CN102644686A - 一种制备航空发动机支承系统的阻尼结构件的方法 - Google Patents

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张大义
马艳红
刘宝龙
陈璐璐
洪杰
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Abstract

本发明公开了一种制备航空发动机支承系统的阻尼结构件的方法，通过低温制弹性丝-热定型-缠绕-全约束热定型的工艺组合将形状记忆合金丝材制备成为金属橡胶，经该方法制得的阻尼结构件具有形状记忆效应和变刚度特性。本发明是将金属橡胶这一结构阻尼材料与形状记忆合金相结合，发展出同时兼具二者优点的新型金属类结构性功能材料。该材料具备良好阻尼性能、大变形能力和大承载能力，并且弹性模量主动可控、环境适应性强、结构稳定可靠。由于集合了金属橡胶和形状记忆合金两种材料的优点，能够作为应用于航空发动机转子支承，可实现无峰值转子的设计。

Description

一种制备航空发动机支承系统的阻尼结构件的方法
技术领域
本发明涉及一种制备阻尼结构件的方法，更特别地说，是指一种制备适用于航空发动机支承系统的阻尼结构件的方法。经本发明方法制得的阻尼结构件具有形状记忆效应和变刚度特性。
背景技术
应用于航空发动机支承系统的阻尼结构件一方面通过其特殊的变刚度特性改变航空发动机转子系统的支承刚度，从而避开转子共振；另一方面通过其阻尼耗散转子支承系统的振动能量，从而抑制转子振动响应。
在现代工业机械的研制和使用中，振动问题直接影响到设备的可靠性、安全性及性能实现，因此采取适当的振动控制措施具有重大现实意义。振动控制措施一般可以分为被动控制与主动控制两类，振动主动控制是指在振动控制过程中，根据机械设备运转状态需求以及所检测到的振动信号，通过某种外力对控制目标施加影响，达到抑制振动的目的。在现有的材料、技术条件下，形状记忆合金(SMA)作为一种应用前途广泛的智能材料在振动主动控制领域广受青睐，这是因为其具有以下特殊性能：1)形状记忆效应，经高温定形的SMA在低温下的形状改变，会在加热到临界温度(逆相变点)以上消失而恢复其原始形状；2)超弹性，弹性应变高达8％，为研制大承载能力的支承、减振部件提供了可能；3)特殊的阻尼机理，在机械或温度载荷引发的马氏体相变过程中产生较大阻尼；4)弹性模量随温度变化的特性，SMA在高温时仍可以保持高弹性模量，并且高温下奥氏体SMA的弹性模量是低温马氏体SMA的弹性模量的3倍以上，这一特性提供了用以改变刚度进而避开共振的利用前景。然而没有材料是完美的，现有应用于航空发动机支承系统的阻尼结构件所采用形状记忆合金材料存在承载力不足、响应偏慢的缺点。
发明内容
本发明的目的之一是提出一种制备航空发动机支承系统的阻尼结构件的方法，通过低温制弹性丝-热定型-缠绕-全约束热定型的工艺组合将形状记忆合金丝材制备成为金属橡胶，经该方法制得的阻尼结构件具有形状记忆效应和变刚度特性。
本发明的目的之二是提出一种具有形状记忆效应和变刚度特性的阻尼结构件，该阻尼结构件应用于航空发动机支承系统中。本发明是将金属橡胶这一结构阻尼材料与形状记忆合金相结合，发展出同时兼具二者优点的新型金属类结构性功能材料。该材料具备良好阻尼性能、大变形能力和大承载能力，并且弹性模量主动可控、环境适应性强、结构稳定可靠。由于集合了金属橡胶和形状记忆合金两种材料的优点，具有比普通形状记忆合金或普通金属橡胶更宽广的应用前景，有望成为振动主动控制领域的一种理想材料，例如将其应用于航空发动机转子支承，可实现无峰值转子的设计。
本发明的一种制备航空发动机支承系统的阻尼结构件的方法，包括有下列步骤：
步骤一：将记忆合金丝材绕制成记忆合金弹簧丝；
选取记忆合金丝材的丝径小于等于0.5mm；
在制弹簧设备上制得的记忆合金弹簧丝的螺距为0，螺旋径小于等于3.0mm，单根长度小于等于200cm，加工温度一般为5℃～40℃；
