CN108326525A - 一种充填气凝胶的钛合金三维点阵防热结构制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种充填气凝胶的钛合金三维点阵防热结构制备方法，其技术要点在于：用气凝胶填充钛合金三维点阵结构内部空间的下半部分，钛合金三维点阵结构内部空间的上半部分通过气体进行主动冷却，在钛合金三维点阵结构的外部覆盖闭式等离子模块，钛合金三维点阵结构的内部放置等离子激发电源；本发明能够制备成本低、效率高，可制备大尺寸和复杂型面的耐高温热防护一体化结构，有效地实现散热和隔热的效果，同时具有良好的力学性能和承载能力，闭式等离子模块用于吸收电磁波，同时将等离子激发电源放置于钛合金三维点阵结构的内侧，可以有效屏蔽等离子激发电源发射的电磁波。
Description
技术领域
本发明涉及金属点阵结构的制备方法技术领域，特别是涉及一种充填气凝胶的钛合金三维点阵防热结构制备方法。
背景技术
现有技术中的钛合金三维点阵结构可以采用下面的方法来制备，如图1-2所示，首先是将钛丝逐层呈一定角度交错铺层，然后在高温条件下，施加固定的压力，保温保压一定时间，使不同层之间的钛合金丝相互扩散连接在一起，然后采用钎焊（TiCuNi-60，以20℃min-1的速度升温至550℃，保温5min，然后在升温至975℃，在真空度为10-7Torr条件下，保温30min）的方法，将面板与点阵结构连接在一起，从而制备出钛合金多孔结构夹层结构。
此外，钛合金多孔结构夹层结构也可以采用快速成形的方法来制备，如图3-4所示，是通过电子束、激光快速成型方法制备的多孔结构结构。
另外，也有采用如图5-6所示的金属板网冲压后再与面板钎焊的方法制备了Ti-6Al-4V的多孔结构夹层结构。
但是，现有技术中的钛合金三维点阵结构的制备方法，制备成本较高、效率有待提升，无法制备大尺寸和复杂型面的耐高温热防护一体化结构；并且现有技术中的钛合金三维点阵结构的制备方法制备的钛合金三维点阵结构不能有效地实现散热和隔热的效果，也不具有良好的力学性能和承载能力。
气凝胶是一种分散介质为气体的凝胶材料，固体相和孔隙结构均为纳米量级。其孔隙率高达80%～99. 8%，典型孔隙尺寸1～100nm，网络胶体颗粒尺寸3～20nm，比表面积200～1100m2/g。气凝胶作为一种具有高吸附性、低密度的多孔材料，在诸多领域中有着广泛的应用，例如用作保温隔热材料、催化剂载体、药物吸附载体、介电材料等。常用的用于隔热结构的气凝胶有Al2O3、SiO2气凝胶。
发明内容
本发明的目的就是解决以上技术中存在的问题，并为此提供一种充填气凝胶的钛合金三维点阵防热结构制备方法。
一种充填气凝胶的钛合金三维点阵防热结构制备方法，用气凝胶填充钛合金三维点阵结构内部空间的下半部分，钛合金三维点阵结构内部空间的上半部分通过气体进行主动冷却；在钛合金三维点阵结构的外部覆盖闭式等离子模块，钛合金三维点阵结构的内部放置等离子激发电源。
进一步地，用气凝胶填充三维点阵结构内部空间的下半部分的方法包括，第一步为加工出非网格芯板的网格结构；第二步为止焊剂涂覆；第三步为芯板与面板的叠层；第四步为芯板与面板扩散连接；第五步为超塑成形；第六步为切割出钛合金三维点阵夹层结构，通过切断进气管和排气管，使得钛合金三维点阵结构的内部空间通过切割留下的进气口和排气口与外部相通；第七步为将预制件放入到清洗槽中进行超声清洗，对钛合金三维点阵结构内部进行清洗，去除止焊剂和污垢。
进一步地，止焊剂涂覆步骤是在芯板的两面都涂覆上止焊剂，涂覆位置为筋条交会处。
