CN108580903A - 一种轻质金属基点阵隔热-承载结构及其成形方法 - Google Patents

一种轻质金属基点阵隔热-承载结构及其成形方法 Download PDF

Info

Publication number
CN108580903A
CN108580903A CN201810510749.9A CN201810510749A CN108580903A CN 108580903 A CN108580903 A CN 108580903A CN 201810510749 A CN201810510749 A CN 201810510749A CN 108580903 A CN108580903 A CN 108580903A
Authority
CN
China
Prior art keywords
metal
ceramic
metal substrate
heat
insulated
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201810510749.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108580903B (zh
Inventor
陈颖
余圣甫
史玉升
吴甲民
张李超
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Huazhong University of Science and Technology
Original Assignee
Huazhong University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Huazhong University of Science and Technology filed Critical Huazhong University of Science and Technology
Priority to CN201810510749.9A priority Critical patent/CN108580903B/zh
Publication of CN108580903A publication Critical patent/CN108580903A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108580903B publication Critical patent/CN108580903B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D11/00—Electrolytic coating by surface reaction, i.e. forming conversion layers
    • C25D11/02—Anodisation
    • C25D11/026—Anodisation with spark discharge
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F7/00—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression
    • B22F7/002—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression of porous nature
    • B22F7/004—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression of porous nature comprising at least one non-porous part
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D11/00—Electrolytic coating by surface reaction, i.e. forming conversion layers
    • C25D11/02—Anodisation
    • C25D11/024—Anodisation under pulsed or modulated current or potential
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2999/00—Aspects linked to processes or compositions used in powder metallurgy
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)
  • Sliding-Contact Bearings (AREA)

Abstract

本发明公开了一种轻质金属基点阵隔热‑承载结构及其成形方法，其中该结构用于沉积在金属基底表面，是由金属基材料形成的空间点阵结构，该点阵结构包含有孔隙，在该空间点阵中还具有组分不同于金属基材料的陶瓷相，沿金属基底表面的法线方向这些陶瓷相的含量逐渐增加；并且，沿金属基底表面的法线方向呈现有孔隙尺寸的梯度分布；此外，在该点阵结构的表面上还沉积有类陶瓷层。本发明通过对该金属基点阵隔热‑承载结构的组成及内部微观结构等进行改进，并对相应制备方法的整体工艺流程设计，尤其是关键SLM工艺、PEO工艺所采用的参数条件等进行进一步优化，与现有技术相比能够一体化成形金属基点阵隔热‑承载结构。

Description

一种轻质金属基点阵隔热-承载结构及其成形方法
技术领域
本发明属于飞行器舱体隔热层技术领域，更具体地，涉及一种轻质金属基点阵隔热-承载结构及其成形方法，是一种新型的飞行器舱体隔热层材料结构，其中轻质金属可以为铝，可以对应铝基空间点阵结构及其成形方法。
