненную проточку, затем ненасыщенный участок каркаса и недоуплотненный пироуглеродом участок заготовки пропитывают коксообразующим связующим и формируют углепластик, после чего в едином технологическом процессе производят герметизацию участка из УУКМ, а также карбонизацию и насыщение углепластикового участка пироуглеродом в вакууме.
