СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ УГЛЕРОД-УГЛЕРОДНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА В ФОРМЕ ОБОЛОЧКИ
METHOD FOR PRODUCING PRODUCTS FROM CARBON-CARBON COMPOSITE MATERIAL IN SHELL FORM

Изобретение относится к углеродным композиционным материалам, изделия из которых предназначены для авиакосмической и химико-металлургической промышленности, работающих при высоких температурах в неокислительных средах.
Наиболее близким к заявляемому является способ изготовления изделий из углерод-углеродного композиционного материала в форме оболочки, включающий формирование из углеродных волокон каркаса объемной структуры путем наработки его на установленной в круглоткацкую машину формообразующей оправке и насыщение его пироуглеродом из газовой фазы. Способ усматривается из описания к пат. РФ №2201893, 2003 г. В соответствии с ним наработанный на формообразующей оправке (оправку чаще всего изготавливают из пенополистирола) каркас снимают с нее, а перед насыщением его пироуглеродом натягивают на формообразующую оправку, выполненную из другого типа материала. Для натяжения каркаса на оправку используют натяжное устройство, т.к. при съеме наработанного на круглоткацкой машине каркаса с формообразующей оправки происходит его сужение из-за релаксации структуры каркаса.
Недостатком способа являются сравнительно длительный цикл и высокие затраты на изготовление изделий.
Задачей изобретения является снижение цикла и затрат на изготовление изделий в виде оболочки конической, цилиндрически-конической и оживальной формы.
Поставленная задача решается за счет того, что в способе изготовления изделий из углерод-углеродного композиционного материала в форме оболочки, включающем формирование из углеродных волокон каркаса объемной структуры путем наработки его на установленной в круглоткацкую машину формообразующей оправке и насыщение его пироуглеродом из газовой фазы, в соответствии с заявленным техническим решением наработку каркаса и его насыщение проводят на одной и той же формообразующей оправке из термостойкого материала со сформированным на ней разделительным слоем, при этом при необходимости каркас фиксируют на оправке, например, путем выполнения на ней цилиндрического участка, или участка с обратной конусностью, либо штифтами из термостойкого материала. При этом в качестве разделительного слоя можно использовать газетную бумагу, целлофан, графитовую фольгу, покрытие из термостойкого материала низкой проницаемости.
Решению поставленной задачи способствует то, что в предпочтительных вариантах выполнения способа:
- формообразующую оправку выполняют из материала с КЛТР, превышающим КЛТР углерод-углеродного композиционного материала;
о
о
-1
- формообразующую оправку выполняют с профилем наружной поверхности, заданным с учетом разницы между КЛТР материалов формообразующей оправки и изготавливаемого изделия, а именно: с занижением диаметра на величину ΔД=Д⋅Δα⋅Т, где Д - требуемый диаметр рабочего профиля изделия, в мм, Δα - разница КЛТР, в град, Т - температура получения УУКМ, в градусах.
Осуществление наработки каркаса на формообразующей оправке из термостойкого материала, применяемой при насыщении его пироуглеродом из газовой фазы, позволяет исключить необходимость съема каркаса с оправки для наработки и посадки ее вновь на оправку для насыщения с помощью специального натяжного устройства.
Формирование по наружной поверхности формообразующей оправки разделительного слоя облегчает съем с нее заготовки. В противном случае каркас в процессе его насыщения пироуглеродом (особенно при использовании термоградиентного метода) срастается с формообразующей оправкой, следствием чего является необходимость ее удаления путем механической обработки (т.е. оправка имеет разовое использование). Облегчению съема заготовки с формообразующей оправки способствует то, что формообразующую оправку выполняют из материала с КЛТР, превышающим КЛТР углерод-углеродного композиционного материала.
То, что при формировании каркаса производят фиксацию его на оправке, например путем выполнения на формообразующей оправке цилиндрического участка или участка с обратной конусностью, либо штифтами из термостойкого материала, позволяет придать ему требуемые размеры и форму за счет исключения сползания отдельных его участков, в частности, в сторону меньшего диаметра.
о
о
-1
То, что в предпочтительном варианте выполнения способа формообразующую оправку выполняют с профилем наружной поверхности, заданным с учетом разницы между КЛТР материалов формообразующей оправки и изготавливаемого изделия, а именно: с занижением диаметра на величину ΔД=Д×Δα×Т, где Д - требуемый диаметр рабочего профиля изделия, в мм, Δα - разница КЛТР, в град, Т - температура получения УУКМ, в градусах, позволяет исключить необходимость обработки заготовки из УУКМ по внутреннему профилю, т.к. он уже соответствует рабочему профилю изделия.