背景技术
高性能结构构件多工作于苛刻服役环境，以超高承载、极端耐热、超高精度、超轻和高可靠性等为指标，其性能受多重因素耦合影响，对结构与材料特性提出了严峻挑战。通过结构宏微观总体设计，材料梯度空间可控分布，实现材料结构一体化设计制造是满足高性能构件综合性能要求的必然趋势。当前，新型的点阵结构隔热层(如图1所示)连接着外层陶瓷基复合材料防热层和内层铝合金曲面蒙皮层，而隔热、承载结构一体化设计是当今航天领域结构设计的一大趋势：将航天飞行器承载的结构设计与热防护的隔热层设计结合在一起，实现承载-防热一体化设计和成型，这种一体化具有明显优势：(1)新的结构兼有承载、承热双重功能；(2)充分发挥材料高温强度潜力，实现不同工况条件下的量身定制；(3)减少各部件由温差引起的热应力和载荷引起的机械应力；(4)提高结构强度的同时减轻结构重量；(5)与内层蒙皮结构可靠结合，提高安全系数；(6)可重复使用，降低成本。为此，对其材料、结构以及制造方法提出了新挑战：材料需同时具备承载-隔热性能，结构需呈连续梯度变化且几何尺寸精确可控，制造需实现高曲率柔性一体化整体成形。
而传统的铸造、挤压和组装-焊接等制造三维点阵结构的方法遇到梯度材料难实现、宏微观结构难成形、构件变形难控制等问题；例如，现有技术中关于点阵结构制造的方法主要集中在分层制造再进行焊接，而梯度结构则往往只能成形简单几何形状结构且成分单向一维分布；这些现有技术往往存在复杂结构不易甚至不能实现，结构存在突变界面容易产生热/机械应力集中等缺点。
发明内容
针对高超飞行器新一代热防护系统承载、隔热、轻量化的应用需求，本发明的目的在于提供一种轻质金属基点阵隔热-承载结构及其成形方法，其中通过对该金属基点阵隔热-承载结构的组成及内部微观结构等进行改进，并对相应制备方法的整体工艺流程设计，尤其是关键SLM工艺、PEO工艺所采用的参数条件等进行进一步优化，与现有技术相比能够一体化成形金属基点阵隔热-承载结构，通过材料梯度空间可控式分布，将航天飞行器承载的结构设计与热防护的隔热层设计结合在一起，实现承载-防热一体化设计和成型，能够满足高性能构件综合性能要求。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种金属基点阵隔热-承载结构，其特征在于，该结构用于沉积在金属基底表面，是由金属基材料形成的空间点阵结构，该点阵结构包含有孔隙，是中空的点阵结构，其体积分数在0.15-0.3之间；在该空间点阵中还具有组分不同于金属基材料的陶瓷相，这些内部具有陶瓷相的空间点阵是由陶瓷颗粒与金属粉末混合配制的金属-陶瓷复合粉末前驱体引入的，沿所述金属基底表面的法线方向由靠近该金属基底的区域到远离该金属基底的区域这些陶瓷相的含量逐渐增加；并且，该金属基点阵隔热-承载结构沿所述金属基底表面的法线方向呈现有孔隙尺寸的梯度分布，沿所述金属基底表面的法线方向由靠近该金属基底的区域到远离该金属基底的区域该点阵结构中的孔隙尺寸先逐渐增加然后逐渐减小；
此外，在该点阵结构的表面上还沉积有类陶瓷层，所述类陶瓷的熔点高于1500℃。
作为本发明的进一步优选，所述金属基点阵隔热-承载结构为金属-陶瓷复合结构，所述孔隙尺寸的梯度分布具体对应呈梯度分布的至少三组孔隙尺寸，该金属-陶瓷复合结构包括至少三层孔隙尺寸均一的金属-陶瓷复合层；任意一层孔隙尺寸均一的金属-陶瓷复合层其厚度为5-10mm；
优选的，沿所述金属基底表面的法线方向由靠近该金属基底的区域到远离该金属基底的区域所述陶瓷相的含量逐渐增加，具体对应呈递增分布的四组陶瓷相含量，这四组陶瓷相含量对应的陶瓷颗粒质量百分比分别为5％、10％、15％、20％。
作为本发明的进一步优选，所述陶瓷颗粒的熔点高于1000℃，优选为SiC晶须或颗粒、Si3N4晶须或颗粒或Al2O3颗粒；所述陶瓷颗粒的直径优选为20-30μm。
作为本发明的进一步优选，所述金属基底用于沉积所述金属基点阵隔热-承载结构的表面上还预先通过激光选区烧结(SLM)工艺沉积有与该金属基底成分相同的连接层，所述连接层的厚度为5-10mm；
所述金属基底为铝合金基底，优选为铝合金蒙皮基底。
按照本发明的另一方面，本发明提供了上述金属基点阵隔热-承载结构的成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)按不同的陶瓷粉末配比将陶瓷粉末与金属粉末混合配制陶瓷粉末质量百分比呈梯度分布的金属-陶瓷复合粉末；然后利用SLM工艺并依据预先设定的孔隙分布情况，将这些金属-陶瓷复合粉末依次均匀平铺在金属基底上，使得所述金属-陶瓷复合粉末在该金属基底的表面法线方向上呈现出陶瓷粉末质量百分比递增的梯度分布，其中靠近所述金属基底的金属-陶瓷复合粉末中陶瓷粉末的质量百分比低于远离所述金属基底的金属-陶瓷复合粉末中陶瓷粉末的质量百分比，并最终使这些金属-陶瓷复合粉末成形，得到金属基点阵结构；
(2)以所述步骤(1)得到的所述金属基点阵结构为基体，将该点阵结构浸没在电解液中，利用PEO工艺在该基体上沉积类陶瓷镀层，镀层厚度在20-100μm之间，所述类陶瓷的熔点高于800℃，从而最终得到金属基点阵隔热-承载结构。
作为本发明的进一步优选，所述步骤(1)中，所述预先设定的孔隙分布情况具体对应呈梯度分布的至少三组孔隙尺寸；
所述陶瓷粉末质量百分比呈梯度分布的金属-陶瓷复合粉末包括陶瓷粉末质量百分比分别为5％、10％、15％、20％的四组金属-陶瓷复合粉末；任意一组陶瓷粉末质量百分比均一的金属-陶瓷复合粉末对应成形形成的金属-陶瓷复合层其厚度为5-10mm。
作为本发明的进一步优选，所述步骤(1)中，所述SLM工艺满足：激光功率为350W，激光波长为1060～1080nm，激光束斑尺寸为100μm，激光扫描速度为1500～1650mm/s，扫描间距为0.05～0.08mm，成形层间距为0.03mm。
作为本发明的进一步优选，所述步骤(2)中，所述电解液的溶质包含有类陶瓷材料对应的前驱体，优选的，所述电解液的溶质包含有Na2SiO3和KOH；
