CN110125406A - 一种低膨胀系数三维空间点阵结构及其成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于增材制造技术领域，特别涉及一种低膨胀系数三维空间点阵结构及其成形方法。包括有多个点阵单元，多个点阵单元之间呈周期性阵列排布，每个点阵单元包括有由四面体支撑杆形成的四面体框架及由八面体支撑杆形成的八面体框架，所述的八面体框架内嵌于四面体框架内，两个相邻八面体支撑杆形成的顶点位于四面体框架支撑杆的中心，其中四面体框架由低膨胀系数的金属成形，八面体框架由高热膨胀系数金属成形。本发明提出了一种轻质低热膨胀系数点阵结构及其电弧熔丝增材制造方法，其点阵结构是基于杆件的双金属材料组成，具有两种金属材料，两种金属材料使得该点阵结构的表面具有一定的形变，在高温度梯度下，使得形变在每个点阵单元内形成，从而减少整体结构的形变。

Description

一种低膨胀系数三维空间点阵结构及其成形方法
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，特别涉及一种低膨胀系数三维空间点阵结构及其成形方法。
背景技术
在航空航天领域，随着航天飞行器飞行速度的不断提高、在大气中飞行时间不断延长，不论是载人飞船的返回舱、重复使用的运载器，还是空天飞机、高超飞行器等，在穿越大气层时，将承受剧烈的气动力加热和加载。此时航天飞行器的放热结构会产生较大的温度梯度，导致较大的热应力，造成结构变形和气动外形的破坏。由于高效轻质的隔热结构可承受热振动和机械振动，所以多孔轻质隔热层结构已成为目前研究的热点。但传统的泡沫结构和蜂窝夹层结构无法同时满足承载和隔热性能的需求。而微区结构可控、孔隙率可调、比强度和比模量高的空间点阵结构则有望同时满足承载-隔热一体化需求。但是在高温度梯度下，点阵结构上下层有可能因为热应变造成变形，所以设计和制造一种低热膨胀系数的空间点阵结构十分必要。
文献“A.S.Craig,et al.Concepts for structurally robust materials thatcombine low thermal expansion with high sti ness.Journal of the Mechanics andPhysics of Solids55(2007)1803-1822”首先利用计算机模拟的方法设计出了“C.Mercer,etal.An investigation of the mechanical behavior of three-dimensional lowexpansion lattice structures fabricated via laser printing.CompositeStructures206(2018)80-94.”公开了一种利用激光选区熔化(SelectiveLaserMelting,SLM)方法成形低热膨胀三维空间点阵结构的方法。但是文献公开的方法并不能成功成形设计的两种金属材料的增材制造成形，因为基于粉缸的SLM技术无法同时成形两种金属材料，故该文献最终只成形了单一Ti6Al4V金属的点阵，并不能获得明显的低热膨胀效果，因此，该点阵结构在高温度梯度下，点阵结构上下层还是会因为热应变造成变形，针对该缺陷，本发明作出了改进。
发明内容
本发明提出了一种轻质低热膨胀系数点阵结构及其电弧熔丝增材制造方法，其点阵结构是基于杆件的双金属材料组成，具有两种金属材料，两种金属材料使得该点阵结构的表面具有一定的形变，在高温度梯度下，使得形变在每个点阵单元内形成，从而减少整体结构的形变。
本发明所采用的技术方案是：一种低膨胀系数三维空间点阵结构，包括有多个点阵单元，多个点阵单元之间呈周期性阵列排布，每个点阵单元包括有由四面体支撑杆形成的四面体框架及由八面体支撑杆形成的八面体框架，所述的八面体框架内嵌于四面体框架内，两个相邻八面体支撑杆形成的顶点位于四面体框架支撑杆的中心，其中四面体框架由低膨胀系数的金属成形，八面体框架由高热膨胀系数金属成形。
