CN105543744A - 一种高强度、低密度的轻质无人机机翼的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高强度、低密度的轻质无人机机翼的制备方法，该方法包括以下步骤：⑴制备镁合金铸锭；⑵镁合金铸锭进行机加工后退火；⑶挤压准备：将步骤⑵所得的镁合金铸锭、模具、挤压筒分别加热；⑷对步骤⑶所得的镁合金铸锭进行挤压，得到型材并进行牵引；⑸对步骤⑷所得的型材切割；⑹将步骤⑸所得的产品进行机加工后淬水，并进行时效处理后使其自然冷却至室温；⑺对步骤⑹所得的材料进行机加工，即得所需无人机机翼。本发明工艺简单、易于实施，所得产品在保证强度的同时可以有效解决无人机的重量问题，提高飞行效率、飞行高度和安全性，且减低了油耗。

Description

一种高强度、低密度的轻质无人机机翼的制备方法

技术领域

本发明涉及金属材料类及航空航天领域，尤其涉及一种高强度、低密度的轻质无人机机翼的制备方法。

背景技术

无人机UAV（UnmannedAerialVehicles）低成本、零伤亡、高机动性等优势使其广泛应用于军事领域，是当今世界上军用武器发展的一个热点。无人机作为一种新型的航空作战武器，从机体平台技术观点看其具有下列共同的技术特点和要求：低成本、轻结构、高隐身、长航时、高使用寿命、长储存寿命，对与无人作战飞机来讲还有高机动、大过载的要求。上述特点和要求决定了在设计机体结构中必须通过减轻重量和增大强度来提高飞机的机体参数和飞行参数。大结构重量很大程度地影响无人机性能。据统计结构重量降低1kg可节约：民用航空660美元；军用飞机6600美元；喷气发动机每减轻1kg，飞机可减轻4kg，升限可提高10米。但常用复合材料存在以下问题：

⑴应分析所应用的部位。由于翼肋主要维持机翼气动外形，对于压缩载荷较大及承受集中载荷的翼肋，不宜考虑应用复合材料翼肋。低载区（如机翼翼稍附近、操纵面翼肋等）的普通肋可考虑采用复合材料翼肋。如A380机翼的操纵面翼肋采用了RTM制造技术的复合材料。

⑵机翼翼肋为了防止腹板在压缩载荷下发生屈曲，一般采用纵横加筋。复合材料结构如采用纵横加筋的方案无疑会大幅度增加工艺复杂性。

⑶翼肋上通常需要预留系统通路。复合材料翼肋腹板开口造成纤维切断，纤维承载能力下降，一般通过对开口区补强恢复承剪能力，与未开口的腹板相比，减重潜力降低，未发挥复合材料减重优势。

⑷由于复合材料电传导性能差，因此复合材料翼肋EMC（电磁兼容）效率较之金属翼肋降低。为此还需要额外的导电通路，即增加了不必要的结构重量，降低了复合材料的减重优势。

⑸翼肋承受法向燃油晃动载荷的冲击，如果采用复合材料翼肋，则在翼肋腹板面的法向燃油冲击载荷会引起分层缺陷。分层缺陷是复合材料最致命的缺陷之一。

⑹复合材料翼肋连接设计也十分复杂。多段翼肋的缘条与蒙皮分别连接，设计补偿多达数百个。翼肋腹板通过金属角片与长桁连接，翼肋前后端通过金属接头与前后梁连接，因此，在热塑性材料采购没有可靠渠道且在热塑性材料工艺应用技术取得突破前，仍建议采用金属连接件作为基线方案。因此，翼肋和翼肋连接件均采用金属结构作为基线方案成熟度较高。

本发明利用一种高强度、大塑性的镁合金产品作为材料，通过挤压的方式来制作无人机机翼，但是镁合金材料在1500t压机对无人机机翼这种异型材进行一体成型式挤压的过程中容易遇到以下问题：