所述PEO工艺满足：频率500～2000Hz的脉冲直流电或者交流电，其中所述脉冲直流电的占空比为85％，控制电流密度在0.1～0.25A/cm2，终止电压超过520V。
作为本发明的进一步优选，所述步骤(1)中，所述陶瓷粉末为SiC粉末，Si3N4晶须粉末或Al2O3粉末；所述金属粉末的粒径在30-50μm之间，所述陶瓷粉末的直径优选为20-30μm。
作为本发明的进一步优选，所述步骤(1)中，所述金属基底预先经过SLM工艺预处理，该预处理是在所述金属基底用于成形金属-陶瓷复合粉末的表面上预先通过激光选区烧结(SLM)工艺沉积与该金属基底成分相同的连接层，所述连接层的厚度为5-10mm；
所述金属基底为铝合金基底，优选为铝合金蒙皮基底。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，除了具有隔热-承载结构一体化设计一贯的优势外，由于金属基点阵隔热-承载结构沿待沉积覆盖的金属基底表面的法线方向呈现有孔隙尺寸的梯度分布以及陶瓷相含量的梯度分布，并且在该结构远离金属基底的表面上还沉积有类陶瓷层，能够形成抗压强度>200MPa，最外层防热层的工作温度需大于800℃，最内层靠近蒙皮层区域的工作温度需至少满足80℃，等效模量>10GPa，厚度≤30mm，体积分数0.15～0.3(由于本发明中金属基点阵隔热-承载结构为中空的点阵结构，该体积分数可代表该金属基点阵隔热-承载结构的实际体积与考虑这些中空孔隙被空气填充后该实体结构空间所占体积之比)的金属基点阵隔热-承载结构。
本发明中的金属基点阵隔热-承载结构及其成形方法，可适用于轻质金属(铝合金等)，该金属基点阵结构可在铝合金蒙皮上通过激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)的方法原位生长成形。一方面，通过调整粉末的成分，逐渐提高铝合金粉末中的陶瓷相含量，从而获得成分由金属到金属-陶瓷复合材料的梯度变化薄壁金属基点阵结构；另一方面，通过合理设计并优化点阵的宏观结构(如厚度等)，使其满足和蒙皮的可靠结合，并在蒙皮法向方向阻碍空气流动，降低法向热传导。最后，通过等离子体微弧氧化(PlasmaElectrolytic Oxidation,PEO)技术在点阵表面成形一层类陶瓷镀层，进一步提高点阵结构的强度、隔热性能、高温性能和耐气动冲蚀性能。该发明适于高速飞行器舱体金属基底与其表层隔热瓦之间大面积夹层中，具耐高温、气动冲蚀、低热导、轻质并具有一定的承载性能，可满足长时间隔热-承载需求，应用前景良好，有益于推广实施。
除了金属基点阵隔热-承载结构本身外，如何对金属基点阵的成分和结构的梯度变化进行调控(沿待沉积覆盖的金属基底表面的法线方向呈现的陶瓷相含量的梯度分布即对应成分的梯度变化，孔隙尺寸的梯度分布则对应结构的梯度变化)，从而实现材料-结构-性能一体化制造也是本发明关注的重点。传统的飞行器隔热层往往只具备单一的隔热效果，还需要另外设计支撑结构，且这些结构通过焊接、铆接等方法进行连接，连接界面从材料和结构都发生突变，无法满足隔热-承载一体化要求。而本发明同时采用SLM与PEO相互配合的一体化制造，可以通过构件的工作条件(温度、承载等)，有针对性地设计构件的宏观结构，且通过对其微观结构和材料成分的有效调控，对构件的局部性能进行进一步优化，实现构件的量身定制。从而最大限度的挖掘材料的性能。
本发明为了实现金属基点阵构件的材料-结构双重梯度，利用了增材制造技术(Additive Manufacturing,AM)，能够逐点-逐域对材料、结构单元进行精确控制。本发明采用激光选区熔化技术(Selective Laser Melting,SLM)成形高精度、高性能的铝合金复杂薄壁构件，并能够在铝合金蒙皮表面直接“生长”，可实现点阵结构和蒙皮的可靠结合。具体操作时，可通过沿垂直于蒙皮表面方向实现三维立体点阵结构设计(点阵网格几何尺寸、密度分布等)和材料成分梯度分布(陶瓷相含量等)，以获得逐点/逐域单元精确可控的梯度结构，以期获得独特的力学和热学性能，能够承受内层低温(靠近蒙皮区域，低于80℃)、外层高温(靠近外层陶瓷基复合材料防热层，接近800℃)的温度梯度，并阻碍蒙皮法向的空气热对流，以及循环机械震动和局部冲击力。另外，可通过逆向工程获取基体模型并设计点阵结构，设计并优化梯度点阵的成形路径，并使用SLM方法实现金属基材料梯度点阵结构的一体化整体成形。
本发明具体可优选采用陶瓷粉末质量百分比呈梯度分布的四组金属-陶瓷复合粉末，并采用激光扫描速度为1500～1650mm/s，扫描间距为0.05～0.08mm，成形层间距为0.03mm的SLM工艺，可控制激光功率为350W，激光波长为1060～1080nm，激光束斑尺寸为100μm，并且，由于考虑到金属点阵中空结构中网格的孔隙尺寸将影响构件的机械性能与热阻性能，孔隙尺寸越小，金属点阵的机械性能越高，承载性越好；但其孔隙尺寸越小，其热阻性能由于传热路径增多，隔热性越差，本发明在将各组金属-陶瓷复合粉末在金属基底的表面法线方向上呈现出陶瓷粉末质量百分比递增的梯度分布(尤其是呈递增分布的四组金属-陶瓷复合粉末，其中，靠近金属基底的金属-陶瓷复合粉末中陶瓷粉末的质量百分比低于远离金属基底的金属-陶瓷复合粉末中陶瓷粉末的质量百分比)、使任意一组陶瓷粉末质量百分比均一的金属-陶瓷复合粉末对应成形形成的金属-陶瓷复合层其厚度为5-10mm之余，还通过控制沿金属基底的表面法线方向的孔隙尺寸的梯度分布，由靠近该金属基底的区域到远离该金属基底的区域将该点阵结构中的孔隙尺寸控制为先逐渐增加然后逐渐减小的梯度变化分布(即，该金属基点阵隔热-承载结构中靠近金属基底区域和外层陶瓷基防热层区域的孔隙平均尺寸低于中间区域的孔隙平均尺寸)，能够最终形成抗压强度>200MPa，等效模量>10GPa，厚度≤30mm，体积分数0.15～0.3的金属基点阵结构。