CN103987478A - 脊箔以及制造脊箔的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种脊箔以及制造脊箔的方法。根据本发明脊箔(10)具有层叠结构。金属粉末被施加于基准模(11)以形成金属材料，该基准模(11)具有脊结构(13)的阴模。分离以这种方式施加的层叠部(14)，由此形成具有脊结构(13)的脊箔(10)。

Description

脊箔以及制造脊箔的方法

技术领域

本发明涉及一种脊箔(riblet foil)以及制造脊箔的方法。特别地，脊箔由金属材料制造并且通过将所述材料层叠到基准模(reference mold)上制成。脊箔具有减小空气阻力的脊结构。

背景技术

降低燃料消耗和减少二氧化碳/氮氧化物(CO₂/NO_x)排放是待解决的重要目标，特别是航空和汽车工业。除了实现重量减小的轻结构模式和提高驱动系统的效率之外，减小空气阻力是实现这些目标的一个主要组成部分。

本领域中已知用于制造减小气流阻力的表面的方法。人们已经知道了很长一段时间，并且此外，在油道实验中已经证实，通过对固体表面设置合适结构，能够减小流过该固体表面的液体或气体介质的阻力。这里的固体表面的结构或纹理(texture)可具有不同形式和尺寸。Bechert,D.W.等人的“Experiments on drag-reducing surfaces and their optimization with adjustablegeometry”(Journal of Fluid Mechanics,Vol.338,pp.59-97,1997)教导了将结构化塑料箔粘结于本体上。

依靠该信息，诸如空客和波音等航空公司利用3M制造的塑料箔进行了实验，该塑料箔上布置有对应结构且之后被粘结于飞机外表面。在利用70％的表面覆盖有这种粘结的塑料箔的大飞机进行的飞行试验中，能够减小2％的阻力(Szodruch J.,Dziomba,B.，“Aircraft Drag Reduction Technologies”，29th Aerospace Science Meeting,Reno,Nevada,January7-10,1991)。这导致节省1.5％的燃料((Roberts J.P.,“Drag Reduction:An Industrial Challenge,SpecialCourse on Skin Friction Drag Reduction”,AGARD Report786,1992)。

然而，至今使用的结构化塑料箔缺乏机械耐久性且塑料箔以及该塑料箔粘结于飞机所使用的胶黏剂会老化。缺乏机械耐久性的一个结果例如是锯齿形结构中的尖端半径变圆，这会导致完全抵消磨擦降低效果(Hage,W.,“ZurWiderstandsverminderung von dreidimensionalen Ribletstrukturen und anderer”【关于三维脊结构以及其他表面的阻力减小】，DissertationTechnical University of Berlin2004)。老化效果甚至会导致塑料箔在运转期间脱落。

本申请人的暂时还未公开的申请提供了一种描述，该描述指出，通过例如在飞机或飞行器的结构组件上使用结构化或纹理化的金属箔，能够实现显著减小气流阻力。为此，金属箔的结构包括脊，该脊是金属箔表面的微观小沟槽。以下，这种纹理化的金属箔将被称为“脊箔”。脊箔的机械耐性大于塑料箔的机械耐性。在纤维增强塑料结构上使用脊箔同时提供导电性以提供防雷保护。

DE10314373A1披露了一种用于制造结构化金属箔的精密铸造方法，该方法涉及钛铝(TiAl)制成的具有纹理化表面的涡轮机叶片的制造。基于例如Oehlert et.al.,Exploratory Experiments on Machined Riblets for2-DCompressor Blades,Proceeding[s]of IMECE2007,2007ASME Internation[al]Mechanical Engineering Congress and Exposition,November11-15,2007,Seattle,Washington,United States中的描述，在本领域中已知还能够通过激光加工或研磨处理在金属表面上应用该结构。

然而，对于飞机、飞行器或其他飞行装置所需的大面积使用来说，这种通过铸造方法或通过去除加工方法直接施加结构或纹理(通过激光或微研磨手段等获得结构)既不具有技术意义，也没有经济意义。