⑴镁合金材料在挤压过程中流动性较差，如果对温度和速度控制不精确的话非常容易出现模具填充不完整的状况，尤其是挤压速度。当变形速度较高时，因变形引起的热效应，会使挤压材料温度升高，从而流动应力明显降低。当变形速度再增高时，虽然毛坯的升温很明显，但是由于变形过程中金属的加工硬化速度比再结晶的软化过程快，坯料流动应力不但不减小，反而明显增大，使得挤压出来的型材形状有缺陷，不能达到标准。

⑵金属镁是密排六方结构，所以镁合金的塑变能力差，高温时由于易产生孪晶滑移，塑性变形能力提高，但温度过高，会导致晶粒长大，塑性变形能力降低，而且会影响到产品的强度。同时对于飞机机翼这类异型材，机翼壁厚仅为1mm，远低于同行业2mm的水平，在挤压过程中挤压比很大，材料和模具之间有很大摩擦力，在挤压过程中会产生非常高的热量，使得挤压过程中温度很难控制，导致产品容易起皮、撕裂、表面不光滑，影响质量。

因此，迫切需要开发一种高强度、低密度的轻质无人机机翼，来解决无人机无人机飞行过程中高机动、大载荷和高强度所带来的问题，同时需要提供一种以镁合金为材料的无人机机翼的挤压方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种工艺简单、易于实施的高强度、低密度的轻质无人机机翼的制备方法。

为解决上述问题，本发明所述的一种高强度、低密度的轻质无人机机翼的制备方法，包括以下步骤：

⑴制备镁合金铸锭：

分别将镁锭940~980kg、铝锭3~7kg、锌锭15~21kg、Al-20Ti中间合金8~12kg、Mg-50Nd中间合金3.0~4.2kg、Mg-50Y中间合金6.5~7.5kg、Mg-50Ce中间合金1.0~1.4kg预热至100~180℃，然后将所述镁锭、所述铝锭、所述锌锭置于CO₂和Ar混合气体保护的熔炉中熔化；熔化后在650~760℃保温25~45分钟，再升温至760~840℃，此时加入所述Al-20Ti中间合金、所述Mg-50Nd中间合金、所述Mg-50Y中间合金、所述Mg-50Ce中间合金，待所述Al-20Ti中间合金、所述Mg-50Nd中间合金、所述Mg-50Y中间合金、所述Mg-50Ce中间合金熔化后将镁液升温至770~860℃保温30~50分钟；再降温至650~800℃，静置10~20分钟后采用预先加热至150~300℃的钢制模具进行浇铸，即得镁合金铸锭；

⑵将所述镁合金铸锭自然冷却至室温后进行机加工，再运用常规方法除去表面油污，经无水酒精清洗之后放入电阻炉Ⅰ中进行退火，随炉加热至300℃~380℃并保温30~35小时，然后随炉冷却；

⑶挤压准备：

将所述步骤⑵所得的镁合金铸锭放入电阻炉Ⅱ中，其加热目标温度为350~450℃，加热方式为空炉到温后一次性放入铸锭，铸锭实测到400~450℃后保温1~3小时；

同时将模具放入电阻炉Ⅲ中，其加热目标温度为250~400℃，加热方式为冷炉放模，模具实测到300~350℃后保温1~3小时；

同时将挤压筒加热至350~450℃；

⑷实测温度达到要求之后对1500t压机的挤压筒、挤压头、挤压头与模具连接处用润滑剂进行润滑后放入所述模具和所述步骤⑶所得的镁合金铸锭进行挤压，在速度改为恒速度之后型材出了校直工装、打开靠近牵引机的四组风机进行风冷冷却，型材出模具衬100~200mm后用牵引机开始牵引；

⑸所述步骤⑷所得的型材进行切割，型材从头部300~500mm处锯掉，尾部从一、二段型材挤压接合处前100mm处锯掉；

⑹将所述步骤⑸所得的产品进行机加工，然后运用常规方法除去表面油污，经无水酒精清洗后放入电阻炉Ⅳ中加热至340℃~400℃，并保温2~5小时，再加热至400~460℃，保温4~10小时，淬水，得到固溶强化处理后的镁合金；将所述固溶强化处理后的镁合金进行时效处理后使其自然冷却至室温；

