CN103343309B - 记忆合金航天器解锁驱动元件的制造方法 - Google Patents

Abstract

记忆合金航天器解锁驱动元件的制造方法，先将驱动元件坯料及模具一起冷却到驱动元件材料的相变点Mf点以下，然后将驱动元件坯料放入模具压制，即得航天器解锁驱动元件。模具包括上、下压板和夹具，上、下压板之间设有中心孔用来放置驱动元件坯料，上、下压板上分别设有定位槽或定位台配合定位。本发明制造方法是在可拆卸的模具中通过压缩高精度形状记忆合金棒坯制得驱动元件，简便易行，装卸方便，制备成本低；也可实现轴比小于5（长度/直径≤5）的多个元件的一次制备。本发明制造方法制备的驱动元件变形均匀，尺寸精度高，驱动恢复力和恢复应变大。

Description

记忆合金航天器解锁驱动元件的制造方法

技术领域

本发明属于航天器设备元件制造技术领域，涉及一种TiNi形状记忆合金航天器解锁驱动元件的制造方法。

背景技术

在航天领域，由于环境特殊，火箭把航天飞行器带上太空后，航天飞行器的电池板、通信天线装置等都需要定向解锁打开工作。航天飞行器某关键解锁装置用元件，要求具有大推力（2.4㎜位移条件下，保持8千牛力）和较大的位移量（大于3.2㎜）以满足需要。航天飞行器所处的特殊环境，传统的机械方式由于体积大，机构复杂无法使用。目前，航天器解锁装置大多采用爆炸解锁的方式，这种方式对航天飞行器造成震动，影响航天器的飞行安全，并造成太空污染；已报道的TiNi形状记忆合金航天飞行器驱动动力源，大多采用板带型，或采用螺旋弹簧状以增加驱动动力源的位移行程；而由于受合金材料锻压比（合金材料的长度/直径之比，理论上一般为1.5～2）限制，圆柱状大推力驱动元件在直径一定的情况下，压制元件的长度（或高度）为直径的约1.5倍。元件长度（或高度）小，材料压制所能产生的变形应变量就小，相应地元件能恢复的位移量也就小。例如，1）宇航飞行器温控百叶窗双向驱动元件，采用TiNi形状记忆合金螺旋片（外径29㎜、重4g）代替双金属片(外径40㎜、重28g)，元件做功从1.3kg×㎜增加到6.8kg×㎜，元件的位移行程加大，但恢复力小，满足不了大推力的要求。2）资料报道的美国用航天器太阳能电池板解锁驱动元件，规格为Ф12×18㎜，驱动力22千牛，恢复应变量达4.4%，但其最大恢复位移量仅有0.8㎜。因此，尽管元件恢复力大，但由于元件轴比（长度/直径）小于2，元件的总长度小，元件的最大伸长量（最大恢复应变量）小（小于1㎜），满足不了大位移的条件。

发明内容

本发明的目的在于提供一种记忆合金航天器解锁驱动元件的制造方法，解决现有驱动元件存在的恢复力大但伸长量小，满足不了大位移、大推力要求的问题。

本发明的技术方案是，记忆合金航天器解锁驱动元件的制造方法，先将驱动元件坯料及模具一起冷却到驱动元件材料的相变点Mf点以下，然后将驱动元件坯料放入模具压制，即得航天器解锁驱动元件。

本发明的特点还在于：

模具包括上、下压板和夹具，上、下压板之间设有中心孔用来放置驱动元件坯料，上、下压板上分别设有定位槽或定位台配合定位。

上、下压板上分别设有半圆形凹槽相对构成中心孔。

驱动元件坯料的制备方法为，将记忆合金在真空感应炉中熔炼，石墨模中浇注成锭，经表面处理后，在1000℃均匀化处理，随后锻造、轧制成棒坯材；经过350-600℃热处理后加工制成H8-9级、长度公差小于0.1㎜的驱动元件坯料。

驱动元件坯料及模具一起冷却到驱动元件材料的相变点Mf点以下10-70℃，冷却时间不小于30分钟。

压制前，在压缩机的上下压头之间放入冰块或干冰冷却不小于10分钟；压制时，取出冷却剂，将压头抬高到合适位置，放入驱动元件坯料及模具；按0.2-1㎜/分钟的速率压制坯料到不超过10%的变形量后卸载。

上述航天器解锁驱动元件，其单向记忆最大可恢复应力不低于320MPa,恢复应变不小于4%。

上述航天器解锁驱动元件加热到Af以上温度10-50℃保持10分钟，随后冷却到Ms点以下，再重复以上过程至少一次，即可获得双向记忆效应；双向记忆效应最大可恢复应力不低于240MPa,恢复应变不低于1.8%。

记忆合金的成分包括：Ti-49.2%（at）Ni，Ti-49.8%（at）Ni%，Ti-47.2%（at）Ni-10%（at）Zr-2%（at）Cu二元和四元合金。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明工艺简单，易于实施，通过更换模具即可实现元件不同直径大小、不同长度尺寸，进而实现不同恢复应力及恢复应变的需求，且易于批量规范化生产。