本发明还可根据有限元ANSYS热/机械应力分析预先设定孔隙分布情况，使该金属基点阵隔热-承载结构具有较好的热学/力学性能；孔隙尺寸的梯度分布具体可对应至少三组孔隙尺寸，使得沿金属基底表面的法线方向由靠近该金属基底的区域到远离该金属基底的区域在该点阵结构中的孔隙平均尺寸呈现出低孔隙平均尺寸-高孔隙平均尺寸-低孔隙平均尺寸梯度分布的至少三组孔隙平均尺寸(即，在该金属-陶瓷复合结构包括至少三层孔隙尺寸均一的金属-陶瓷复合层，其中两组低孔隙尺寸的具体孔隙平均尺寸数值既可以相同，也可以不同)。成形过程中，激光能量熔化铝合金粉末，却不能熔化陶瓷粉末，陶瓷粉末(如Si3N4晶须)均匀分布在凝固后的铝合金基体中，形成网状的微观组织，提高金属基点阵结构的力学性能和耐高温性能。点阵结构中陶瓷相的存在可以提高金属基体的高温强度和力学性能，尤其是靠近外层与陶瓷基复合材料防热层相接处的区域，本发明采用最优工艺参数增材制造金属基点阵结构，可得到力学性能、热导率及残余应力等性能良好的金属基点阵结构。
另一方面，为了使金属基点阵结构(如铝基点阵结构)在高温下(>700℃，尤其是≥800℃)的环境下依然能保持足够的力学性能，本发明还需要对在金属基点阵结构的表面镀上一层耐高温的类陶瓷镀层。本发明具体是采用等离子体微弧氧化技术(PlasmaElectrolytic Oxidation,PEO)技术，可不受基体复杂结构限制，通过浸没在电解液中基体的表面放电形即成一层厚度可控(厚度例如可以为5～200μm)，结合良好，分布均匀的类陶瓷镀层。本发明还优选采用频率500～2000Hz的脉冲直流电或者交流电(其中脉冲直流电的占空比为85％)，并控制电流密度在0.1～0.25A/cm2，终止电压超过520V的PEO工艺，能够得到分布均匀、结合力强、性能良好、且与基体金属基梯度点阵结构性能匹配的类陶瓷镀层，最终得到类陶瓷镀层强化的金属基梯度点阵结构。另外，由于PEO镀层外表面由于沉积过程中的等离子放电通道形成了多孔结构(微米级孔径)，可以进一步提高点阵结构的隔热性能，使金属基点阵结构同时具有金属的韧性和耐疲劳性能和陶瓷的耐高温、腐蚀、磨损等特性，从而经一步改善点阵结构的隔热和力学性能。
本发明中构成金属基点阵所采用的金属基粉末可以是轻质金属粉末(如铝基金属粉末，比如AlSi10Mg等铝合金粉末)，也可以采用与现有技术中金属蒙皮材料成分相同的金属粉末。由于轻质金属(如铝合金)具有优良的比强度和韧性，而陶瓷材料具有良好的硬度、耐高温、耐磨损、耐腐蚀和隔热性能，本发明所采用的这种SLM-PEO复合制造的方法成形的点阵隔热结构既能具有一定的承载和抗机械震动，同时也具有高温强度好和隔热性能。SLM方法具有能成形传统方法不易甚至是无法成形的复杂结构的特点，可以将构件的力学性能通过结构设计达到最大化；而PEO镀膜表面具有类似于竹子、木头之类的天然材料的高孔隙率能够具有阻热效果，且和铝合金基体之间能够形成牢固而致密的结合，使其在点阵结构受力形变时不易剥落，因此这两种工艺手段的综合使用能够很好地改善目前高超飞行器隔热层的性能，并降低结构的重量。本发明对于国防、航天航空领域高超飞行器的发展具有积极地推动作用，并且拥有广阔的应用前景。
附图说明
图1为材料-结构双梯度金属基点阵隔热层示意图。
图2为基于粉床铺粉和漏斗送粉的SLM成形工艺示意图。
图3为材料-结构双梯度金属基点阵构件示意图。
图4为铝基点阵隔热构件表面PEO镀膜的微观组织形态图，其中右图为左图的局部放大示意图。
图中各附图标记如下：1为铝合金蒙皮，2为陶瓷基复合材料防热层，3为金属基点阵隔热层示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
概述来说，本发明可以通过制备SLM用金属-陶瓷复合粉末、优化点阵结构，可优选采用粉床铺粉和漏斗下粉相结合的方法，在铝合金蒙皮表面一体化成形机械性能(承载要求)和热学性能(隔热要求)最优化匹配的金属基点阵材料，并通过PEO复合制造具有多孔外表面的类陶瓷强化层，进一步提高点阵结构的高温综合性能。本发明的具体实现途径可以包括如下步骤：
1.首先可根据实际应用需要设计若干种不同陶瓷含量的铝基复合粉末(例如：AlSi10Mg加上不同质量分数的SiC粉末，Si3N4晶须或者Al2O3粉末等)，可以采用申请人团队研制的粉床-漏斗联合送粉机构(如图2所示，Zhou Y.Investigation on the scanstrategy and property of 316L stainless steel-Inconel 718functionally gradedmaterials fabricated by selective laser melting[C].The Proceedings of theSolid Freeform Fabrication Symposium,Austin,Usa,August.2015.；当然也可以采用现有技术中其他SLM送粉机构)，可以通过合理设计激光参数(例如，激光功率≈350W，波长1070±10nm，激光束斑尺寸≈100μm)、SLM成形工艺(例如，扫描速度≈1500-1650mm/s，扫描间距在0.05～0.08mm之间，成形层间距＝0.03mm)在铝合金基板上直接成形空间点阵构件。可根据有限元ANSYS热/机械应力分析，设计优化得到具有较好力学性能(例如，抗压强度>200MPa，最外层防热层的工作温度需大于800℃，最内层靠近蒙皮层区域的工作温度需至少满足80℃，等效模量>10GPa，厚度≤30mm，体积分数0.15～0.3)的空间点阵三维模型，并进行分层设计(例如，每层宏观梯度层厚在5-10mm左右，层数≥3等)和成形路径优化。通过对凝固体致密度(如＞95％，甚至更高，超过97％)、显微硬度及晶粒大小、陶瓷相质点(如尺寸是否细小、分布是否弥散等，一般尺寸细小、分布弥散越好)微观特征等的表征，得出最优成形工艺参数。本发明由于是采用激光选区烧结(SLM)这种增材制造手段制备金属基点阵隔热-承载结构，可预先要求该结构的致密度>95％(受增材制造手段限制，以完美金属，如理想铸造得到的铸造体为100％致密度为参考，通过增材制造得到的构件由于其中气孔、疏松区域等因素造成其致密度往往低于100％，其实际致密度与100％之间的差值即对应气孔、疏松区域等缺陷的体积占比)，致密度越高越好。
