СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКОСТЕННОГО БЕСШОВНОГО ЛЕЙНЕРА ДЛЯ КОМПОЗИТНЫХ БАКОВ ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ И ЛЕЙНЕР, ИЗГОТОВЛЕННЫЙ ЭТИМ СПОСОБОМ
METHOD FOR MAKING THIN-WALL SEAMLESS LINER FOR COMPOSITE TANKS MADE FROM TITANIUM ALLOYS AND LINER MADE USING SAID METHOD

Изобретение относится к области авиации, ракетостроения и космонавтики, в которых используются агрегаты, содержащие газообразные и жидкие среды под высоким давлением, в частности к лейнерам, которые используются в баллонах высокого давления.
Из уровня техники известен (патент US 6810567, кл. В23В 25/06, 13.06.2002 г. /1/) баллон высокого давления с использованием металлического лейнера. Недостатком указанного аналога /1/ является то, что при действии высоких давлений происходит деформация композитной оболочки в заданном направлении, сжатие и перераспределение материала упругой прослойки и материала, находящегося в гофрах. В силу того, что гофрированная поверхность лейнера не является изометричной цилиндрической поверхности композитной оболочки или поверхности, концентричной ей, гофры тонкостенного лейнера деформируются произвольно и в них возникают пластические деформации, которые при многократном циклическом нагружении приводят к разрушению лейнера. Иными словами, низкая надежность при большой цикличности нагрузки его высоким давлением приводит к преждевременному разрушению лейнера, особенно в зонах сварных соединений.
Также, из уровня техники известен лейнер из алюминиевого сплава, который содержит днище, среднюю цилиндрическую часть и днище с горловиной, причем днище выполнено равнопрочным и герметически глухим, его толщина составляет не менее двух толщин цилиндрической части, а наружная поверхность днища имеет эллипсоидную форму.
И способ его изготовления, заключающийся в том, что осуществляют местный нагрев заготовки из прессованной трубы, закатку трубы с образование днища, средней цилиндрической части и днища с горловиной. После образования днища в его средней части в полярной точке просверливают коническое отверстие, которое затем заваривают с присадкой сварочной проволоки для образования равнопрочного, герметичного глухого днища и зачищают наружную заваренную часть глухого днища путем пологой зачистки. Днище лейнера выполнено равнопрочным и герметически глухим. При этом толщина днища составляет не менее двух толщин цилиндрической части, а наружная поверхность днища имеет эллипсоидную форму (RU 2429930 C1, B21D 51/24, 27.09.2011 г. /2/).
Недостатком указанного лейнера /2/ является существенное увеличение веса конструкции, а также низкая прочность лейнера при многократных циклических нагрузках.
Недостатком указанного способа изготовления лейнера /2/ является высокая трудоемкость работ, большое количество механической обработки, узконаправленное применения способа, в частности, для изготовления деталей с простыми конфигурациями.
Кроме того, существенным недостатком устройств /1/ и /2/ является то, что металлические лейнеры изготавливают, сваривая между собой цилиндрическую обечайку со штамповыми днищами, а в местах сварки являются «слабыми» т.е. обладают относительно низкой прочностью и могут разгерметизироваться в условиях циклических нагрузок.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание легкого, прочного лейнера, исключающего в нем наличие сварных соединений.
Технический результат заключается в повышении надежности, уменьшении массовых характеристик, увеличении прочности и срока эксплуатации.
На достижение указанного технического результата оказывают влияние следующие существенные признаки.
Тонкостенный бесшовный лейнер для композитных баков из титановых сплавов, содержащий цилиндрическую обечайку, два днища, которые расположены на одной оси и сопряжены так, что цилиндрическая обечайка расположена между двумя днищами лейнера, два фланца, каждый из которых сопряжен с одним из днищ лейнера, при этом на центральной оси каждого фланца имеется отверстие, при этом лейнер характеризуется тем, что цилиндрическая обечайка, днища и фланцы сопряжены в единую, монолитную и равнопрочную конструкцию без сварных швов и соединений, а сам лейнер выполнен из титанового сплава.
В развитии полезной модели днища могут быть выполнены в форме сжатого эллипсойда вращения.
Также в развитии полезной модели диаметр цилиндрической обечайки и днищ по линии сопряжения одинаков.