优选的，四面体框架的材质为钛合金或合金钢，八面体框架的材质为铝硅合金或铜合金。
优选的，每个所述的四面体支撑杆的中点具有形变夹角，该形变夹角的角度为150°，相邻两个八面体支撑杆形成的顶点处于该形变夹角处促使八面体支撑杆与四面体框架支撑杆形成多个三角框。
优选的，所述的四面体支撑杆与八面体支撑杆的直径相同，且质量分数0.2-0.3，质量密度为1.2-1.8g/cm3。
一种低膨胀系数三维空间点阵结构的成形方法，其特征在于：
1)根据点阵结构的形状设计模型成型路径；
2)采用双丝WAAM设备分别将铝硅合金丝材和钛合金丝材送入并按照模型成型路径分布；
3)采用氩气保护，并逐层逐域制造，通过更换不同成分的丝材来改变成形材料直到构件成形；
4)并在异种金属连接处采用过渡材料，防止异种接头连接缺陷；
5)每成形5层，采用基于蓝光光栅的精度测量装备检查成形精度，并调整WAAM成形参数，最终获得低热膨胀系数轻质点阵结构。
优选的，所述的铝硅合金丝材及钛合金丝材的直径Φ≤0.8mm。
优选的，采用激光对双丝WAAM设备中的电弧熔丝产生的电弧弧柱进行约束，细化熔滴过渡尺寸。
本发明的有益效果是：该点阵结构是基于杆件的双金属材料组成，使得每个点阵单元由两种金属材料组成，一种为低膨胀系数的金属，一种为高热膨胀系数的金属，两种金属形成的点阵外部框架具有一定形变，在高温度梯度下，形变在每个点阵单元内产生，从而减少了整体的膨胀，形成一种低膨胀系数的整体点阵结构。
附图说明
图1为本发明中点阵结构工艺成形图；
图2为本发明中点阵结构工艺成形图；
图3本发明中点阵结构示意图；
图4为本发明中单个点阵单元的结构图；
图5为本发明中多个点阵单元阵列排布后的结构图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
以上所述实施例仅为本发明的部分示意实施例，并不具有限制本发明的用途，凡在本发明的精神及原则之内所做的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
本发明提供了一种低膨胀系数三维空间点阵结构，包括有多个点阵单元，多个点阵单元之间呈周期性阵列排布，每个点阵单元包括有由四面体支撑杆形成的四面体框架及由八面体支撑杆形成的八面体框架，所述的八面体框架内嵌于四面体框架内，两个相邻八面体支撑杆形成的顶点位于四面体框架支撑杆的中心，其中四面体框架由低膨胀系数的金属成形，八面体框架由高热膨胀系数金属成形。该点阵结构是基于杆件的双金属材料组成，使得每个点阵单元由两种金属材料组成，一种为低膨胀系数的金属，为外面的整体框架，一种为高热膨胀系数的金属，为外部整体框架中人内嵌支撑，在高温度梯度下，外部框架会产生一定形变，这样形变过程在每个点阵单元内产生，这样就会减少了整体的膨胀，形成一种低膨胀系数的整体点阵结构。
四面体框架的材质为钛合金或合金钢，八面体框架的材质为铝硅合金或铜合金。钛合金及铝硅合金质地轻，能够使点阵结构形成质地较轻的整体结构。当然，除了上述这些材质以外，只要能够满足低膨胀系数或高热膨胀系数的金属都可以。
每个所述的四面体支撑杆的中点具有形变夹角，该形变夹角的角度为150°，相邻两个八面体支撑杆形成的顶点处于该形变夹角处促使八面体支撑杆与四面体框架支撑杆形成多个三角框。
所述的四面体支撑杆与八面体支撑杆的直径相同，且质量分数0.2-0.3，质量密度为1.2-1.8g/cm3。
一种低膨胀系数三维空间点阵结构的成形方法，
1)根据点阵结构的形状设计模型成型路径；
2)采用双丝WAAM设备分别将铝硅合金丝材和钛合金丝材送入并按照模型成型路径分布；
3)采用氩气保护，并逐层逐域制造，通过更换不同成分的丝材来改变成形材料直到构件成形；
4)并在异种金属连接处采用过渡材料，防止异种接头连接缺陷；该过渡材料采用为一层很薄的铌板，加工过程中，可以先成型一部分的钛合金杆件，然后在异种接头处放置一张很薄的铌片，利用成型铝合金的电弧热量熔化铌和铝合金，铌可以防止铝钛硬脆相的大量产生。