另一方面，在本领域中已知用于制造所需要的数量和/或尺寸的脊箔的制造方法，其中金属箔通过机械加工被结构化或纹理化。例如，该方法是机械(再)成型方法，例如滚轧(包括增量滚扎等增量方法)或冲压。

为了在金属箔上形成锋利边缘的结构，诸如辊等被使用的工具需要以高压力压接该箔。诸如这种的工具通常由例如钢体等十分坚硬的物体(solid fullbody)形成。此外，如果必要，这种工具例如必须由相应的材料制造，从而在高温下工作，以通过塑性变形改变金属箔，由此形成脊箔。诸如抗张强度高达1700MPa的钛合金等高强度材料已不能通过应用变形压力充分塑化，由此完全不能或者只能粗糙地在金属箔上实现脊结构。

因此，本发明的目的在于提供一种脊箔以及制造该脊箔的方法，该方法克服了现有技术的缺点，在使用方面成本有效且最小化了技术复杂性。

发明内容

本目的通过方案1的特征描述的方法实现。在从属方案中指定了优选实施方式。方案9中指定了脊箔。

本发明基于提供用于制造金属脊箔的简单的方法的基本思想，其中通过从各种金属和/或金属合金中进行合适的选择，脊箔的机械和功能特性可适合于各种应用的需求。通过在基准模上构建层叠的结构并且之后从该基准模分离该层叠的结构制造脊箔。基准模的至少一个表面上包括作为至少一个脊纹理的阴模的结构。阴模包括基准模表面中的微尺寸的凹陷。分离基准模之后，脊作为形成的脊箔上的微小升起/尖端被留下。脊能够被形成于脊箔的整体上或形成于被选择的局部区域。基准模的表面被相应地纹理化。

换句话说，建议独立于所需要的脊箔的尺寸、形式和特性提供一种简单的方法，该方法允许利用任何金属粉末制造具有期望的形式、尺寸以及任意期望的特性的脊箔。利用根据本发明的方法，脊箔本身的厚度以及脊箔的尺寸和形状能可变化地制造。有利地，脊箔的厚度小于500um；特别有利地，该厚度在50um-400um之间，特别地至少为200um。脊箔的厚度确保了该箔在具有最小可能重量的同时易于使其自身适用于该箔应用到的各种结构组件。

本发明设想了一种用于制造脊箔的方法，其中脊箔以层构成。基准模的至少一个表面上具有对应于至少一个脊结构的阴模的结构/纹理。由金属粉末组成的至少一个层叠部以形成金属材料的方式施加于该区域。每次需要时都能够重复将金属粉末的其他层叠部在竖直方向或水平方向上施加于基准模的表面。这样获得的至少一个层叠部从基准模分离，并且由此形成金属脊箔。该金属脊箔的至少一个表面上具有脊结构。

金属或金属合金粉末至少包括周期系统的主组和副组中的所有轻金属，特别地包括铝或钛和铝钛混合物，其中还能够利用金属/金属合金粉末以及硬金属来增强待混合的强颗粒。硬金属至少包括一种诸如碳化钨(WC)等作为增强相的一部分的复合材料以及诸如钴等基质或粘结剂。应当理解，金属还包括包含至少一种所述金属的金属合金并且还特别地包括钢合金，优选是钛/钛合金或钢合金，特别优选铝/铝合金，所述金属包括铜、锌、锂、铍、钪、钒或钇。

基准模可由各种材料制成。优选的是具有上述结构/纹理的、由具有高耐久性且显示非常低的磨损和撕裂的材料形成的基准模或表面，该材料例如是已知在冲压和成形工具中使用的且具有良好的抛光特性的X45NiCrMo4钢。

基准模的区域包括对应于至少一个脊结构的阴模的结构，该脊结构由多个梯形、半圆形、流线型和/或锯齿形脊或其组合形成。脊的阴模的脊宽度的尺寸范围为大约20um-130um，优选为30um-80um，特别地为50um-60um，尤其为60um。脊的至少一个阴模的高度为该阴模到下一个邻接的脊的距离的一半。