进一步地，止焊剂涂覆步骤中，芯板的两面可不涂覆止焊剂，采用钎焊的方法在真空热处理炉或真空钎焊炉中进行连接。
进一步地，芯板与面板的叠层步骤是从上至下依次将上面板、第一网格芯板、非网格芯板、第二网格芯板和下面板顺序叠层，再采用氩弧焊进行封焊，其中，在上面板和第一网格芯板及非网格芯板之间分别焊接进气管和排气管，在非网格芯板和第二网格芯板及下面板之间也分别焊接进气管和排气管。
进一步地，芯板与面板扩散连接步骤为采用型模加压的方法，将芯板分别与上面板和下面板扩散连接在一起，该步骤中，加热温度为870-950℃，压强为2-4MPa，加热时间为1.5-3h；超塑成形步骤为将扩散连接后的预制件放入到超塑成形模具中进行超塑成形，该步骤中，加热温度为870-950℃，压强为2-4MPa，加热时间为1.5-3h。
进一步地，在钛合金三维点阵结构内部制备气凝胶为通过溶胶-凝胶的方法，经过凝胶制备、凝胶注入、凝胶陈化和凝胶干燥的工艺过程，气凝胶可以是SiO2、Al2O3气凝胶中的任一种，气凝胶通过非网格芯板和第二网格芯板及下面板之间的进气管注入。
进一步地，钛合金三维点阵结构内部空间的上半部分通过气体进行主动冷却包括上面板和第一网格芯板及非网格芯板之间的进气管和排气管在服役过程中通入冷却气流，实现对上面板的冷却。
进一步地，钛合金三维点阵结构包括钛合金三维点阵结构本体，钛合金三维点阵结构本体的外部连接有闭式等离子模块。
进一步地，钛合金三维点阵结构本体包括上面板和下面板，上面板和下面板的中部设置有与分别与上面板和下面板平行的非网格芯板，上面板和非网格芯板之间设置有第一网格芯板，下面板和非网格芯板之间设置有第二网格芯板；闭式等离子模块包括闭式等离子壳体，闭式等离子壳体上设置有等离子引导电极，闭式等离子壳体的内部设置有闭式等离子腔体，该闭式等离子腔体连接有穿过钛合金三维点阵结构本体的等离子激发腔体，等离子激发腔体的另一端设置有等离子感应激发线圈，等离子感应激发线圈上连接有导线，导线的另一端连接有等离子激发电源。
本发明的优点：
1、制备成本低、效率高，可制备大尺寸和复杂型面的耐高温热防护一体化结构；
2、有效地实现散热和隔热的效果，同时具有良好的力学性能和承载能力；
3、 闭式等离子模块用于吸收电磁波，同时将等离子激发电源放置于钛合金三维点阵结构的内侧，可以有效屏蔽等离子激发电源发射的电磁波。
附图说明
图1为现有技术中钛合金多孔结构夹层结构的制备过程的原理示意图；
图2为现有技术中扩散连接法制备的钛合金多孔结构的实物图；
图3为现有技术中电子束或激光束快速成形钛合金多孔结构结构工艺过程示意图；
图4为现有技术中电子束快速成形法制备钛合金多孔结构结构示意图；
图5为现有技术中金字塔型芯体的结构示意图；
图6为现有技术中X型芯体的结构示意图；
图7为芯板的止焊剂涂覆位置示意简图；
图8为钛合金三维点阵结构的SPF/DB成形原理示意图；
图9为填充气凝胶的钛合金三维点阵防热结构的示意简图。
附图中的标记为：
1、钛合金三维点阵结构
2、等离子激发腔体
3、等离子感应激发线圈
4、导线
5、等离子激发电源
6、下面板
7、第二网格芯板
8、非网格芯板
9、第一网格芯板
10、上面板
11、等离子引导电极
12、闭式等离子腔体
13、闭式等离子壳体
14、闭式等离子模块。
具体实施方式
为了使本发明更容易被清楚理解，以下结合附图以及实施例对本发明的技术方案作以详细说明。
实施例1
如图7-9所示，一种充填气凝胶的钛合金三维点阵防热结构制备方法，用气凝胶填充钛合金三维点阵结构内部空间的下半部分，钛合金三维点阵结构内部空间的上半部分通过气体进行主动冷却；在钛合金三维点阵结构的外部覆盖闭式等离子模块14，钛合金三维点阵结构的内部放置等离子激发电源5。