Способ изготовления тонкостенного бесшовного лейнера для композитных баков из титановых сплавов характеризуется тем, что гранулы из высокопрочного титанового сплава с размером гранул, определяемым из условий максимальной плотности засыпки для заданной толщины лейнера, предварительно подготовленные методом гранульной металлургии, засыпают в металлическую капсулу для получения тонкостенного бесшовного лейнера в условиях вакуума с одновременным виброуплотнением и дегазацией при температуре, обеспечивающей испарение остаточных газов с поверхности гранул, после заполнения гранулами тонкостенного бесшовного лейнера прекращают процесс виброуплотнения и нагревания, ее заваривают электронным лучом и затем капсулу с находящимися в ней гранулами извлекают на воздух, проверяют на герметичность, а после завершения проверки вакуумированные гранулы в капсуле подвергают горячему изостатическому прессованию и после окончания процесса горячего изостатического прессования скомпантированную капсулу заготовки лейнера опускают в емкость с раствором кислот для травления, а по окончании растворения внешней и внутренней оболочек тонкостенный бесшовный лейнер из высокопрочного титанового сплава извлекают из раствора кислот и проверяют на соответствие геометрическим параметрам.
В одном из вариантов изготовления в металлическую капсулу засыпают гранулы из титанового сплава большего диаметра размером до 280 мкм.
В одном из вариантов изготовления в металлическую капсулу засыпают гранулы меньшего диаметра размером от 50 мкм.
-3
-4
В одном из вариантов изготовления гранулы из высокопрочного сплава засыпают в металлическую капсулу для получения тонкостенного лейнера в условиях вакуума не более 10…10 мм рт.ст. и до температуры дегазации 350°C, обеспечивающей испарение остаточных газов с поверхности гранул, а вакуумированные гранулы подвергают горячему изостатическому прессованию в капсуле для получения корпуса тонкостенного лейнера при температуре от 750 до 1020°C при давлении от 1300 до 2000 атм в течение 2…6 часов.
Тем самым этот способ позволяет изготовить детали сложной конфигурации с минимальной механической обработкой и получить тонкостенный лейнер из высокопрочного титанового сплава с высокими прочностными характеристиками и существенно сниженными весовыми характеристиками.
Новым является то, что в лейнере для изделий ракетной и космической техники все элементы силовой оболочки корпуса, а именно: цилиндрическая обечайка, фланец и днище - выполнены как единое целое без сварных швов, при этом оба днище выполнены по форме сжатого эллипсоида вращения, на центральной оси каждого их которых размещен фланец, а диаметр цилиндрической обечайки и днищ по линии их соприкосновения одинаков, их толщина равномерна и одинакова по всей их площади, причем одним торцом цилиндрическая часть сопряжена без швов с сжатым эллипсоидом вращения одного днища, а другим торцом цилиндрическая обечайка сопряжена без швов с сжатым эллипсоидом вращения второго днища, при этом лейнер, состоящий из всех вышеуказанных элементов, выполнен единым бесшовным образованием из гранул высокопрочного титанового сплава.
За счет выполнения лейнера из высокопрочного титанового сплава вышеуказанным способом появляется возможность существенно уменьшить толщину корпуса, также это обеспечивает возможность уменьшения массы выводимой на орбиту техники. Повышение прочности лейнера осуществляется за счет выполнения толщины корпуса одинаковым по всему заполняемому объему, равномерным, что в совокупности с изготовлением его из прочного материала, а также особенностей формы выполнения, предусматривающей исключение острых углов, позволяет создать для ракетной и космической техники лейнер со сниженными массовыми характеристиками. Лейнер при этом сможет обеспечить газонепроницаемость и герметичность, при многократном нагружении как на земле, так и в условиях невесомости. Высокую надежность эксплуатации обеспечивают за счет исключения сварных швов, то есть выполнения без швов сопряжения торцов цилиндрической обечайки с днищами, выполненными в форме сжатого эллипсоида вращения и фланцем. Это исключает проблему несовместимости силовой оболочки и лейнера при изготовлении баллонов высокого давления, а кроме этого создается эффект отсутствия критических мест возможного уменьшения прочности и мест возможного излома, которые могут привести к смещению центра масс лейнера с продольной оси космического аппарата в условиях невесомости и в условиях перехода, что ведет к возможному изменению траектории движения самого аппарата. Кроме того, за счет выполнения толщины корпуса одинаковым по все площади лейнера увеличиваются показатели рабочего давления в условиях невесомости и в условиях перехода к перегрузкам. Дополнительно можно отметить, что изготовление лейнера из высокопрочного материала усиливает технический результат уменьшения расход материала почта в 4 раза, уменьшая толщину корпуса, увеличивает показатели рабочего давления в условиях невесомости и в условиях перехода к перегрузкам, повышается надежность, а также уменьшаются массовые характеристики. Указанное конструктивное выполнение месторасположения фланцев для подвода газообразных или жидких сред, обеспечивает требования выполнения задач с учетом исключения возможных ситуаций, которые могут приводить к смещению центра масс корпуса тонкостенного лейнера с продольной оси космического аппарата, что, в свою очередь, может в условиях невесомости и в условиях перехода к невесомости привести к изменению траектории движения самого аппарата.
Сущность изобретения поясняется графическим материалом.