2.由于金属点阵结构中网格的孔隙尺寸将影响构件的机械性能与热阻性能，孔隙尺寸越小，金属点阵的机械性能越高，承载性越好；但其孔隙尺寸越小，其热阻性能由于传热路径增多，隔热性越差。另外，点阵结构需要尽可能阻止其中空隙内的空气进行垂直于蒙皮方向的对流运动，从而提高其隔热效果，所以需要合理设计点阵的宏观结构，例如将连接蒙皮基底区域和陶瓷基防热层区域的点阵结构孔隙尺寸可控制在3mm，将中间层孔隙尺寸控制在5-7mm，壁厚(即相邻两个孔隙之间的材料厚度)控制在<2mm，使其同时兼具承载与隔热的功能。
点阵结构中陶瓷相的存在可以提高金属基体的高温强度和力学性能，尤其是靠近外层与陶瓷基复合材料防热层相接处的区域。采用最优工艺参数增材制造金属基点阵结构，对点阵结构的力学性能、热导率及残余应力等性能进行表征。明确机械承载性能与隔热性能的优化匹配原则，进一步调控点阵结构的显微结构及宏观梯度变化趋势，如在受力易被破坏的区域设计加强结构，或者增加局部陶瓷相含量，细化晶粒等，从而获得近似连续梯度变化的材料成分分布及点阵性能变化，最终得到材料-结构双梯度金属基点阵结构(如图3)。
3.在实验样件表面进行PEO复合制造。通过对镀层生长机制的研究及PEO工艺参数的优化(例如，频率500～2000Hz的脉冲直流或者交流电，85％占空比，控制电流密度在0.1～0.25A/cm2，终止电压超过520V对镀膜进行致密化处理)获得具有一定厚度(如10-100μm)，且分布均匀、结合力强、性能良好的类陶瓷镀层，最终得到类陶瓷镀层强化的金属基梯度点阵结构，实现二者性能的最优匹配与制造。
由于铝合金具有优良的比强度和韧性，而陶瓷材料具有良好的硬度、耐高温、耐磨损、耐腐蚀和隔热性能，这种SLM-PEO复合制造的方法成形的点阵隔热结构既能具有一定的承载和抗机械震动，同时也具有高温强度好和隔热性能。SLM方法具有能成形传统方法不易甚至是无法成形的复杂结构的特点，可以将构件的力学性能通过结构设计达到最大化；而PEO镀膜表面具有类似于竹子、木头之类的天然材料的高孔隙率能够具有阻热效果(如图4)，且和铝合金基体之间能够形成牢固而致密的结合，使其在点阵结构受力形变时不易剥落，因此这两种工艺方法的综合使用能够很好地改善目前高超飞行器隔热层的性能，并降低结构的重量。本发明对于国防、航天航空领域高超飞行器的发展具有积极地推动作用，并且拥有广阔的应用前景。
实施例1
本实例中所用铝合金粉末为AlSi10Mg，粉末粒径在30-50μm之间，陶瓷粉末为Si3N4晶须，晶须直径在0.1-1.0μm，长度在10-50μm。分别将5％，10％，15％和20％(质量分数)的陶瓷粉末加入铝合金粉末中，将其过筛，混合均匀制成金属-陶瓷复合粉末，通过漏斗送粉和辊轴铺粉的方法将复合粉末均匀平铺在SLM粉床上。采用350W功率激光器，激光波长为1070±10nm，激光束斑尺寸≈100μm；设置激光扫描速度≈1500-1650mm/s，扫描间距0.08mm，成形层间距为0.03mm，在铝合金基板上沿基板法向方向开始成形。在空间点阵构件和铝合金基板连接区域(如5-10mm生长方向)选择和铝合金基板成分相同或者相近的铝合金粉末进行SLM成形，随后依次选择加入5％，10％，15％和20％(质量分数)Si3N4晶须的金属-陶瓷复合粉末实现材料宏观梯度分布。每种成分材料成形厚度可以在5mm左右，使得材料梯度分布均匀。成形过程中，激光能量熔化铝合金粉末，却不能熔化陶瓷粉末，Si3N4晶须均匀分布在凝固后的铝合金基体中，形成网状的微观组织，提高金属基点阵结构的力学性能和耐高温性能。
最后使用PEO技术，将点阵结构浸没在Na2SiO3+KOH电解液中接电源阳极，采用不锈钢板作为阴极进行镀膜，镀膜过程中可以采用频率500～2000Hz的脉冲直流或者交流电，85％占空比，可以控制电流密度在0.1～0.25A/cm2，电压随着镀层厚度的增加而增加，要求终止电压超过520V对镀膜进行致密化处理。最终获得PEO镀膜强化的SLM成形空间材料-结构双梯度点阵结构，具有良好的隔热-承载能力。
上述实施例以陶瓷粉末质量百分比分别为5％、10％、15％、20％的金属-陶瓷复合粉末为例，对应形成了陶瓷粉末质量百分比不同(同时孔隙尺寸分布不同)的金属-陶瓷复合层，这些金属-陶瓷复合层与最外层的类陶瓷镀层一起构成了本发明金属基点阵结构的主要结构；另外，根据实际需求，也可以采用其他不同的陶瓷粉末质量百分比分布的设置，例如陶瓷粉末质量百分比的梯度分布其梯度可以更大，形成成分变化不同的金属基点阵隔热-承载结构。
本发明中所使用的有限元ANSYS热/机械应力分析其具体分析过程及其他相关设定，均可参考相关现有技术，如Nakasone Y,Yoshimoto S,Stolarski T A.Application ofANSYS to stress analysis[M]//Engineering Analysis with ANSYS Software.2006:51–142.等。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种金属基点阵隔热-承载结构，其特征在于，该结构用于沉积在金属基底表面，是由金属基材料形成的空间点阵结构，该点阵结构包含有孔隙，是中空的点阵结构，其体积分数在0.15-0.3之间；在该空间点阵中还具有组分不同于金属基材料的陶瓷相，这些内部具有陶瓷相的空间点阵是由陶瓷颗粒与金属粉末混合配制的金属-陶瓷复合粉末前驱体引入的，沿所述金属基底表面的法线方向由靠近该金属基底的区域到远离该金属基底的区域这些陶瓷相的含量逐渐增加；并且，该金属基点阵隔热-承载结构沿所述金属基底表面的法线方向呈现有孔隙尺寸的梯度分布，沿所述金属基底表面的法线方向由靠近该金属基底的区域到远离该金属基底的区域该点阵结构中的孔隙尺寸先逐渐增加然后逐渐减小；