用气凝胶填充三维点阵结构内部空间的下半部分的方法包括，第一步为加工出非网格芯板8的网格结构；第二步为止焊剂涂覆；第三步为芯板与面板的叠层；第四步为芯板与面板扩散连接；第五步为超塑成形；第六步为切割出钛合金三维点阵夹层结构，通过切断进气管和排气管，使得钛合金三维点阵结构的内部空间通过切割留下的进气口和排气口与外部相通；第七步为将预制件放入到清洗槽中进行超声清洗，对钛合金三维点阵结构内部进行清洗，去除止焊剂和污垢。钛合金三维点阵结构内部空间的上半部分通过气体进行主动冷却包括上面板10和第一网格芯板9及非网格芯板8之间的进气管和排气管在服役过程中通入冷却气流，实现对上面板的冷却。
钛合金三维点阵结构包括上面板10和下面板6，上面板10和下面板6的中部设置有与分别与上面板1和下面板6平行的非网格芯板8，上面板1和非网格芯板8之间设置有第一网格芯板9，下面板6和非网格芯板8之间设置有第二网格芯板7。
实施例2
如图7-9所示，一种充填气凝胶的钛合金三维点阵防热结构制备方法，用气凝胶填充钛合金三维点阵结构内部空间的下半部分，钛合金三维点阵结构内部空间的上半部分通过气体进行主动冷却；在钛合金三维点阵结构的外部覆盖闭式等离子模块14，钛合金三维点阵结构的内部放置等离子激发电源5。
用气凝胶填充三维点阵结构内部空间的下半部分的方法包括，第一步为加工出非网格芯板8的网格结构；第二步为止焊剂涂覆；第三步为芯板与面板的叠层；第四步为芯板与面板扩散连接；第五步为超塑成形；第六步为切割出钛合金三维点阵夹层结构，通过切断进气管和排气管，使得钛合金三维点阵结构的内部空间通过切割留下的进气口和排气口与外部相通；第七步为将预制件放入到清洗槽中进行超声清洗，对钛合金三维点阵结构内部进行清洗，去除止焊剂和污垢。
止焊剂涂覆步骤是在芯板的两面都涂覆上止焊剂，涂覆位置为筋条交会处。
钛合金三维点阵结构包括钛合金三维点阵结构本体，钛合金三维点阵结构本体的外部连接有闭式等离子模块。
芯板与面板的叠层步骤是从上至下依次将上面板10、第一网格芯板9、非网格芯板8、第二网格芯板7和下面板6顺序叠层，再采用氩弧焊进行封焊，其中，在上面板10和第一网格芯板9及非网格芯板8之间分别焊接进气管和排气管，在非网格芯板8和第二网格芯板7及下面板6之间也分别焊接进气管和排气管。
芯板与面板扩散连接步骤为采用型模加压的方法，将芯板分别与上面板和下面板扩散连接在一起，该步骤中，加热温度为870-950℃，压强为2-4MPa，加热时间为1.5-3h；超塑成形步骤为将扩散连接后的预制件放入到超塑成形模具中进行超塑成形，该步骤中，加热温度为870-950℃，压强为2-4MPa，加热时间为1.5-3h。
在钛合金三维点阵结构内部制备气凝胶为通过溶胶-凝胶的方法，经过凝胶制备、凝胶注入、凝胶陈化和凝胶干燥的工艺过程，气凝胶可以是SiO2、Al2O3气凝胶中的任一种，气凝胶通过非网格芯板和第二网格芯板及下面板之间的进气管注入。
钛合金三维点阵结构内部空间的上半部分通过气体进行主动冷却包括上面板10和第一网格芯板9及非网格芯板8之间的进气管和排气管在服役过程中通入冷却气流，实现对上面板的冷却。
实施例3
如图7-9所示，一种充填气凝胶的钛合金三维点阵防热结构制备方法，用气凝胶填充钛合金三维点阵结构内部空间的下半部分，钛合金三维点阵结构内部空间的上半部分通过气体进行主动冷却；在钛合金三维点阵结构的外部覆盖闭式等离子模块14，钛合金三维点阵结构的内部放置等离子激发电源5。