5)每成形5层，采用基于蓝光光栅的精度测量装备检查成形精度，并调整WAAM成形参数，最终获得低热膨胀系数轻质点阵结构。
所述的铝硅合金丝材及钛合金丝材的直径Φ≤0.8mm。
采用激光对双丝WAAM设备中的电弧熔丝产生的电弧弧柱进行约束，细化熔滴过渡尺寸。
该点阵结构是基于杆件的双金属材料组成，使得每个点阵单元由两种金属材料组成，一种为低膨胀系数的金属，一种为高热膨胀系数的金属，两种金属形成的点阵外部框架具有一定形变，在高温度梯度下，形变在每个点阵单元内产生，从而减少了整体的膨胀，形成一种低膨胀系数的整体点阵结构。
该点阵结构单元中四面体支撑杆及八面体支撑杆的计算公试如下：
假设四面体支撑杆为一条直线(用虚线L表示)时，那么该四面体支撑杆形成的框体为一个标准四面体框体，而四面体支撑杆的中点具有形变夹角时(这时四面体支撑杆用l1表示)，那么形成的四面体框体就为一个变形四面体框体，因此变形四面体框体与标准四面体框体之间具有一个夹角，该夹角的Φ＝15°；
假设以变形四面体四个顶点位置为顶点的正四面体边长为L，那么变形四面体杆件长度l1和内嵌八面体杆件长度l2可以通过以下公式计算得到：
a)每个交点的坐标(x,y,z)如表1所示
表1点阵单元交点坐标
其中，x,y1,y2和z通过以下公式计算：
基于设计的点阵单元将其在空间中周期性堆积，其中变形四面体的四个顶点分别和周围另外两个单元共享一个空间位置，故得到如图3所示的空间排布。
低热膨胀系数轻质点阵结构采用电弧熔丝增材制造(Wire and Arc AddictiveManufacturing,WAAM)工艺成形，由于WAAM可成形无支撑的悬臂结构且可以实现多材料同时成形，但是电弧能量较为分散，无法成形精细点阵结构，故需采用激光对电弧弧柱进行约束，细化熔滴过渡尺寸，稳定过渡行为。该WAAM成形工艺采用实心丝材作为成形材料，所述丝材成分为铝合金或钛合金，其直径Φ≤0.8mm。

Claims (7)

1.一种低膨胀系数三维空间点阵结构，包括有多个点阵单元，多个点阵单元之间呈周期性阵列排布，其特征在于：每个点阵单元包括有由四面体支撑杆形成的四面体框架及由八面体支撑杆形成的八面体框架，所述的八面体框架内嵌于四面体框架内，两个相邻八面体支撑杆形成的顶点位于四面体框架支撑杆的中心，其中四面体框架由低膨胀系数的金属成形，八面体框架由高热膨胀系数金属成形。
2.根据权利要求1所述的一种低膨胀系数三维空间点阵结构，其特征在于，四面体框架的材质为钛合金或合金钢，八面体框架的材质为铝硅合金或铜合金。
3.根据权利要求1或2所述的一种低膨胀系数三维空间点阵结构，其特征在于：每个所述的四面体支撑杆的中点具有形变夹角，该形变夹角的角度为150°，相邻两个八面体支撑杆形成的顶点处于该形变夹角处促使八面体支撑杆与四面体框架支撑杆形成多个三角框。
4.根据权利要求3所述的一种低膨胀系数三维空间点阵结构，其特征在于，所述的四面体支撑杆与八面体支撑杆的直径相同，且质量分数0.2-0.3，质量密度为1.2-1.8g/cm3。
5.一种根据权利要求1-4所述的低膨胀系数三维空间点阵结构的成形方法，其特征在于：
1)根据点阵结构的形状设计模型成型路径；
2)采用双丝WAAM设备分别将铝硅合金丝材和钛合金丝材送入并按照模型成型路径分布；
3)采用氩气保护，并逐层逐域制造，通过更换不同成分的丝材来改变成形材料直到构件成形；
4)并在异种金属连接处采用过渡材料，防止异种接头连接缺陷；
5)每成形5层，采用基于蓝光光栅的精度测量装备检查成形精度，并调整WAAM成形参数，最终获得低热膨胀系数轻质点阵结构。
6.根据权利要求5所述的低膨胀系数三维空间点阵结构的成形方法，其特征在于：所述的铝硅合金丝材及钛合金丝材的直径Φ≤0.8mm。
7.根据权利要求5所述的低膨胀系数三维空间点阵结构的成形方法，其特征在于：采用激光对双丝WAAM设备中的电弧熔丝产生的电弧弧柱进行约束，细化熔滴过渡尺寸。
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