步骤二：对记忆合金弹簧丝进行前热定形，制得弹簧丝预成型体；
前热定形温度小于等于500℃，前热定形时间小于等于30min；
步骤三：对弹簧丝预成型体进行拉伸、缠绕、冷态模压制得记忆合金金属橡胶；
所述拉伸是将步骤二制得的弹簧丝预成型体从螺距为0拉伸至螺距不小于3mm，得到第一预成型体；
所述缠绕是将第一预成型体先按照圆圈进行缠绕，然后进行圆圈轴线方向缠绕，得到第二预成型体；
所述冷态模压是将第二预成型体置于成型模具中，在成型压力1～10KN、成型温度5℃～40℃以及成型时间30min～120min条件下，制得记忆合金金属橡胶；
步骤四：对记忆合金金属橡胶进行后热定形，得到阻尼结构件；后定形温度小于等于500℃，后定形时间5～15min。
本发明制备航空发动机支承系统的阻尼结构件的方法的优点在于：
①采用形状记忆合金丝材为制作阻尼结构件的金属橡胶原料，使得阻尼结构件兼具了形状记忆和金属橡胶的特性。
②通过低温制弹性丝-热定型-缠绕-全约束热定型的工艺组合将形状记忆合金丝材制备成为金属橡胶，经该方法制得的阻尼结构件具有形状记忆效应和变刚度特性。
③利用丝材制弹簧件预成型件，在缠绕上先圆圈缠绕、后圆圈轴向缠绕，使得预成型体外部不松散，内部为螺旋方式。经两次的热定型处理使得阻尼结构件在结构上比较规整。
附图说明
图1是本发明中对弹簧丝预成型体进行缠绕的方式示意图。
图2A是圆形模具盖的结构示意图。
图2B是圆形模具座的结构示意图。
图2C是矩形模具盖的结构示意图。
图2D是矩形模具座的结构示意图。
图2E是全约束夹具示意图。
图3是材料为Ti-50.3％Ni形状记忆合金的第二预成型体的外部照片。
图4是Ti-50.3％Ni形状记忆合金金属橡胶的外部照片。
图5是记忆合金金属橡胶试件刚度、阻尼参数随试验温度变化曲线。
图中编号：1A.螺旋丝；1B.轴向丝；2A.圆形模具盖；2B.圆环凸起；2C，圆形腔；2D.圆形模具座；2E.环形槽；2F.圆形凸起；3A.矩形模具盖；3B.矩形凸起；3C.矩形模具座；3D.矩形腔；4A.上盖；4B.左侧板；4C.右侧板；4D.底板；4E.第一中板；4F.第二中板；4G.约束空腔。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明采用NiTi形状记忆合金丝材制备具有形状记忆效应和变刚度性能的金属橡胶，得到的金属橡胶具有稳定的几何外形。
本发明制备适用于航空发动机支承系统的阻尼结构件的方法，包括有下列步骤：
步骤一：将记忆合金丝材绕制成记忆合金弹簧丝；
在本发明中，制记忆合金弹簧丝所需的加工温度应为所选取的记忆合金丝材的低温相条件下，因此加工温度一般为5℃～40℃；选取记忆合金丝材的丝径小于等于0.5mm；在制弹簧设备上制得的记忆合金弹簧丝的螺距为0，螺旋径小于等于3.0mm，单根长度小于等于200cm。
步骤二：对记忆合金弹簧丝进行前热定形，制得弹簧丝预成型体；
在本发明中，此步骤是先将步骤一制得的记忆合金弹簧丝置于热定型设备的模具中，然后设置定型温度和定型时间。由于本发明中有前后两次的定型处理，因此对丝材的定型称为前热定型工序。前热定形温度小于等于500℃，前热定形时间小于等于30min。
步骤三：对弹簧丝预成型体进行拉伸、缠绕、冷态模压制得记忆合金金属橡胶；
所述拉伸是将步骤二制得的弹簧丝预成型体从螺距为0拉伸至螺距不小于3mm，得到第一预成型体；
所述缠绕是将第一预成型体先按照圆圈进行缠绕，然后进行圆圈轴线方向缠绕，得到第二预成型体；参见图1所示，第一预成型体先按照圆圈进行缠绕得到螺旋丝1A，然后在圆圈轴线方向上往复进行缠绕得到轴向丝1B，轴向丝1B是将螺旋丝1A进行捆绑，是为让缠绕后形成的第二预成型体比较密实且不易松散。
所述冷态模压是将第二预成型体置于成型模具中，在成型压力1～10KN(千牛)、成型温度5℃～40℃以及成型时间30min～120min条件下，制得记忆合金金属橡胶。