以层的形式实现将层叠部施加于基准模的区域。能够接连地用相同的金属粉末或不同的金属粉末施加一个或多个层。有利地，施加的第一层叠部可以是钛粉末(或钛合金粉末)层，且其余层叠部由铝粉末制造。这样形成的脊箔具有非常坚固且耐久的脊以及能够由铝廉价制造的基部。此外，本领域技术人员能够利用阳极电镀等本领域已知的方法对铝制基部设置能够完美地适用于粘结动作的表面。

纹理化表面的特性-特别是良好的抛光特性有利于从基准模容易地分离一个或多个施加的层叠部。

金属粉末优选通过喷射方法施加于基准模。例如，通过冷气喷射工序、热动力施加工序(例如，Leoni的)、等离子支持施加工序(例如，Reinhausen Plasma的)或诸如粉末工序、等离子喷射工序或高速氧燃料(HVOF)工序等已知的热喷射施加工序以层的方式施加金属粉末。这些工序允许形成具有微米几何形状的纹理结构。形成的脊结构的脊宽度的尺寸范围为大约20um-130um，优选为30um-80um，特别地为50um-60um。脊的高度为脊宽度的50％-100％。脊高度还可以等于脊宽度，或者可包括所指出的尺寸范围的组合。阴模的结构对应地形成于基准模上。

当通过喷射工序构建至少一个层叠部时，金属粉末以高能量朝向基准模的表面加速。与该表面碰撞时，由于塑性变形或者冷焊工序，金属颗粒彼此连接，因此形成金属材料。因此被加热的气体在冷焊工序期间被加速，并且金属粉末被注入气体射流，由此被加速。在作为热喷射方法的示例的等离子喷射工序期间，在普通气氛或惰性气氛下或在真空中，等离子燃烧器的阴极和阳极之间产生光弧。流过等离子燃烧器的气体被直接引导通过光弧并且被电离。金属粉末被喷射到该被加热的气体中，然后根据高等离子温度融化/塑化。等离子流在基准模的区域的方向上加速金属颗粒。在与基准模碰撞之后，金属颗粒由于塑性变形和/或冷焊和/或固化结合成致密的固态粘结层。

例如与根据现有技术的电流沉积工序相比，喷射至少一个层叠部具有可在基准模上实现更高的沉积率的优点。除了制造方面的经济效益以外，该工序还特别地允许获得能够被应用于飞机的机翅的大脊箔，诸如空中客车有限公司制造的A380型号的机翅。此外，可选择几乎任何可能的金属粉末，其中颗粒尺寸可不同，在从只有几纳米到几百微米的范围内，脊结构的尺寸可相应地选择。

至少一个层叠部可具有不同的厚度。层的厚度可以变化；例如，边缘区域可比层叠部的中心区域厚或者薄。还能够以大致不变的厚度形成层叠部的整体。

基准模可以是一次性的或者可设想为多次使用。可重复使用的基准模成本有效且能够用于其中脊结构相同的由不同金属粉末形成的脊箔的制造中。

在其他实施方式中，基准模被构造为辊。这有利于根据本发明的脊箔的连续制造。

有利地，脊箔的厚度可通过辊的转速调整。当转速低时，实现了例如400um的厚度。另一方面，当需要脊箔较薄-例如200um时，可以简单地增大辊的转速。这种方式有利于通过简单的手段调整脊箔的厚度。

金属脊箔可至少部分精制。该工序例如包括应用于背侧的粘结剂涂层，通过涂敷或表面的改性功能化该表面，由此为该表面提供抵御污染或结冰的坚牢性。

附图说明

以下，将基于附图中图示的实施方式以示例性的方式描述本发明。为了更简明，未按比例绘制实施方式。

图1a示出了根据第一实施方式的脊箔的制造；

图1b示出了具有梯形脊结构的分离的脊箔；

图2图示了根据第二实施方式的脊箔的制造。

具体实施方式

图1a是脊箔的概要图示。基准模11包括区域12和脊结构13。利用涂布系统16，金属粉末的金属颗粒15在朝向区域12的方向上被加速到高速。由于碰撞，金属颗粒15变形并结合以形成金属材料。通过金属颗粒15对区域12的连续喷射动作，形成层叠部14的层型堆积。当层叠部14的厚度达到应用所需要的厚度时，完成金属粉末的喷射动作。

