CN103818050A

CN103818050A - 轻金属三明治复合结构及其制作方法

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Publication number: CN103818050A
Application number: CN201410091904.XA
Authority: CN
Inventors: 阎东辉; 宋洪海
Original assignee: SHENYANG HESHITAI GENERAL TITANIUM INDUSTRY Co Ltd
Current assignee: SHENYANG HESHITAI GENERAL TITANIUM INDUSTRY Co Ltd
Priority date: 2014-03-13
Filing date: 2014-03-13
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2034-03-13
Also published as: CN103818050B

Abstract

一种轻金属三明治复合结构，由外向内依次为承重层、吸能层、内衬层，其技术要点是：所述承重层为钛合金层，吸能层为泡沫铝层层，内衬层为铝合金层，钛合金层、泡沫铝层、铝合金层之间的结合采用钎焊焊合，铝合金层另一面有紧固压板通过贯穿铝合金层、泡沫铝层紧固在钛合金层里面的螺栓螺母固定。钛合金、泡沫铝、铝合金是很好的轻金属材料，各自都有其优异物理性能和机械性能。它们制作的三明治复合结构，拓展了上述单质材料的性能范围，具有重量轻、高比强度、高比刚度、高阻尼、吸能、减震、降噪、电磁屏蔽、耐腐蚀、顺磁性等优异性能，特别是比钢铁材料性能更胜一筹，为解决、改善制造航空母舰甲板和潜水艇壳体的诸多问题提供了一种选择。

Description

轻金属三明治复合结构及其制作方法

技术领域

本发明涉及金属复合板材加工技术领域，具体地说一种具有重量轻、高比强度、高比刚度、高阻尼、吸能、减震、降噪、耐腐蚀、无磁、性能的轻金属三明治复合结构及其制作方法。

背景技术

钛合金、泡沫铝、铝合金是很好的轻金属材料，各自都有其优异物理性能和机械性能。它们制作的三明治复合结构，拓展了上述单质材料的性能范围，具有重量轻、高比强度、高比刚度、高阻尼、吸能、减震、降噪、电磁屏蔽、耐腐蚀、顺磁性等优异性能，特别是比钢铁材料性能更胜一筹，为解决、改善制造航空母舰甲板和潜水艇壳体的诸多问题提供了一种选择。

发明内容

本发明的目的是提供一种重量轻、高比强度、高比刚度、高阻尼、吸能、减震、降噪、电磁屏蔽、耐腐蚀、顺磁性的轻金属三明治复合结构及其制作方法，为解决、改善制造航空母舰甲板和潜水艇壳体的诸多问题提供了一种选择。

本发明的目的是这样实现的：该轻金属三明治复合结构由外向内依次为承重层、吸能层、内衬层，其特征在于：所述承重层为钛合金层，吸能层为泡沫铝层，内衬层为铝合金层，钛合金层、泡沫铝层、铝合金层之间的结合采用钎焊焊合，铝合金层另一面有紧固压板通过贯穿铝合金层、泡沫铝层紧固在钛合金层里面的螺栓螺母固定。

所述承重层厚度为10~40mm，吸能层厚度为20~80mm，紧固层厚度为10~30mm。

该轻金属三明治复合结构的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）取具有阻尼性能的钛合金板，按照图纸要求加工外形尺寸及通孔，打磨钛合金板内侧并涂抹钎焊剂备用；

2）取泡沫铝板，按照图纸要求加工外形尺寸及通孔，打磨泡沫铝板两结合面，分别涂抹钎焊剂备用；

3）取A3003铝合金板，按照图纸要求加工外形尺寸及通孔，打磨铝合金板结合面，并在结合面涂抹钎焊剂备用；

4）取钎焊材料薄板，两面涂抹钎焊剂备用；

5）钎焊材料薄板与具有阻尼性能的钛合金板与泡沫铝板贴合，泡沫铝板与A3003铝合金板贴合，形成“钛合金板-钎焊料-泡沫铝板-钎焊料-铝合金板”结构；

6）在铝合金板的外面设置紧固压板，将紧固螺栓的一端拧入钛合金板螺纹孔并用紧固螺栓螺母将三明治结构紧固；

7）在震动条件下，用火焰加热钛合金板外侧至500~550℃，透过钛合金板使钎焊材料薄板瞬间熔化，将具有阻尼性能的钛合金板与泡沫铝板钎焊焊接在一起；

8）在震动条件下，用火焰加热 A3003铝合金板外侧至500~550℃，透过铝合金板使钎焊材料薄板瞬间熔化，将A3003铝合金板与泡沫铝钎焊在一起。

所述震动为超声波震动或机械波震动。

所述钎焊材料由30~35wt%铝，12~15wt%铜，30~35wt%银，18~22wt%锌构成或由13~17wt%铝，0.015~0.025wt%铍，余量锌构成。