在本发明中，成型模具依据应用于航空发动机支承系统的阻尼结构件的构形来定，若需加工的阻尼结构件为圆环形，则成型模具如图2A和图2B所示，是将第二预成型体置于成型模具的环形槽中。若需加工的阻尼结构件为板状，则成型模具如图2C和图2D所示，是将第二预成型体置于成型模具的矩形腔中。在图2A和图2B中，先将第二预成型体置于圆形模具座2D的环形槽2E中，然后将圆形模具盖2A压在圆形模具座2D上，且圆形模具座2D的圆形凸起2F与圆形模具盖2A的圆形腔2C配合，圆形模具盖2A的圆环凸起2B与圆形模具座2D的环形槽2E配合，在圆形模具盖2A的上方施压，从而实现将第二预成型体在一定压力、一定温度的条件下成型得到记忆合金金属橡胶。在图2C和图2D中，先将第二预成型体置于矩形模具座3C的矩形槽3D中，然后将矩形模具盖3A压在矩形模具座3C上，且矩形模具盖3A的矩形凸起3B与矩形模具座3C的矩形腔3D配合，在矩形模具盖3A的上方施压，从而实现将第二预成型体在一定压力、一定温度的条件下成型得到记忆合金金属橡胶。
步骤四：对记忆合金金属橡胶进行后热定形后，得到阻尼结构件；后定形温度小于等于500℃，后定形时间5～15min。
在本发明中，参见图2E所示，此步骤是先将步骤三制得的记忆合金金属橡胶置于全约束夹具的约束空腔4G中，然后盖上上盖4A，最近将装载有记忆合金金属橡胶的夹具有一块安装在热定型设备的模腔中，最后设置定型温度和定型时间。全约束夹具要用螺栓固定，是为了保证记忆合金金属橡胶在全约束状态下进行热定形，防止因为形状记忆效应而破坏模压产生的几何形状。全约束夹具是在底板4D的两侧分别固定上左侧板4B、右侧板4C，然后将第一中板4E和第二中板4F插入左侧板4B、右侧板4C的槽口中，使得左侧板4B、右侧板4C、第一中板4E和第二中板4F四个板共形为一个约束空腔4G，当将试样件(记忆合金金属橡胶)放置于所述的约束空腔4G后，将上盖4A固定在左侧板4B、右侧板4C上。
实施例
采用Ti-50.3％Ni形状记忆合金丝制备具有形状记忆效应和变刚度性能的航空发动机转子支承阻尼结构件(或者称为金属橡胶)。阻尼结构件的为立柱形状，如图4、图5所示，制作阻尼结构件的模具为如图2C、图2D、图2E所示。
步骤一：将Ti-50.3％Ni记忆合金丝材绕制成记忆合金弹簧丝；加工温度为26℃；Ti-50.3％Ni形状记忆合金丝的丝径为0.2mm；在制弹簧设备上制得的记忆合金弹簧丝的螺距为0，螺旋径为1.4mm，单根长度为60cm。
步骤二：对记忆合金弹簧丝进行前热定形，制得弹簧丝预成型体；前热定形温度为500℃，前热定形时间为5min。
步骤三：对弹簧丝预成型体进行拉伸、缠绕、冷态模压制得记忆合金金属橡胶；
所述拉伸是将步骤二制得的弹簧丝预成型体从螺距为0拉伸至螺距为3mm，得到第一预成型体；
所述缠绕是将第一预成型体先按照圆圈进行缠绕，然后进行圆圈轴线方向缠绕，得到第二预成型体；第二预成型体的外部照片参见图3所示，图中能够清楚的看到缠绕在螺旋丝外部的轴向丝。
所述冷态模压是将第二预成型体置于成型模具中，在成型压力5KN(千牛)、成型温度22℃以及成型时间50min条件下，制得记忆合金金属橡胶。
步骤四：对记忆合金金属橡胶进行后热定形后，得到材料成分为Ti-50.3％Ni记忆合金阻尼结构件；后定形温度为500℃，后定形时间15min。
经上述步骤一至步骤四制得的Ti-50.3％Ni形状记忆合金金属橡胶的外部照片参见图4所示，图中能够清楚的看到金属橡胶的外形结构规整。
对实施例制得的材料成分为Ti-50.3％Ni记忆合金阻尼结构件进行性能分析：当工作温度由低于马氏体相变开始温度升高到奥氏体相变结束温度以上时，形状记忆合金金属橡胶的刚度增大至初始状态的2.6倍左右；当工作温度由奥氏体相变结束温度降低到马氏体相变开始温度以下时，形状记忆合金金属橡胶的刚度发生相反的变化。在验证试验中，刚度和阻尼随试验温度的变化如图5所示，图中Krt和ξrt表示室温下的刚度和阻尼系数，K和ξ则为试验温度下的刚度和阻尼系数，T表示试验温度。