用气凝胶填充三维点阵结构内部空间的下半部分的方法包括，第一步为加工出非网格芯板8的网格结构；第二步为止焊剂涂覆；第三步为芯板与面板的叠层；第四步为芯板与面板扩散连接；第五步为超塑成形；第六步为切割出钛合金三维点阵夹层结构，通过切断进气管和排气管，使得钛合金三维点阵结构的内部空间通过切割留下的进气口和排气口与外部相通；第七步为将预制件放入到清洗槽中进行超声清洗，对钛合金三维点阵结构内部进行清洗，去除止焊剂和污垢。
止焊剂涂覆步骤中，芯板的两面可不涂覆止焊剂，采用钎焊的方法在真空热处理炉或真空钎焊炉中进行连接。
芯板与面板的叠层步骤是从上至下依次将上面板10、第一网格芯板9、非网格芯板8、第二网格芯板7和下面板6顺序叠层，再采用氩弧焊进行封焊，其中，在上面板10和第一网格芯板9及非网格芯板8之间分别焊接进气管和排气管，在非网格芯板8和第二网格芯板7及下面板6之间也分别焊接进气管和排气管。
芯板与面板扩散连接步骤为采用型模加压的方法，将芯板分别与上面板和下面板扩散连接在一起，该步骤中，加热温度为870-950℃，压强为2-4MPa，加热时间为1.5-3h。
超塑成形步骤为将扩散连接后的预制件放入到超塑成形模具中进行超塑成形，该步骤中，加热温度为870-950℃，压强为2-4MPa，加热时间为1.5-3h。
在钛合金三维点阵结构内部制备气凝胶为通过溶胶-凝胶的方法，经过凝胶制备、凝胶注入、凝胶陈化和凝胶干燥的工艺过程，气凝胶可以是SiO2、Al2O3气凝胶中的任一种，气凝胶通过非网格芯板和第二网格芯板及下面板之间的进气管注入。采用超临界干燥的方法实现凝胶的干燥。
钛合金三维点阵结构内部空间的上半部分通过气体进行主动冷却包括上面板10和第一网格芯板9及非网格芯板8之间的进气管和排气管在服役过程中通入冷却气流，实现对上面板的冷却。
钛合金三维点阵结构包括钛合金三维点阵结构本体1，钛合金三维点阵结构本体1的外部连接有闭式等离子模块14。
钛合金三维点阵结构本体包括上面板10和下面板6，上面板10和下面板6的中部设置有与分别与上面板10和下面板6平行的非网格芯板8，上面板10和非网格芯板8之间设置有第一网格芯板9，下面板6和非网格芯板8之间设置有第二网格芯板7；闭式等离子模块14包括闭式等离子壳体13，闭式等离子壳体13上设置有等离子引导电极11，闭式等离子壳体13的内部设置有闭式等离子腔体12，该闭式等离子腔体12连接有穿过钛合金三维点阵结构本体的等离子激发腔体2，等离子激发腔体2的另一端设置有等离子感应激发线圈3，等离子感应激发线圈3上连接有导线4，导线4的另一端连接有等离子激发电源5。
闭式等离子腔体12的内部工作气体氩气，闭式等离子壳体13由石英等耐高温和透波材料制备而成，闭式等离子模块14与等离子激发腔体12相通，等离子激发腔体12穿过钛合金三维点阵结构本体1，等离子感应激发线圈3套装在等离子激发腔体12的下端，通过导线4与等离子激发电源5相连。当开启等离子激发电源5后，通过导线4激发等离子感应激发线圈3，在等离子激发腔体12中激发工作气体氩气，产生等离子体，并通过等离子引导电极11，使得等离子体均布于闭式等离子腔体12中，可以有效地吸收不同波段的电磁波。其中等离子引导电极11穿过闭式等离子壳体13与钛合金三维点阵结构的上面板10连接。
通过以上工艺过程，制备出了充填了钛合金三维点阵夹层结构的零件外形、微观组织分析。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种充填气凝胶的钛合金三维点阵防热结构制备方法，其特征在于：用气凝胶填充钛合金三维点阵结构内部空间的下半部分，钛合金三维点阵结构内部空间的上半部分通过气体进行主动冷却；