此外，在该点阵结构的表面上还沉积有类陶瓷层，所述类陶瓷的熔点高于1500℃。
2.如权利要求1所述金属基点阵隔热-承载结构，其特征在于，所述金属基点阵隔热-承载结构为金属-陶瓷复合结构，所述孔隙尺寸的梯度分布具体对应呈梯度分布的至少三组孔隙尺寸，该金属-陶瓷复合结构包括至少三层孔隙尺寸均一的金属-陶瓷复合层；任意一层孔隙尺寸均一的金属-陶瓷复合层其厚度为5mm-10mm；
优选的，沿所述金属基底表面的法线方向由靠近该金属基底的区域到远离该金属基底的区域所述陶瓷相的含量逐渐增加，具体对应呈递增分布的四组陶瓷相含量，这四组陶瓷相含量对应的陶瓷颗粒质量百分比分别为5％、10％、15％、20％。
3.如权利要求1所述金属基点阵隔热-承载结构，其特征在于，所述陶瓷颗粒的熔点高于1000℃，优选为SiC晶须或颗粒、Si3N4晶须或颗粒或Al2O3颗粒；所述陶瓷颗粒的直径优选为20-30μm。
4.如权利要求1所述金属基点阵隔热-承载结构，其特征在于，所述金属基底用于沉积所述金属基点阵隔热-承载结构的表面上还预先通过激光选区烧结(SLM)工艺沉积有与该金属基底成分相同的连接层，所述连接层的厚度为5-10mm；
所述金属基底为铝合金基底，优选为铝合金蒙皮基底。
5.如权利要求1－4任意一项所述金属基点阵隔热-承载结构的成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)按不同的陶瓷粉末配比将陶瓷粉末与金属粉末混合配制陶瓷粉末质量百分比呈梯度分布的金属-陶瓷复合粉末；然后利用SLM工艺并依据预先设定的孔隙分布情况，将这些金属-陶瓷复合粉末依次均匀平铺在金属基底上，使得所述金属-陶瓷复合粉末在该金属基底的表面法线方向上呈现出陶瓷粉末质量百分比递增的梯度分布，其中靠近所述金属基底的金属-陶瓷复合粉末中陶瓷粉末的质量百分比低于远离所述金属基底的金属-陶瓷复合粉末中陶瓷粉末的质量百分比，并最终使这些金属-陶瓷复合粉末成形，得到金属基点阵结构；
(2)以所述步骤(1)得到的所述金属基点阵结构为基体，将该点阵结构浸没在电解液中，利用PEO工艺在该基体上沉积类陶瓷镀层，镀层厚度在20-100μm之间，所述类陶瓷的熔点高于800℃，从而最终得到金属基点阵隔热-承载结构。
6.如权利要求5所述金属基点阵隔热-承载结构的成形方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述预先设定的孔隙分布情况具体对应呈梯度分布的至少三组孔隙尺寸；
所述陶瓷粉末质量百分比呈梯度分布的金属-陶瓷复合粉末包括陶瓷粉末质量百分比分别为5％、10％、15％、20％的四组金属-陶瓷复合粉末；任意一组陶瓷粉末质量百分比均一的金属-陶瓷复合粉末对应成形形成的金属-陶瓷复合层其厚度为5-10mm。
7.如权利要求5所述金属基点阵隔热-承载结构的成形方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述SLM工艺满足：激光功率为350W，激光波长为1060～1080nm，激光束斑尺寸为100μm，激光扫描速度为1500～1650mm/s，扫描间距为0.05～0.08mm，成形层间距为0.03mm。
8.如权利要求5所述金属基点阵隔热-承载结构的成形方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述电解液的溶质包含有类陶瓷材料对应的前驱体，优选的，所述电解液的溶质包含有Na2SiO3和KOH；
所述PEO工艺满足：频率500～2000Hz的脉冲直流电或者交流电，其中所述脉冲直流电的占空比为85％，控制电流密度在0.1～0.25A/cm2，终止电压超过520V。
9.如权利要求5所述金属基点阵隔热-承载结构的成形方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述陶瓷粉末为SiC粉末，Si3N4晶须粉末或Al2O3粉末；所述金属粉末的粒径在30-50μm之间，所述陶瓷粉末的直径优选为20-30μm。
10.如权利要求5所述金属基点阵隔热-承载结构的成形方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述金属基底预先经过SLM工艺预处理，该预处理是在所述金属基底用于成形金属-陶瓷复合粉末的表面上预先通过激光选区烧结(SLM)工艺沉积与该金属基底成分相同的连接层，所述连接层的厚度为5-10mm；
所述金属基底为铝合金基底，优选为铝合金蒙皮基底。
CN201810510749.9A 2018-05-24 2018-05-24 一种轻质金属基点阵隔热-承载结构及其成形方法 Active CN108580903B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810510749.9A CN108580903B (zh) 2018-05-24 2018-05-24 一种轻质金属基点阵隔热-承载结构及其成形方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810510749.9A CN108580903B (zh) 2018-05-24 2018-05-24 一种轻质金属基点阵隔热-承载结构及其成形方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108580903A true CN108580903A (zh) 2018-09-28
CN108580903B CN108580903B (zh) 2019-10-25

Family

ID=63629123