2、本发明制备成本低，生产制备过程不受数量的限制，可适合多品种、多规格、少数量航天装备的需求。

3、采用本发明制造方法生产的记忆合金航天器解锁驱动元件，回复力和恢复应变性能稳定，可实现驱动特性的批次一致性。

4、本发明制造方法不受TiNi基二元或多元合金系和合金元素成分范围的限制，可制造出长轴比（长度/直径≧5-10），高精度尺寸（直径公差0，－0.036㎜；长度公差0，＋0.1㎜），不同相变温度、高回复力和大位移的驱动元件。

5、本发明制造方法可采用TiNi形状记忆合金棒材，制造出的驱动元件具有大轴比（长度/直径≧5-10）、恢复位移超过3%，推力大于10千牛，适用于航天器温控解锁装置。

6、本发明制造方法是在可拆卸的模具中通过压缩高精度形状记忆合金棒坯制得驱动元件，简便易行，装卸方便，制备成本低；也可实现轴比小于5（长度/直径≤5）的多个元件的一次制备。

7、本发明制造方法制备的驱动元件变形均匀，尺寸精度高，驱动恢复力和恢复应变大。

附图说明

图1为本发明记忆合金航天器解锁驱动元件的制造方法中模具结构示意图；

图中，1.上压板，2下压板，3定位槽，4定位台，5夹具，6.中心孔。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和附图对本发明作进一步详细的说明。

本发明记忆合金航天器解锁驱动元件的制造方法，包括以下步骤：

步骤1、采用零级海绵钛和1号电解镍为记忆合金原料，在真空感应炉中熔炼，石墨模中浇注成锭；铸锭经表面处理后，在1000℃均匀化处理，随后锻造、轧制成8～25㎜棒坯材；经过350-600℃热处理后加工制成H8-9级、长度公差小于0.1㎜的驱动元件坯料。

记忆合金的成分包括：Ti-49.2%（at）Ni，Ti-49.8%（at）Ni%，Ti-47.2%（at）Ni-10%（at）Zr-2%（at）Cu二元和四元合金。

步骤2、将驱动元件坯料及模具一起冷却到元件材料的相变点Mf点以下；

步骤3、将驱动元件坯料放入模具压制。

模具包括上压板1、下压板2和夹具5，上压板1、下压板2上分别设有半圆形凹槽相对构成中心孔6，用来放置驱动元件坯料，上压板1、下压板2上分别设有定位槽3或定位台4配合定位，夹具5夹持在模具的两边。

模具的中心孔6的长度比驱动元件坯料短10%，中心孔6的直径及公差与驱动元件产品相同。

将元件坯料及模具一起冷却到元件材料的相变点Mf点以下10-70℃，冷却时间不小于30分钟。

模具及驱动元件坯料的安装方法：

a.将定位槽3内放入垫片；

b.将上压板1和下压板2对齐组装，并用夹具5将组合的上压板1和下压板2夹持；夹具5夹持在模具的两边；模具和夹具的高度低于中心孔中的装入的元件坯料的高度，两者的高度差间隙距离，用于压缩机的压头压制运动距离。

c.在定位槽3的侧插入垫片；

d.紧夹具5的螺丝将模具夹紧，使模具的中心孔达到元件的尺寸公差要求。并将驱动元件坯料放入中心孔6中。

压制前，将压缩机的上下压头之间放入冰块或干冰冷却不小于10分钟；压制时，取出冷却剂，将压头抬高到合适位置，放入安装好的驱动坯料及模具。

按0.2-1㎜/分钟的速率压制驱动元件坯料到不超过10%的适当的变形量后卸载。取出模具及驱动元件，松动夹具5的螺丝，取出驱动元件。

重复上述过程，制备下一个驱动元件。

将以上工艺步骤制备的驱动元件保持在As温度以下时，驱动元件不产生恢复变形；将驱动元件加热到As温度以上时，驱动元件开始恢复变形，当加热到Af温度以上时，驱动元件产生最大的的单向记忆性能。单向记忆最大可恢复应力不低于320MPa,恢复应变不小于4%。

将制备的驱动元件加热到Af以上温度10-50℃保持10分钟，随后冷却到Ms点以下，再重复以上过程至少一次，即可获得双向记忆效应。双向记忆效应最大可恢复应力不低于240MPa,恢复应变不低于1.8%。

实施例1

（1）采用Ti-49.2%（at）Ni二元成分配制的原料，熔铸、锻造、轧制制备的Ф10㎜的棒材，经热处理后机械加工制成直径和长度为Ф7.78⁰ _-0.036㎜×84.5±0.1㎜的元件坯料。合金元件的Mf＝23.8℃Ms＝49.2℃As＝81.15℃Af＝104.5℃。

（2）制作附图1所示的模具，模具中心孔的高度76㎜，中心孔的直径为Ф8⁰ _-0.036㎜。

（3）将直径Ф7.78元件坯料及模具一起放入冰箱中冷却﹣20℃，冷却时间40分钟。

（4）将零下20℃制取的冰块用塑料袋装好放在与元件坯料接触的压力机的两个压头之间，对压头进行冷却10分钟。

（5）按附图1迅速组装模具，将元件坯料装入模具孔中，迅速移开冷却袋，将装好驱动元件坯料的模具放入压力机的压头间。调整压头使其与元件刚好接触产出约5N力，记录锁定位置。