在钛合金三维点阵结构的外部覆盖闭式等离子模块，钛合金三维点阵结构的内部放置等离子激发电源。
2.如权利要求1所述的一种充填气凝胶的钛合金三维点阵防热结构制备方法，其特征在于：用气凝胶填充三维点阵结构内部空间的下半部分的方法包括，第一步为加工出非网格芯板的网格结构；第二步为止焊剂涂覆；第三步为芯板与面板的叠层；第四步为芯板与面板扩散连接；第五步为超塑成形；第六步为切割出钛合金三维点阵夹层结构，通过切断进气管和排气管，使得钛合金三维点阵结构的内部空间通过切割留下的进气口和排气口与外部相通；第七步为将预制件放入到清洗槽中进行超声清洗，对钛合金三维点阵结构内部进行清洗，去除止焊剂和污垢。
3.如权利要求2所述的一种充填气凝胶的钛合金三维点阵防热结构制备方法，其特征在于：止焊剂涂覆步骤是在芯板的两面都涂覆上止焊剂，涂覆位置为筋条交会处。
4.如权利要求3所述的一种充填气凝胶的钛合金三维点阵防热结构制备方法，其特征在于：止焊剂涂覆步骤中，芯板的两面可不涂覆止焊剂，采用钎焊的方法在真空热处理炉或真空钎焊炉中进行连接。
5.如权利要求2所述的一种充填气凝胶的钛合金三维点阵防热结构制备方法，其特征在于：芯板与面板的叠层步骤是从上至下依次将上面板、第一网格芯板、非网格芯板、第二网格芯板和下面板顺序叠层，再采用氩弧焊进行封焊，其中，在上面板和第一网格芯板及非网格芯板之间分别焊接进气管和排气管，在非网格芯板和第二网格芯板及下面板之间也分别焊接进气管和排气管。
6.如权利要求2所述的一种充填气凝胶的钛合金三维点阵防热结构制备方法，其特征在于：芯板与面板扩散连接步骤为采用型模加压的方法，将芯板分别与上面板和下面板扩散连接在一起，该步骤中，加热温度为870-950℃，压强为2-4MPa，加热时间为1.5-3h；
超塑成形步骤为将扩散连接后的预制件放入到超塑成形模具中进行超塑成形，该步骤中，加热温度为870-950℃，压强为2-4MPa，加热时间为1.5-3h。
7.如权利要求1所述的一种充填气凝胶的钛合金三维点阵防热结构制备方法，其特征在于：在钛合金三维点阵结构内部制备气凝胶为通过溶胶-凝胶的方法，经过凝胶制备、凝胶注入、凝胶陈化和凝胶干燥的工艺过程，气凝胶可以是SiO2、Al2O3气凝胶中的任一种，气凝胶通过非网格芯板和第二网格芯板及下面板之间的进气管注入。
8.如权利要求1所述的一种充填气凝胶的钛合金三维点阵防热结构制备方法，其特征在于：钛合金三维点阵结构内部空间的上半部分通过气体进行主动冷却包括上面板和第一网格芯板及非网格芯板之间的进气管和排气管在服役过程中通入冷却气流，实现对上面板的冷却。
9.如权利要求1所述的一种充填气凝胶的钛合金三维点阵防热结构制备方法，其特征在于：钛合金三维点阵结构包括钛合金三维点阵结构本体，钛合金三维点阵结构本体的外部连接有闭式等离子模块。
10.如权利要求9所述的一种充填气凝胶的钛合金三维点阵防热结构制备方法，其特征在于：钛合金三维点阵结构本体包括上面板和下面板，上面板和下面板的中部设置有与分别与上面板和下面板平行的非网格芯板，上面板和非网格芯板之间设置有第一网格芯板，下面板和非网格芯板之间设置有第二网格芯板；
闭式等离子模块包括闭式等离子壳体，闭式等离子壳体上设置有等离子引导电极，闭式等离子壳体的内部设置有闭式等离子腔体，该闭式等离子腔体连接有穿过钛合金三维点阵结构本体的等离子激发腔体，等离子激发腔体的另一端设置有等离子感应激发线圈，等离子感应激发线圈上连接有导线，导线的另一端连接有等离子激发电源。
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