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810510749.9A Active CN108580903B (zh) 2018-05-24 2018-05-24 一种轻质金属基点阵隔热-承载结构及其成形方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108580903B (zh)

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109501249A (zh) * 2018-12-11 2019-03-22 西安国宏天易智能科技有限公司 一种变截面开孔网格支撑结构及其生成方法
CN109624437A (zh) * 2018-11-08 2019-04-16 首都航天机械有限公司 一种带随形内流道点阵夹芯防热结构、设计及制造方法
CN111451505A (zh) * 2020-05-15 2020-07-28 中国航发北京航空材料研究院 一种金属点阵结构变密度梯度材料的激光选区熔化制备工艺
CN111893341A (zh) * 2020-07-03 2020-11-06 华南理工大学 面向中子防护的铝基碳化硼结构的增材制造方法
CN112387983A (zh) * 2020-11-30 2021-02-23 浙江华朔科技股份有限公司 一种铝合金表面减震耐腐蚀复合结构层的制备方法
CN112496350A (zh) * 2020-11-30 2021-03-16 华中科技大学 一种电磁辅助激光打印NiCrAlY-Al2O3陶瓷的方法及装置
CN113479313A (zh) * 2021-07-06 2021-10-08 上海交通大学 一种金属层空心微点阵结构的制备方法及温控系统
CN114226755A (zh) * 2021-12-21 2022-03-25 清华大学 金属-陶瓷复合点阵制造方法及金属-陶瓷复合点阵结构
CN114799220A (zh) * 2022-04-22 2022-07-29 上海航天设备制造总厂有限公司 承力防隔热梯度材料与结构增材制造方法及系统
CN115572153A (zh) * 2022-10-28 2023-01-06 中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院 一种高熵合金/陶瓷复合点阵结构的制备方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1803348A (zh) * 2006-01-24 2006-07-19 华中科技大学 一种快速制造功能梯度材料的制备方法
CN103121103A (zh) * 2013-03-01 2013-05-29 大连理工大学 金属-陶瓷多维度功能梯度结构件的激光近净成形方法
WO2017112779A1 (en) * 2015-12-21 2017-06-29 The University Of Toledo Process to produce high-strength and corrosion resistant alloy for patient-specific bioresorbable bone fixation implants and hardware
CN107716142A (zh) * 2017-11-14 2018-02-23 上海核工程研究设计院有限公司 一种增材制造的核电站稳压器喷雾器旋水芯
CN107774996A (zh) * 2017-10-11 2018-03-09 华中科技大学 一种多材料梯度点阵结构的零件的一体化成形方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1803348A (zh) * 2006-01-24 2006-07-19 华中科技大学 一种快速制造功能梯度材料的制备方法
CN103121103A (zh) * 2013-03-01 2013-05-29 大连理工大学 金属-陶瓷多维度功能梯度结构件的激光近净成形方法
WO2017112779A1 (en) * 2015-12-21 2017-06-29 The University Of Toledo Process to produce high-strength and corrosion resistant alloy for patient-specific bioresorbable bone fixation implants and hardware
CN107774996A (zh) * 2017-10-11 2018-03-09 华中科技大学 一种多材料梯度点阵结构的零件的一体化成形方法
CN107716142A (zh) * 2017-11-14 2018-02-23 上海核工程研究设计院有限公司 一种增材制造的核电站稳压器喷雾器旋水芯

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
辛铁柱: "铝合金表面微弧氧化陶瓷膜生成及机理的研究", 《中国博士学位论文全文数据库（工程科技Ⅰ辑）》 *

Cited By (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109624437A (zh) * 2018-11-08 2019-04-16 首都航天机械有限公司 一种带随形内流道点阵夹芯防热结构、设计及制造方法
CN109624437B (zh) * 2018-11-08 2021-06-11 首都航天机械有限公司 一种带随形内流道点阵夹芯防热结构、设计及制造方法
CN109501249A (zh) * 2018-12-11 2019-03-22 西安国宏天易智能科技有限公司 一种变截面开孔网格支撑结构及其生成方法
CN109501249B (zh) * 2018-12-11 2024-02-23 西安国宏天易智能科技有限公司 一种变截面开孔网格支撑结构及其生成方法