⑺对所述步骤⑹所得的材料进行机加工和常规的表面去污处理后，再进行机加工，即得所需无人机机翼。

所述步骤⑴中镁锭、铝锭、锌锭、中间合金Mg-RE和Al-Ti均为工业级纯度及以上。

所述步骤⑷中润滑剂是指动物油脂猪油。

所述步骤⑷中挤压初始速度为1.5~10mm/min，之后恒速度为0.2~5mm/min。

所述步骤⑷中牵引机的牵引力为40~100KN。

所述步骤⑹中的时效处理条件是指温度为170~190℃，时间为20~40小时。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明在挤压过程中采用1500t压机对磨具进行一体式挤压，直接成型，在挤压过程中充分解决了镁合金挤压过程中的技术问题，通过反复试验，确定镁合金无人机机翼挤压过程中的温度范围和冷却方式，使材料达到所需强度。

2、本发明通过模具加热温度比材料加热温度低100~150℃和对压头、挤压筒、挤压筒、挤压头、挤压头与模具连接处用润滑剂进行润滑的的方式，减少了挤压过程中摩擦产生热量对材料成型的影响。

3、本发明将镁合金挤压温度控制到合适范围，同时采用较低的速度，使材料在挤压过程中不会因温度过快而升温，保证流动应力不会因挤压而增大，使得材料挤压成型过程中可以填充完整，从而避免了起皮和撕裂的现象出现，达到了在保证材料形貌和强度的同时表面光滑、无人机机翼壁厚最薄为1mm。

4、本发明所得产品经实际测试，机翼最大翼根强度可达到280MPa以上，高于一般复合材料的253MPa，使得无人机机翼强度得到了有效提升；同时，因为镁合金材料具有低密度的特性，本发明在保证强度的同时机翼密度为1.78g/cm³，与一般复合材料机翼相比，减重效率可以达到15%~20%，可以有效解决无人机的重量问题，提高飞行效率、飞行高度和安全性，且减低了油耗。

5、本发明所使用的镁合金产品作为特殊合金，具有良好的导电性，解决了普通复合材料无人机机翼的线路布置所带来的的加重等问题；镁合金还具有优越的电磁屏蔽性，在军用领域可以有效地屏蔽雷达信号，做到无人机隐形。

6、本发明工艺简单、易于实施。

具体实施方式

实施例1一种高强度、低密度的轻质无人机机翼的制备方法，包括以下步骤：

⑴制备镁合金铸锭：

分别将镁锭940kg、铝锭7kg、锌锭21kg、Al-20Ti中间合金12kg、Mg-50Nd中间合金4.2kg、Mg-50Y中间合金7.5kg、Mg-50Ce中间合金1.4kg预热至100~130℃，然后将镁锭、铝锭、锌锭置于CO₂和Ar混合气体保护的熔炉中熔化；熔化后在650~690℃保温45分钟，再升温至760~790℃，此时加入Al-20Ti中间合金、Mg-50Nd中间合金、Mg-50Y中间合金、Mg-50Ce中间合金，待Al-20Ti中间合金、Mg-50Nd中间合金、Mg-50Y中间合金、Mg-50Ce中间合金熔化后将镁液升温至770~800℃保温50分钟；再降温至650~700℃，静置20分钟后采用预先加热至150~200℃的钢制模具进行浇铸，即得镁合金铸锭。

⑵将镁合金铸锭自然冷却至室温后进行机加工，再运用常规方法除去表面油污，经无水酒精清洗之后放入电阻炉Ⅰ中进行退火，随炉加热至300℃~330℃并保温35小时，然后随炉冷却。