На фиг. 1 представлен тонкостенный бесшовный лейнер для композитных баков из титановых сплавов, представляющий собой единую монолитную конструкцию, которая включает в себя два днища 1, выполненные в форме сжатого эллипсоида вращения, цилиндрическую обечайку 2 и фланец 3, расположенные на центральной продольной оси. Во фланце 3 на центральной оси выполнено отверстие. Цилиндрическая обечайка 2 выполнена как трубчатая и представляет собой цилиндрическую вставку между полусферой обоими днищами 1. Одним торцом цилиндрическая обечайка 2 сопряжена без швов с одним днищем - днищем 1, другим торцом - с днищем 1. Фланец 3 расположен на центральной продольной оси лейнера на днище. Одно днище 1 сопрягается с цилиндрической обечайкой 2 по линии, образуя линию сопряжения. Цилиндрическая обечайка 2 сопрягается с вторым днищем 1, образуя линию сопряжения. Упомянутые линии сопряжения носят условный характер, поскольку части расположены на одной центральной продольной оси 4, при этом диаметр цилиндрической части 2 и расположенный по линиям сопряжения диаметр днищ 1 соответственно одинаковые. Следует отметить, что толщина лейнера 1, 2 равномерна и одинакова, в том числе и по упомянутым линиям сопряжения. Плавные линии днищ 1 по линии сопряжения с цилиндрической обечайкой 2 образуют гладкую емкость, в которой отсутствуют критические места возможного уменьшения прочности и места возможного излома и деформации. Все части корпуса лейнера выполнены из высокопрочного титанового сплава. Днище 1 с фланцем 3 для цилиндрической обечайки 2 выполнены как единое целое из высокопрочного гранулированного титанового сплава.
В примере исполнения тонкостенный бесшовный лейнер изготавливают из гранул высокопрочного титанового сплава ВТ6. Толщина стенки лейнера должна выполняться равной по всему периметру и при изготовлении может быть равна от 1,2 мм +0,1 или -0,1 мм, в зависимости от объема лейнера, например для лейнера объемом 36 л толщина станки составляет 1,2 мм.
-3
-4
Изготавливают этот лейнер в 36 л так. Засыпают в металлическую капсулу для получения тонкостенного бесшовного лейнера в условиях вакуума 10…10 мм рт.ст. с одновременным виброуплотнением и дегазацией при температуре 350°C, после заполнения гранулами тонкостенного бесшовного лейнера прекращают процесс виброуплотнения и нагревания, ее заваривают электронным лучом и затем капсулу с находящимися в ней гранулами извлекают на воздух, проверяют на герметичность, а после завершения проверки вакуумированные гранулы в капсуле подвергают горячему изостатическому прессованию и после окончания процесса горячего изостатического прессования капсулу с скомпактированной заготовкой тонкостенного лейнера опускают в емкость с раствором кислот для травления, а по окончании растворения внешней и внутренней оболочек тонкостенный бесшовный лейнер из высокопрочного титанового сплава извлекают из раствора кислот и проверяют на соответствие геометрическим параметрам.
При этом гранулы фракционного состава размером 40…250 мкм высокопрочного титанового сплава получают методом центробежного распыления вращающегося слитка-электрода, при котором частицы сплава распыляются за счет ионно-плазменного распыления (патент РФ №1332866, кл. C23C 14/36, 1985 г.). Этот способ позволяет изготовить детали сложной конфигурации с минимальной механической обработкой.
Работа лейнера в баллоне высокого давления осуществляется следующим образом.
Лейнер в составе баллона высокого давления наполняется текучей средой (жидкостью или газом) до требуемого уровня давления. Далее с текучей средой в лейнере осуществляется хранение, транспортировка, опорожнение, с последующим новым наполнением, с возможностью повторного расходования текучей среды, т.е. в повторении действий и операций с многократным циклическим нагружением лейнера.
Таким образом, предложенный лейнер позволяет повысить прочность баллона высокого давления за счет выполнения оболочки с одинаковой толщиной стенок по всему периметру, то есть по всему объему баллона, заполняемому газообразной или жидкой средой, а также за счет изготовления его из прочного материала. При этом форма лейнера выполнена таким образом, что исключаются острые углы в емкости. Также за счет выполнения поверхности гладкой, одинаковой толщины отсутствуют критические места возможного уменьшения прочности и места возможного излома при деформации, которые могут приводить к смещению центра масс корпуса тонкостенного лейнера. Кроме того, за счет выполнения корпуса из описанного выше высокопрочного одинакового по своей структуре гранулированного материала и выполнения одинаковой толщины стенок оболочки по всему заполняемому объему увеличиваются показатели рабочего давления, а также усиливается технический результат уменьшения толщины корпуса, повышается надежность и уменьшаются массовые характеристики.