在本实施方式中，涂布系统16是用于冷气喷射的系统。在喷嘴中载运气体被压缩并通过释放载运气体被加速到小于载运气体的声速的速度。金属粉末被注入气体射流中。载运气体的温度小于金属颗粒15融化时的温度，从而这些颗粒实际并未融化。金属颗粒15与该区域14碰撞时变形，其中这样导致的局部热量的释放确保了需要的凝聚和粘结，并因此形成层叠部14，由此形成金属材料。

图1b示出了目前的具有梯形脊结构的分离的脊箔。

脊箔10具有基部18和脊结构17，该脊结构17具有梯形脊。在其他的金属脊箔10的制造中可重复使用基准模11。

图2示出了使用作为基准模的辊11制造脊箔。辊11在区域12上包括脊结构13的阴模，为了更简明在图中省略了该脊结构13的阴模。

如之前结合图1描述的那样，利用涂布系统16使金属颗粒15被加速到高速，金属颗粒15在高动能状态下与辊11的区域12碰撞。由于金属颗粒15的塑性变形和冷焊，金属颗粒15被结合成致密的层叠部14，由此形成金属材料。

辊11的转速确定了层叠部14的厚度。辊11低转速时，金属颗粒15碰上之前形成的层，由此形成了总体较大厚度的层叠部14。层叠部14的厚度取决于诸如辊11的周长和涂布系统相对于辊11的速度等多个因素。

当辊11的转动是连续的且金属粉末通过涂布系统16被连续喷射时，制造了连续的层叠部14。所述层叠部由拆卷辊(unwinding roller)19拾起，并通过拆卷辊19的与辊11的转动方向相反的转动从辊11分离。

连续的脊箔10具有基部18和脊结构17，为了简明从图2省略了脊结构17，且该脊结构17与图1b所示的脊结构17相当。

附图标记列表

10        脊箔

11        基准模、辊

12        区域

13        脊结构

14        层叠部

15        金属颗粒

16        涂布系统

17        脊结构

18        基部

19        拆卷辊

Claims (9)

1.一种通过层型堆积制造金属脊箔(10)的方法，其中所述脊箔(10)通过实施以下步骤至少一次而被构建，这些步骤包括：

设置基准模(11)，所述基准模在至少一个区域(12)具有对应于至少一个脊结构(13)的阴模的结构；

将由金属粉末制造的至少一个层叠部(14)以所述至少一个层叠部(14)结合成金属材料的方式施加于所述基准模(11)的至少一个区域(12)；

从所述基准模(11)分离所述至少一个层叠部(14)，从而所述金属脊箔(10)被形成为至少在所述金属脊箔的一个区域具有脊结构(10)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过喷射金属粉末实现所述至少一个层叠部(14)的施加。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，施加包括钛或钛合金的金属粉末的第一层叠部(14)以及包括铝或铝合金的金属粉末的第二层叠部(14)。

4.根据权利要求1-3中的任意一项所述的方法，其特征在于，所述至少一个层叠部(14)的厚度是可变的。

5.根据权利要求1-4中的任意一项所述的方法，其特征在于，所述基准模(11)是可重复使用的。

6.根据权利要求1-5中的任意一项所述的方法，其特征在于，所述基准模(11)被构造为辊(11)。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，通过所述辊(11)的转速可调整所述至少一个层叠部(14)。

8.根据权利要求1-7中的任意一项所述的方法，其特征在于，所述金属脊箔(10)的表面被至少局部精制。

9.一种脊箔(10)，所述脊箔具有至少一个区域，该至少一个区域具有减小气流阻力的结构，其中所述脊箔(10)通过根据权利要求1-8中的任意一项所述的方法制造。