⑶挤压准备：

将步骤⑵所得的镁合金铸锭放入电阻炉Ⅱ中，其加热目标温度为350~380℃，加热方式为空炉到温后一次性放入铸锭，铸锭实测到400~415℃后保温3小时；

同时将模具放入电阻炉Ⅲ中，其加热目标温度为250~300℃，加热方式为冷炉放模，模具实测到300~315℃后保温3小时；

同时将挤压筒加热至350~380℃。

⑷实测温度达到要求之后对1500t压机的挤压筒、挤压头、挤压头与模具连接处用润滑剂，即动物油脂猪油，进行润滑后放入模具和步骤⑶所得的镁合金铸锭进行挤压，挤压初始速度为1.5mm/min，之后恒速度为0.2mm/min。

在速度改为恒速度之后型材出了校直工装、打开靠近牵引机的四组风机进行风冷冷却，型材出模具衬100mm后用牵引机开始牵引，牵引机的牵引力为40KN。

⑸步骤⑷所得的型材进行切割，型材从头部300mm处锯掉，尾部从一、二段型材挤压接合处前100mm处锯掉。

⑹将步骤⑸所得的产品进行机加工，然后运用常规方法除去表面油污，经无水酒精清洗后放入电阻炉Ⅳ中加热至340℃~360℃，并保温5小时，再加热至400~420℃，保温10小时，淬水，得到固溶强化处理后的镁合金；将固溶强化处理后的镁合金在温度为170~175℃的条件下进行时效处理，40小时后使其自然冷却至室温。

⑺对步骤⑹所得的材料进行机加工和常规的表面去污处理后，再进行机加工，即得所需无人机机翼。

本实施例中镁合金经过热处理后室温抗拉强度为280MPa。

实施例2一种高强度、低密度的轻质无人机机翼的制备方法，包括以下步骤：

⑴制备镁合金铸锭：

分别将镁锭960kg、铝锭57kg、锌锭18kg、Al-20Ti中间合金10kg、Mg-50Nd中间合金3.6kg、Mg-50Y中间合金7.0kg、Mg-50Ce中间合金1.2kg预热至130~160℃，然后将镁锭、铝锭、锌锭置于CO₂和Ar混合气体保护的熔炉中熔化；熔化后在690~730℃保温35分钟，再升温至790~820℃，此时加入Al-20Ti中间合金、Mg-50Nd中间合金、Mg-50Y中间合金、Mg-50Ce中间合金，待Al-20Ti中间合金、Mg-50Nd中间合金、Mg-50Y中间合金、Mg-50Ce中间合金熔化后将镁液升温至800~830℃保温40分钟；再降温至700~750℃，静置15分钟后采用预先加热至200~250℃的钢制模具进行浇铸，即得镁合金铸锭。

⑵将镁合金铸锭自然冷却至室温后进行机加工，再运用常规方法除去表面油污，经无水酒精清洗之后放入电阻炉Ⅰ中进行退火，随炉加热至330℃~360℃并保温32小时，然后随炉冷却。

⑶挤压准备：

将步骤⑵所得的镁合金铸锭放入电阻炉Ⅱ中，其加热目标温度为380~420℃，加热方式为空炉到温后一次性放入铸锭，铸锭实测到415~430℃后保温2小时；

同时将模具放入电阻炉Ⅲ中，其加热目标温度为300~350℃，加热方式为冷炉放模，模具实测到315~330℃后保温2小时；

同时将挤压筒加热至380~420℃。

⑷实测温度达到要求之后对1500t压机的挤压筒、挤压头、挤压头与模具连接处用润滑剂，即动物油脂猪油，进行润滑后放入模具和步骤⑶所得的镁合金铸锭进行挤压，挤压初始速度为6mm/min，之后恒速度为3mm/min。