所述具有阻尼性能的钛合金板由下述组分构成：7.5~8.5wt%铝，0.8~1.5wt%钼、0.8~1.5wt%钒、余量钛。

所述钛合金板采用真空自耗炉三次熔炼合金化方法制成。

所述紧固压板为A3003铝板。

所述钎焊剂为氯化铵粉末。

所述钎焊剂溶解在5%聚乙烯醇的水溶液中。

本发明具有的优点及积极的技术效果是：采用阻尼钛合金作为表面承重板，内衬泡沫铝板，底板为铝合金板钎焊焊接制作的夹芯板的三明治结构。结构具有重量轻、高强度、高刚度、高阻尼、吸能、减震、降噪、无磁性、耐腐蚀的综合性能和功能。能够将外来冲击能量转化为热能和机械能，对外来冲击物体产生降低反弹力度，降低撞击声音作用。能够屏蔽封闭空间的噪声、电磁波。

高阻尼钛合金具有高比弹性模量和高阻尼性能，钛铝钼钒合金弹性模量高、密度低。室温抗拉强度896MPa，屈服强度827MPa，延伸率10％，杨氏模量2700GPa，冲击韧性20.3~33.9J，疲劳极限565MPa。

泡沫铝的材料结构具有高阻尼减震性能及高冲击能量吸收率，阻尼性能为金属铝的5~10倍。

将本发明制造的高阻尼金属结构部件用在航空母舰甲板上，可在飞机降落时，吸收飞机落下时对甲板冲击产生的震动波和形变能，迟缓甲板对飞机反作用力，从而提高安全性。

将本发明制造的三明治金属结构应用在潜水艇壳体上，能够提高壳体的抗压强度，加大潜水艇下潜深度；减少甚至完全屏蔽艇内噪声泄露，提高潜水艇的隐蔽性；防深水炸弹攻击，减轻潜水艇重量，提高续航能力和战斗力。

附图说明

以下结合附图对本发明作进一步描述。

附图标记说明：1钛合金层、2钎焊材料、3泡沫铝层、4铝合金层、5紧固压板、6固定螺栓。

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

实施例1

根据图1详细阐述本发明的结构。该高阻尼减震防护甲板由外向内依次为承重层、吸能层、内衬层。其中，最外承重层为钛合金层1，中间吸能层为泡沫铝层3，内衬层为铝合金层4，钛合金层1、泡沫铝层3、铝合金层4之间的结合采用钎焊焊合，铝合金层4另一面有紧固压板5通过贯穿铝合金层4、泡沫铝层3紧固在钛合金层1里面的紧固螺栓6、螺母固定加强，构成三明治结构。紧固螺栓6按照矩阵式设置，对三明治施加夹紧力。承重层厚度为10mm，吸能层厚度为20mm，紧固层厚度为10mm。

该高阻尼减震防护甲板的制作方法，包括以下步骤：

1）取具有阻尼性能的钛合金板，打磨钛合金板内侧并涂抹由聚乙烯醇水溶液与钎焊剂组成的混合液备用。将氯化铵钎焊剂溶解在5%聚乙烯醇的水溶液中制成钎焊剂混合液备用，将氯化铵溶解在5%聚乙烯醇的水溶液中可制成糊状钎焊剂，使用更方便。钛合金板由8.5wt%铝， 1.5wt%钼、1.5wt%钒、88.5wt%钛构成。钛合金板中，加铝可稳定α相，加钼、钒可稳定β相，钛合金板采用真空自耗电弧炉三次熔炼而成，使材料的合金化更加均匀。

2）取泡沫铝板，按照图纸要求加工外形尺寸及通孔，打磨泡沫铝板两结合面，分别涂抹钎焊剂混合液备用。

3）取A3003铝合金板，按照图纸要求加工外形尺寸及通孔，打磨铝合金板结合面，并在结合面涂抹钎焊剂混合液备用。

4）取钎焊材料薄板，在钎焊材料薄板内外两侧涂抹钎焊剂混合液备用。

5）通过钎焊材料薄板将具有阻尼性能的钛合金板与泡沫铝板的外侧贴合，将泡沫铝板的内侧与A3003铝合金板的外侧贴合，形成“钛合金板-泡沫铝板-铝合金板”三明治结构。钛合金有阻尼特性，与泡沫铝制作成为三明治结构，产生协同作用，进一步提高了阻尼性能。