（6）按0.5㎜/分钟的速率压制坯料到7%后卸载。取出模具，松动夹具螺丝，取出驱动元件。

（7）驱动元件规格为Ф8×79.97㎜。回复应力б_r﹦354MPa，伸长量ΔL﹦3.56mm，回复应变量ε﹦4.26%。

（8）驱动元件长度（或高度）79.97㎜，可恢复应变量3.4㎜。

实施例2

采用Ti-49.8%（at）Ni%二元成分配制的原料，熔铸、锻造、轧制制备的Ф10㎜的棒材，经热处理后机械加工制成直径和长度为Ф7.78⁰ _-0.036㎜×42.25±0.1㎜的元件坯料两件。合金元件的Mf＝20.2℃，Ms＝52.3℃，As＝63.8℃，Af＝92.9℃。

（1）制作附图1所示的模具，模具中心孔的高度76㎜，中心孔的直径为Ф8⁰ _-0.036㎜。

（2）重复实施例1步骤（2）-（5）过程，并将两个坯料同时放入模具中心孔中。

（3）按1.0㎜/分钟的速率压制坯料到7.2%后卸载。取出模具及驱动元件，松动夹具螺丝，取出驱动元件。

（4）驱动元件规格为Ф8×39.95㎜。回复应力б_r﹦381MPa，伸长量ΔL﹦1.91mm，回复应变量ε﹦4.51%。

（5）驱动元件组合长度（或高度）79.9㎜，可恢复总应变量3.6㎜。

实施例3

（1）采用Ti-47.2%（at）Ni-10%（at）Zr-2%（at）Cu四元成分配制的原料，熔铸、锻造、轧制制备的Ф10㎜的棒材，经热处理后机械加工制成直径和长度为Ф7.78⁰ _-0.036㎜×28.33±0.1㎜的元件坯料三件。合金元件的Mf＝37.5℃Ms＝61.3℃As＝112.3℃Af＝135.5℃。

（2）制作附图1所示的模具，模具中心孔的高度76㎜，中心孔的直径为Ф8⁰ _-0.036㎜。

（3）重复实施例1步骤（2）-（5）过程，并将三个坯料同时放入模具中心孔中。

（4）按0.5㎜/分钟的速率压制坯料到7.5%后卸载。取出模具，松动夹具螺丝，取出驱动元件。

（5）驱动元件规格为Ф8×26.65㎜。回复应力б_r﹦410MPa，伸长量ΔL﹦1.22mm，回复应变量ε﹦4.63%。

（6）驱动元件组合长度（或高度）79.95㎜，可恢复总应变量3.7㎜。

Claims (5)

1.记忆合金航天器解锁驱动元件的制造方法，其特征在于，先将驱动元件坯料及模具一起冷却到驱动元件材料的相变点Mf点以下，然后将驱动元件坯料放入模具压制，即得航天器解锁驱动元件；

具体方法为：

步骤1：将记忆合金在真空感应炉中熔炼，石墨模中浇注成锭，经表面处理后，在1000℃均匀化处理，随后锻造、轧制成棒坯材；经过350-600℃热处理后加工制成H8-9级、长度公差小于0.1㎜的驱动元件坯料；

所述记忆合金的成分包括：Ti-49.2％(at)Ni，Ti-49.8％(at)Ni，Ti-47.2％(at)Ni-10％(at)Zr-2％(at)Cu二元和四元合金；

步骤2：驱动元件坯料及模具一起冷却到驱动元件材料的相变点Mf点以下10-70℃，冷却时间不小于30分钟；

步骤3：将驱动元件坯料放入模具压制，压制前，在压缩机的上下压头之间放入冰块或干冰冷却不小于10分钟；压制时，取出冷却剂，将压头抬高到合适位置，放入驱动元件坯料及模具；按0.2-1㎜/分钟的速率压制坯料到不超过10％的变形量后卸载。

2.如权利要求1所述的记忆合金航天器解锁驱动元件的制造方法，其特征在于，所述模具包括上、下压板和夹具，上、下压板之间设有中心孔用来放置驱动元件坯料，上、下压板上分别设有定位槽或定位台配合定位。

3.如权利要求2所述的记忆合金航天器解锁驱动元件的制造方法，其特征在于，上、下压板上分别设有半圆形凹槽相对构成中心孔。

4.如权利要求1所述的记忆合金航天器解锁驱动元件的制造方法，其 特征在于，所述航天器解锁驱动元件，其单向记忆最大可恢复应力不低于320MPa,恢复应变不小于4％。

5.如权利要求1所述的记忆合金航天器解锁驱动元件的制造方法，其特征在于，所述航天器解锁驱动元件加热到Af以上温度10-50℃保持10分钟，随后冷却到Ms点以下，再重复以上过程至少一次，即可获得双向记忆效应；双向记忆效应最大可恢复应力不低于240MPa,恢复应变不低于1.8％。