采用本发明的低温制弹性丝-热定型-缠绕-全约束热定型的工艺组合制备的形状记忆合金金属橡胶具有以下特殊性能：
(1)具有形状记忆效应
由本发明制备的形状记忆合金金属橡胶，可以记忆其高温定形后的外形。在低于奥氏体相变温度(选取的形状记忆合金材料具有的材料特性)的温度条件下，将其压缩至发生塑性变形，经升温到奥氏体相变温度(选取的形状记忆合金材料具有的材料特性)以上后残余的塑性变形消失，记忆合金金属橡胶恢复了加载前的初始形状。在验证试验中，将制备的横截面尺寸为20mm×20mm，高度为24mm的试验件，在22℃下压缩到塑性区，卸载后的试件高度为22.8mm；此时将试件放入温控箱中加热至70℃，试件高度恢复为24mm，残余的塑性变形在记忆效应作用下消失。
(2)变刚度
由本发明制备的形状记忆合金金属橡胶，在低温相和高温相时由于形状记忆合金丝材的弹性模量的改变而体现出变刚度特性，具体的：当工作温度由低于马氏体相变开始温度升高到奥氏体相变结束温度以上时，形状记忆合金金属橡胶的刚度增大至初始状态的2.6倍左右；当工作温度由奥氏体相变结束温度降低到马氏体相变开始温度以下时，形状记忆合金金属橡胶的刚度发生相反的变化。
经本发明方法制得的形状记忆合金金属橡胶是一种多孔的功能性结构阻尼材料，因其宏观上具有类似橡胶的大分子结构和弹性，又是全金属制品，因此称为“金属橡胶”。它具有如下特点：(1)刚度调节能力强，结构尺寸一定时金属橡胶的刚度可在较大范围内设计；(2)高阻尼，阻尼比系数一般能达到0.2～0.3(一般钢制弹簧为0.06，天然橡胶为0.22～0.47)；(3)重量轻，其密度小于金属材料的0.3倍，用其制成的减振隔振器具有体积小、重量轻的特点；(4)环境适应性强。金属橡胶由于它本质上是一种金属材料，因此比真实橡胶的环境适应性强，不易老化；(5)易于成型，金属橡胶制件可以根据需要制成各种复杂的形状。

Claims (6)

1.一种制备航空发动机支承系统的阻尼结构件的方法，其特征在于包括有下列步骤：
步骤一：将记忆合金丝材绕制成记忆合金弹簧丝；
选取记忆合金丝材的丝径小于等于0.5mm；
在制弹簧设备上制得的记忆合金弹簧丝的螺距为0，螺旋径小于等于3.0mm，单根长度小于等于200cm，加工温度一般为5℃～40℃；
步骤二：对记忆合金弹簧丝进行前热定形，制得弹簧丝预成型体；
前热定形温度小于等于500℃，前热定形时间小于等于30min；
步骤三：对弹簧丝预成型体进行拉伸、缠绕、冷态模压制得记忆合金金属橡胶；
所述拉伸是将步骤二制得的弹簧丝预成型体从螺距为0拉伸至螺距不小于3mm，得到第一预成型体；
所述缠绕是将第一预成型体先按照圆圈进行缠绕，然后进行圆圈轴线方向缠绕，得到第二预成型体；
所述冷态模压是将第二预成型体置于成型模具中，在成型压力1～10KN、成型温度5℃～40℃以及成型时间30min～120min条件下，制得记忆合金金属橡胶；
步骤四：对记忆合金金属橡胶进行后热定形，得到阻尼结构件；后定形温度小于等于500℃，后定形时间5～15min。
2.根据权利要求1所述的制备航空发动机支承系统的阻尼结构件的方法，其特征在于：所述阻尼结构件的材料成分为Ti-50.3％Ni记忆合金。
3.根据权利要求1、2所述的制备航空发动机支承系统的阻尼结构件的方法，其特征在于：所述阻尼结构件的刚度增大至初始状态的2.6倍。
4.根据权利要求1所述的制备航空发动机支承系统的阻尼结构件的方法，其特征在于：阻尼结构件为圆环形状。
5.根据权利要求1所述的制备航空发动机支承系统的阻尼结构件的方法，其特征在于：阻尼结构件为立柱形状。
6.根据权利要求1所述的制备航空发动机支承系统的阻尼结构件的方法，其特征在于：阻尼结构件为板状形状。
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