在速度改为恒速度之后型材出了校直工装、打开靠近牵引机的四组风机进行风冷冷却，型材出模具衬150mm后用牵引机开始牵引，牵引机的牵引力为70KN。

⑸步骤⑷所得的型材进行切割，型材从头部400mm处锯掉，尾部从一、二段型材挤压接合处前100mm处锯掉。

⑹将步骤⑸所得的产品进行机加工，然后运用常规方法除去表面油污，经无水酒精清洗后放入电阻炉Ⅳ中加热至360℃~380℃，并保温3.5小时，再加热至420~440℃，保温7小时，淬水，得到固溶强化处理后的镁合金；将固溶强化处理后的镁合金在温度为175~185℃的条件下进行时效处理，30小时后使其自然冷却至室温。

⑺对步骤⑹所得的材料进行机加工和常规的表面去污处理后，再进行机加工，即得所需无人机机翼。

本实施例中镁合金经过热处理后室温抗拉强度为265MPa。

实施例3一种高强度、低密度的轻质无人机机翼的制备方法，包括以下步骤：

⑴制备镁合金铸锭：

分别将镁锭980kg、铝锭3kg、锌锭15kg、Al-20Ti中间合金8kg、Mg-50Nd中间合金3.0kg、Mg-50Y中间合金6.5kg、Mg-50Ce中间合金1.0kg预热至160~180℃，然后将镁锭、铝锭、锌锭置于CO₂和Ar混合气体保护的熔炉中熔化；熔化后在730~760℃保温25分钟，再升温至820~840℃，此时加入Al-20Ti中间合金、Mg-50Nd中间合金、Mg-50Y中间合金、Mg-50Ce中间合金，待Al-20Ti中间合金、Mg-50Nd中间合金、Mg-50Y中间合金、Mg-50Ce中间合金熔化后将镁液升温至830~860℃保温30分钟；再降温至750~800℃，静置10分钟后采用预先加热至250~300℃的钢制模具进行浇铸，即得镁合金铸锭。

⑵将镁合金铸锭自然冷却至室温后进行机加工，再运用常规方法除去表面油污，经无水酒精清洗之后放入电阻炉Ⅰ中进行退火，随炉加热至360℃~380℃并保温30小时，然后随炉冷却。

⑶挤压准备：

将步骤⑵所得的镁合金铸锭放入电阻炉Ⅱ中，其加热目标温度为420~450℃，加热方式为空炉到温后一次性放入铸锭，铸锭实测到430~450℃后保温1小时；

同时将模具放入电阻炉Ⅲ中，其加热目标温度为350~400℃，加热方式为冷炉放模，模具实测到330~350℃后保温1小时；

同时将挤压筒加热至420~450℃。

⑷实测温度达到要求之后对1500t压机的挤压筒、挤压头、挤压头与模具连接处用润滑剂，即动物油脂猪油，进行润滑后放入模具和步骤⑶所得的镁合金铸锭进行挤压，挤压初始速度为10mm/min，之后恒速度为5mm/min。

在速度改为恒速度之后型材出了校直工装、打开靠近牵引机的四组风机进行风冷冷却，型材出模具衬200mm后用牵引机开始牵引，牵引机的牵引力为100KN。

⑸步骤⑷所得的型材进行切割，型材从头部500mm处锯掉，尾部从一、二段型材挤压接合处前100mm处锯掉。

⑹将步骤⑸所得的产品进行机加工，然后运用常规方法除去表面油污，经无水酒精清洗后放入电阻炉Ⅳ中加热至380℃~400℃，并保温2小时，再加热至440~460℃，保温4小时，淬水，得到固溶强化处理后的镁合金；将固溶强化处理后的镁合金在温度为185~190℃的条件下进行时效处理，20小时后使其自然冷却至室温。

⑺对步骤⑹所得的材料进行机加工和常规的表面去污处理后，再进行机加工，即得所需无人机机翼。

本实施例中镁合金经过热处理后室温抗拉强度为270MPa。

上述实施例1~3中，镁锭、铝锭、锌锭、Al-20Ti中间合金、Mg-50Nd中间合金、Mg-50Y中间合金、Mg-50Ce中间合金均为工业级纯度及以上。

Claims (6)