6）在铝合金板的内侧设置紧固压板，将紧固螺栓的一端拧入钛合金板螺纹孔并用紧固螺栓螺母将三明治结构紧固并且施加夹紧力。

7）超声波或机械波震动下，用火焰加热钛合金板外侧至500~550℃，透过钛合金板使钎焊材料薄板瞬间熔化，将具有阻尼性能的钛合金板与泡沫铝板钎焊焊接在一起。

8）超声波或机械波震动下，用火焰加热 A3003铝合金板外侧至500~550℃，透过铝合金板使钎焊材料薄板瞬间熔化，将A3003铝合金板与泡沫铝钎焊在一起。

其中，A3003铝合金板从东北轻合金有限公司购置。

实施例2

承重层厚度为20mm，吸能层厚度为30mm，紧固层厚度为15mm；钛合金板由7.5wt%铝，0.8wt%钼、0.8wt%钒、90.9wt%钛构成；钎焊材料由30wt%铝，12wt%铜，30wt%银，18wt%锌构成；其步骤与实施例1相同。

实施例3

承重层厚度为30mm，吸能层厚度为50mm，紧固层厚度为20mm；钛合金板由8.0wt%铝，1.0wt%钼、1.0wt%钒、90.0wt%钛构成；钎焊材料由31.5wt%铝，12.5wt%铜，30wt%银，18wt%锌构成；其步骤与实施例1相同。

实施例4

承重层厚度为20mm，吸能层厚度为60mm，紧固层厚度为15mm；钛合金板由7.8wt%铝，1.2wt%钼、0.9wt%钒、90.1wt%钛构成；钎焊材料由35wt%铝，15wt%铜，35wt%银，22wt%锌构成；其步骤与实施例1相同。

实施例5

承重层厚度为40mm，吸能层厚度为80mm，紧固层厚度为30mm；钛合金板由8.2wt%铝，0.9wt%钼、1.0wt%钒、89.9wt%钛构成；钎焊材料由15wt%铝，0.02wt%铍，84.98wt%锌构成；其步骤与实施例1相同。

表1 实施例1~5钛合金的组成成分

Figure 201410091904X100002DEST_PATH_IMAGE001

表2 实施例1~5钎焊材料的组成成分

Figure 201410091904X100002DEST_PATH_IMAGE002

表3 实施例1~5各板层厚度

表4 实施例1的防护甲板与钢板阻尼性能对比

Figure 201410091904X100002DEST_PATH_IMAGE004

由表4结果可知，落在钢板上反弹的高度与落在三明治板上反弹高度、声音明显不同。采用本发明的方法生产的防护甲板具有极佳的阻尼性能。

Claims

1.一种轻金属三明治复合结构，由外向内依次为承重层、吸能层、内衬层，其特征在于：所述承重层为钛合金层，吸能层为泡沫铝层层，内衬层为铝合金层，钛合金层、泡沫铝层、铝合金层之间的结合采用钎焊焊合，铝合金层另一面有紧固压板通过贯穿铝合金层、泡沫铝层紧固在钛合金层里面的螺栓螺母固定。

2.根据权利要求1所述的轻金属三明治复合结构其特征在于：所述承重层厚度为10~40mm，吸能层厚度为20~80mm，紧固层厚度为10~30mm。

3.一种轻金属三明治复合结构的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

4）取钎焊材料薄板，两面涂抹钎焊剂备用；

4.根据权利要求3所述的高阻尼减震防护甲板的制作方法，其特征在于：所述震动为超声波震动或机械波震动。

5.根据权利要求3所述的高阻尼减震防护甲板的制作方法，其特征在于：所述钎焊材料由30~35wt%铝，12~15wt%铜，30~35wt%银，18~22wt%锌构成或由13~17wt%铝，0.015~0.025wt%铍，余量锌构成。

6.根据权利要求3所述的高阻尼减震防护甲板的制作方法，其特征在于：所述具有阻尼性能的钛合金板由下述组分构成：7.5~8.5wt%铝，0.8~1.5wt%钼、0.8~1.5wt%钒、余量钛。

7.根据权利要求3所述的高阻尼减震防护甲板的制作方法，其特征在于：所述钛合金板采用真空自耗炉三次熔炼合金化方法制成。

8.根据权利要求3所述的高阻尼减震防护甲板的制作方法，其特征在于：所述紧固压板为A3003铝板。

9.根据权利要求3所述的高阻尼减震防护甲板的制作方法，其特征在于：所述钎焊剂为氯化铵粉末。

10.根据权利要求3或9所述的高阻尼减震防护甲板的制作方法，其特征在于：所述钎焊剂溶解在5%聚乙烯醇的水溶液中。