В новой совокупности существенных признаков у объекта изобретения появляется новое свойство: способность исключить необходимость наработки каркаса на формообразующей оправке одного типа, съема с нее и посадки на формообразующую оправку другого типа и при этом исключить его формоизменения, а также создать условия для облегчения съема заготовки из УУКМ с формообразующей оправки и тем самым обеспечить ее многоразовое использование.
Благодаря новому свойству решается поставленная задача, а именно: обеспечивается снижение цикла и затрат на изготовление изделий в виде оболочки конической, цилиндрическо-конической и оживальной формы.
Изготовление изделий из УУКМ в форме оболочки осуществляют следующим образом.
Из углеродных волокон формируют каркас объемной структуры путем наработки его на установленной в круглоткацкую машину формообразующей оправке. Причем наработку каркаса осуществляют на формообразующей оправке, применяемой при насыщении его пироуглеродом из газовой фазы, для чего выполняют ее из термостойкого материала, предпочтительно с КЛТР, превышающим КЛТР УУКМ, получаемого насыщением каркаса пироуглеродом. При этом на наружной поверхности формообразующей оправки перед наработкой каркаса формируют разделительный слой на основе, например, графитовой фольги.
В предпочтительных вариантах выполнения способа:
- формообразующую оправку выполняют из материала с КЛТР, превышающим КЛТР углерод-углеродного композиционного материала;
о
о
-1
- формообразующую оправку выполняют с профилем наружной поверхности, заданным с учетом разницы между КЛТР материалов формообразующей оправки и изготавливаемого изделия, а именно: с занижением диаметра на величину ΔД=Д×Δα×Т, где Д - требуемый диаметр рабочего профиля изделия, в мм, Δα - разница КЛТР, в град, Т - температура получения УУКМ, в градусах.
Ниже приведены конкретные примеры изготовления изделий из УУКМ заявляемым способом.
Пример 1.
Изготовили изделие в виде оболочки цилиндрическо-конической формы со следующими размерами - диаметр цилиндрической части Ø900 мм, нижний диаметр конусной части Ø1300 мм, длина каркаса ~1200 мм.
Для этого вначале наработали из углеродных нитей каркас. Для наработки в качестве нитей основы и перевязки использовали волокно УРАЛ-Н ТУ BY 400031289.140, а в качестве нитей утка - УКН/5000 ГОСТ 28008.
-6
-1
-6
-1
Наработку каркаса произвели на установленной в круглоткацкую машину формообразующей оправке. В качестве формообразующей оправки использовали оправку, применяемую при насыщении каркаса пироуглеродом из газовой фазы. Оправку выполнили из УУКМ на основе низкомодульных углеродных волокон, а точнее: на основе углеродной ткани марки УРАЛ-ТМ-4 СТБ 995. Материал оправки в кольцевом направлении имеет КЛТР ~4,0×10град, в то время как материал изделия - ~2,0÷2,5×10 град, т.е. материал оправки имеет больший КЛТР, чем материал изделия.
Перед наработкой каркаса на наружной поверхности формообразующей оправки сформировали разделительный слой из графитовой фольги марки ГФ ТУ 5728-003-93978201 путем приклейки заготовок из фольги на резиновый клей.
Насыщение каркаса пироуглеродом произвели термоградиентным методом по режиму: температура в зоне пиролиза - 980°С, избыточное давление -0,025÷0,03 атм., скорость движения пиролиза - 0,25 мм/час.
В результате насыщения каркаса пироуглеродом получили изделие с высокой размерной точностью, с плотным прилеганием к формообразующей оправке. Съем изделия с формообразующей оправки произвели без применения специального съемника.
Пример 2.
Изготовили изделие в виде оболочки оживальной формы высотой ~350 мм с диаметрами верхнего и нижнего торцев - Ø760 мм и Ø900 мм соответственно. После наработки каркас зафиксировали на оправке штифтами из графита в зоне технологического припуска нижнего торца. Изделие изготовили аналогично примеру 1.
В результате насыщения каркаса пироуглеродом получили изделие с высокой размерной точностью, с плотным прилеганием к формообразующей оправке. Съем изделия с формообразующей оправки произвели без применения специального съемника, удалив предварительно фиксирующие элементы.
Примеры 3, 3а.
-6
-1
Изготовили такие же изделия, как в примере 1. Отличие состояло в том, что в качестве материала формообразующей оправки использовали графит марки ЭГ ТУ 1915-007-27208846 с КЛТР ~6,0×10 град, занизив при этом профиль наружной поверхности формообразующей оправки, а в качестве разделительного слоя применили газетную бумагу (пример 3) или покрытие из термостойкого материала низкой проницаемости (пример 3а), например, покрытие, формируемое на основе шликерной композиции из мелкодисперсных частиц двуокиси циркония и жидкого стекла.