1.一种高强度、低密度的轻质无人机机翼的制备方法，包括以下步骤：

⑴制备镁合金铸锭：

分别将镁锭940~980kg、铝锭3~7kg、锌锭15~21kg、Al-20Ti中间合金8~12kg、Mg-50Nd中间合金3.0~4.2kg、Mg-50Y中间合金6.5~7.5kg、Mg-50Ce中间合金1.0~1.4kg预热至100~180℃，然后将所述镁锭、所述铝锭、所述锌锭置于CO₂和Ar混合气体保护的熔炉中熔化；熔化后在650~760℃保温25~45分钟，再升温至760~840℃，此时加入所述Al-20Ti中间合金、所述Mg-50Nd中间合金、所述Mg-50Y中间合金、所述Mg-50Ce中间合金，待所述Al-20Ti中间合金、所述Mg-50Nd中间合金、所述Mg-50Y中间合金、所述Mg-50Ce中间合金熔化后将镁液升温至770~860℃保温30~50分钟；再降温至650~800℃，静置10~20分钟后采用预先加热至150~300℃的钢制模具进行浇铸，即得镁合金铸锭；

⑵将所述镁合金铸锭自然冷却至室温后进行机加工，再运用常规方法除去表面油污，经无水酒精清洗之后放入电阻炉Ⅰ中进行退火，随炉加热至300℃~380℃并保温30~35小时，然后随炉冷却；

⑶挤压准备：

将所述步骤⑵所得的镁合金铸锭放入电阻炉Ⅱ中，其加热目标温度为350~450℃，加热方式为空炉到温后一次性放入铸锭，铸锭实测到400~450℃后保温1~3小时；

同时将模具放入电阻炉Ⅲ中，其加热目标温度为250~400℃，加热方式为冷炉放模，模具实测到300~350℃后保温1~3小时；

同时将挤压筒加热至350~450℃；

⑷实测温度达到要求之后对1500t压机的挤压筒、挤压头、挤压头与模具连接处用润滑剂进行润滑后放入所述模具和所述步骤⑶所得的镁合金铸锭进行挤压，在速度改为恒速度之后型材出了校直工装、打开靠近牵引机的四组风机进行风冷冷却，型材出模具衬100~200mm后用牵引机开始牵引；

⑸所述步骤⑷所得的型材进行切割，型材从头部300~500mm处锯掉，尾部从一、二段型材挤压接合处前100mm处锯掉；

⑹将所述步骤⑸所得的产品进行机加工，然后运用常规方法除去表面油污，经无水酒精清洗后放入电阻炉Ⅳ中加热至340℃~400℃，并保温2~5小时，再加热至400~460℃，保温4~10小时，淬水，得到固溶强化处理后的镁合金；将所述固溶强化处理后的镁合金进行时效处理后使其自然冷却至室温；

⑺对所述步骤⑹所得的材料进行机加工和常规的表面去污处理后，再进行机加工，即得所需无人机机翼。

2.如权利要求1所述的一种高强度、低密度的轻质无人机机翼的制备方法，其特征在于：所述步骤⑴中镁锭、铝锭、锌锭、Al-20Ti中间合金、Mg-50Nd中间合金、Mg-50Y中间合金、Mg-50Ce中间合金均为工业级纯度及以上。

3.如权利要求1所述的一种高强度、低密度的轻质无人机机翼的制备方法，其特征在于：所述步骤⑷中润滑剂是指动物油脂猪油。

4.如权利要求1所述的一种高强度、低密度的轻质无人机机翼的制备方法，其特征在于：所述步骤⑷中挤压初始速度为1.5~10mm/min，之后恒速度为0.2~5mm/min。

5.如权利要求1所述的一种高强度、低密度的轻质无人机机翼的制备方法，其特征在于：所述步骤⑷中牵引机的牵引力为40~100KN。

6.如权利要求1所述的一种高强度、低密度的轻质无人机机翼的制备方法，其特征在于：所述步骤⑹中的时效处理条件是指温度为170~190℃，时间为20~40小时。