CN111451505A (zh) * 2020-05-15 2020-07-28 中国航发北京航空材料研究院 一种金属点阵结构变密度梯度材料的激光选区熔化制备工艺
CN111893341A (zh) * 2020-07-03 2020-11-06 华南理工大学 面向中子防护的铝基碳化硼结构的增材制造方法
CN111893341B (zh) * 2020-07-03 2022-05-17 华南理工大学 面向中子防护的铝基碳化硼结构的增材制造方法
CN112496350B (zh) * 2020-11-30 2022-08-02 华中科技大学 一种电磁辅助激光打印NiCrAlY-Al2O3陶瓷的方法及装置
CN112387983A (zh) * 2020-11-30 2021-02-23 浙江华朔科技股份有限公司 一种铝合金表面减震耐腐蚀复合结构层的制备方法
CN112496350A (zh) * 2020-11-30 2021-03-16 华中科技大学 一种电磁辅助激光打印NiCrAlY-Al2O3陶瓷的方法及装置
CN113479313A (zh) * 2021-07-06 2021-10-08 上海交通大学 一种金属层空心微点阵结构的制备方法及温控系统
CN114226755A (zh) * 2021-12-21 2022-03-25 清华大学 金属-陶瓷复合点阵制造方法及金属-陶瓷复合点阵结构
CN114799220B (zh) * 2022-04-22 2023-11-21 上海航天设备制造总厂有限公司 承力防隔热梯度材料与结构增材制造方法及系统
CN114799220A (zh) * 2022-04-22 2022-07-29 上海航天设备制造总厂有限公司 承力防隔热梯度材料与结构增材制造方法及系统
CN115572153A (zh) * 2022-10-28 2023-01-06 中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院 一种高熵合金/陶瓷复合点阵结构的制备方法
CN115572153B (zh) * 2022-10-28 2023-07-21 中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院 一种高熵合金/陶瓷复合点阵结构的制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN108580903B (zh) 2019-10-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108580903B (zh) 一种轻质金属基点阵隔热-承载结构及其成形方法
Chen et al. Additive manufacturing of metallic lattice structures: Unconstrained design, accurate fabrication, fascinated performances, and challenges
Wan et al. Fabrication, properties, and applications of open-cell aluminum foams: A review
CN105603265B (zh) 泡沫石墨烯骨架增强铝基复合材料及其制备方法
JP2005350341A (ja) 一体化セラミック／金属部材およびその作成方法
US5960249A (en) Method of forming high-temperature components and components formed thereby
Fessler et al. Functional gradient metallic prototypes through shape deposition manufacturing
CN100536216C (zh) 用于燃料电池的组件的制备方法
CN105779804A (zh) 一种泡沫骨架结构增强金属基复合材料及制备方法
CN105603248A (zh) 一种泡沫石墨烯骨架增强铜基复合材料及制备方法
CN112242546B (zh) 基于增材制造的金属支撑型自密封固体氧化物燃料电池/电解池及电堆
CN105583401A (zh) 一种制备用于3d打印的复合粉末的方法、产品以及应用
CN105779805A (zh) 泡沫金刚石骨架增强铜基复合材料及制备方法
CN109261967A (zh) 一种多孔钨材料的电子束分区扫描成形方法
CN110079693A (zh) 基于3d打印技术制备金属基复合材料坯料的方法
CN102560178A (zh) 一种多孔材料的制备方法
CN114192801B (zh) 一种基于增材制造的三维双连通结构复合材料的制备方法
CN110405209A (zh) 原位降低选区激光熔化制备钛基复合材料残余应力的方法
CN110682629A (zh) 一种轻质抗弹点阵三明治板及其制备方法
CN113979764A (zh) 基于增材的网格微结构陶瓷-金属复合制品的制备方法
Trusty et al. Novel Techniques for Manufacturing Woven Fiber Reinforced Ceramic Matrix Composites. I. Perform Fabrication
CN115430842B (zh) 一种在增材制造中原位合成MgAlB4或MgAl2O4晶须增强铝基复合材料的方法
CN106702375B (zh) 一种激光-感应复合熔化沉积纤维增强金属基复合材料的装置
CN114635149A (zh) 一种双极板及其制备方法
Cooper Forming processes for metal-matrix composites

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant