CN114030237B - 一种NiAl合金蜂窝结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种NiAl合金蜂窝结构及其制备方法，涉及金属薄壁蜂窝结构制造技术领域，制备方法包括：将经过表面处理的Ni箔和Al箔交替堆叠成箔材板坯；在温度为700‑800℃、压力为10‑20MPa的条件下，将所述箔材板坯热压成形，得到瓦楞板；将所述瓦楞板与所述Al箔交替堆叠后，在温度为700‑800℃、压力为10‑20MPa的条件下进行连接，得到所述蜂窝结构；将蜂窝结构进行加热均化处理，冷却后得到NiAl合金蜂窝结构。本发明制备周期短，连接强度高且力学性能优异。
Description
技术领域
本发明涉及金属薄壁蜂窝结构制造技术领域，具体而言，涉及一种NiAl合金蜂窝结构及其制备方法。
背景技术
金属蜂窝结构具有相对密度低、强度高、刚性大、稳定性好等优势，在高速飞行器的蒙皮、翼舵面等位置应用广泛。而NiAl合金具有密度低、耐高温、比强度和比刚度高以及抗氧化性强等优点，将NiAl合金与蜂窝结构相结合制备的NiAl合金蜂窝结构，在航空航天飞行器轻量化和高速化的发展趋势下，具有极强的应用背景。
现阶段针对金属蜂窝结构多采用成形法制备，成形方法包括通过冲压、轧制、滚压等方法制备蜂窝瓦楞板，再通过点焊工艺连接瓦楞板制备成蜂窝结构。但是通常制备瓦楞板的周期较长且效率低，而点焊连接方式的强度不足，进一步影响蜂窝结构的整体刚体、抗弯、抗剪等力学性能。
发明内容
本发明解决的问题是瓦楞板制备周期长和连接强度低的至少一个方面。
为解决上述问题，本发明提供一种NiAl合金蜂窝结构的制备方法，包括如下步骤：
步骤S1：将经过表面处理的Ni箔和Al箔交替堆叠成箔材板坯，所述箔材板坯的外层均为所述Ni箔；
步骤S2：在温度为700-800℃、压力为10-20MPa的条件下，将所述箔材板坯热压成形，得到瓦楞板；
步骤S3：将所述瓦楞板与所述Al箔交替堆叠后，在温度为700-800℃、压力为10-20MPa的条件下进行连接，得到所述蜂窝结构；
步骤S4：将步骤S3中的所述蜂窝结构进行加热均化处理，冷却后得到NiAl合金蜂窝结构。
进一步地，步骤S1中，还包括根据NiAl合金中Ni原子和Al原子个数比，计算得到所述Ni箔和所述Al箔的厚度比后，根据所述瓦楞板的预设厚度，将经过表面处理的所述Ni箔和所述Al箔以所述厚度比交替堆叠成与所述瓦楞板的预设厚度相配合的所述箔材板坯。
进一步地，步骤S1中，所述表面处理包括将所述Ni箔和所述Al箔经细砂纸打磨后，置于丙酮溶液中超声，再用蒸馏水清洗后干燥。
进一步地，步骤S1中，还包括将经过表面处理的所述Ni箔和所述Al箔交替堆叠后，进行铆接得到所述箔材板坯。
进一步地，步骤S4中，所述加热均化处理包括将所述蜂窝结构置于真空加热炉中，加热至1000-1300℃后，保温1-2h。
进一步地，步骤S2中，还包括将所述箔材板坯置于热压模具前，在所述热压模具表面涂覆脱模剂。
进一步地，所述脱模剂包括氮化硼。
进一步地，步骤S2中，所述瓦楞板包括Ni层和Ni2Al3层的交替连接结构。
进一步地，步骤S3中，所述Al箔的厚度包括10-30μm。
本发明所述的NiAl合金蜂窝结构的制备方法相较于现有技术的优势在于，本发明通过将经过表面处理的Ni箔和Al箔交替堆叠成箔材板坯后，放入到温度略高于Al箔熔点的热压模具中进行热压成形，实现了液态Al与固态Ni间的固液反应连接，连接强度高，反应速率快，与此同时热压成形得到瓦楞板，使得固液反应连接与成型同步完成，制备方法简单，制备周期短且效率高。本发明还通过将瓦楞板与Al箔交替堆叠放入预热后的连接模具，利用固液反应实现瓦楞板间的快速连接，同时Al箔实现了瓦楞板之间的面连接，连接强度更高，得到的蜂窝结构整体性能稳定，进一步加热均化处理后，得到材质均衡，力学性能优异的NiAl合金蜂窝结构。
本发明还提供一种NiAl合金蜂窝结构，根据所述NiAl合金蜂窝结构的制备方法制得。
本发明所述的NiAl合金蜂窝结构相较于现有技术的优势与所述NiAl合金蜂窝结构的制备方法相较于现有技术的优势相同，在此不再赘述。
附图说明
图1为本发明实施例中的NiAl合金蜂窝结构的制备流程图；
图2为本发明实施例中的箔材板坯结构示意图；
图3为本发明实施例中的热压模具结构示意图；
图4为本发明实施例中的瓦楞板结构示意图；
图5为本发明实施例中的瓦楞板组织形态示意图；
图6为本发明实施例中的蜂窝结构连接示意图；
图7为本发明实施例中的连接模具结构示意图；
图8为本发明实施例中的蜂窝结构连接处的组织形态示意图；
图9为本发明实施例中的NiAl合金蜂窝结构的组织形态示意图。
附图标记说明：
1-Ni箔；2-Al箔；3-上底板；4-上水冷板；5-上隔热板；6-热压上模；7-箔材板坯；8-热压下模；9-感应加热线圈；10-下隔热板；11-下水冷板；12-下底板；13-瓦楞板；14-Ni层；15-Ni2Al3层；16-NiAl；17-上压头；18-支撑杆；19-支撑块。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
需要说明的是，在本申请实施例的描述中，术语“一些具体的实施例”的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
结合图1所示，本发明实施例提供一种NiAl合金蜂窝结构的制备方法，包括如下步骤：
步骤S1：将经过表面处理的Ni箔1和Al箔2交替堆叠成箔材板坯7，箔材板坯7的外层均为Ni箔1；需要说明的是，箔材板坯7的外层是指从上到下堆叠的最上层和最底层。
步骤S2：在温度为700-800℃、压力为10-20MPa的条件下，将箔材板坯7热压成形，得到瓦楞板13；
步骤S3：将瓦楞板13与Al箔2交替堆叠后，在温度为700-800℃、压力为10-20MPa的条件下进行连接，得到蜂窝结构；
步骤S4：将步骤S3中的蜂窝结构进行加热均化处理，冷却后得到NiAl合金蜂窝结构。
本发明实施例所述的NiAl合金蜂窝结构的制备方法通过将经过表面处理的Ni箔1和Al箔2交替堆叠成箔材板坯7后，放入到温度略高于Al箔2熔点的热压模具中进行热压成形，实现了液态Al与固态Ni间的固液反应连接，连接强度高，反应速率快，与此同时热压成形得到瓦楞板13，使得固液反应连接与成型同步完成，生产工序少，制备方法简单，制备周期短且效率高。本发明实施例还通过将瓦楞板13与Al箔2交替堆叠放入预热后的连接模具，利用固液反应实现瓦楞板13间的快速连接，同时Al箔2实现了瓦楞板13之间的面连接，连接强度更高，得到的蜂窝结构整体性能稳定，进一步加热均化处理后，得到材质均衡，力学性能优异的NiAl合金蜂窝结构。
结合图2至图5所示，本实施例中的Ni箔1和Al箔2交替堆叠成待加工的箔材板坯7，堆叠的层数可根据所需瓦楞板13的厚度或液态Al完全能够与Ni箔1固液反应形成Ni2Al315时，以此热压成形后的瓦楞板13能够具有良好的层间结构稳定性，为后续进一步连接成形提供了良好的性能基础。
结合图3所示，本实施例中，热压前对热压模具进行预热到Al的熔点以上，待将箔材板坯7置于热压模具后，能够迅速加热箔材板坯7，开始液态Al与Ni箔1固液反应，提高了制备效率。而现有技术中，通常采用低于Al熔点的温度进行压制，反应速度慢，且生成的层间物质复杂，导致性能稳定性不足且不易控制。而本实施例中采用700-800℃，同时加压至10-20MPa，并保温保压5-15min，加快反应速度，并形成稳定的层间化合物。
本实施例中对所采用的热压模具不做具体结构的限定，凡是能够实现上述步骤S2中的结构均可以加以运用。在一些优选的实施例中，结合图3所示，热压模具包括从上到下依次设置的上底板3、上水冷板4、上隔热板5、热压上模6、热压下模8、下隔热板10、下水冷板11和下底板12，箔材板坯7放置于热压上模6和热压下模8之间，热压模具还包括环绕热压上模6、箔材板坯7和热压下模8的周向设置的感应加热线圈9。热压模具工作时，首先启动感应加热线圈9进行预热，当温度达到700-800℃时，放入箔材板坯7，加压至10-20MPa，并保持温度和压强不变直至完成瓦楞板13的热压成形。本实施例中的热压模具结构简单，操作方便，实用便捷。在一些优选的实施例中，热压模具的热压上模6和热压下模8还包括相互配合的压边结构，压边结构适于将箔材板坯7的边缘压制成沟槽结构，以防止液态Al溢出，防止Al的浪费，并减少溢出对其他部位的污染。
本实施例中对所采用的连接模具不做具体结构的限定，凡是能够实现上述步骤S3中的瓦楞板13的连接的结构均可以加以运用。在一些优选的实施例中，结合图6和图7所示，蜂窝结构连接模具包括从上到下依次设置的上底板3、上水冷板4、上隔热板5、下隔热板10、下水冷板11、下底板12、上压头17、支撑杆18和支撑块19，还包括环绕上压头17和支撑杆18周向设置的感应加热线圈9。连接模具工作时，首先启动感应加热线圈9进行预热，当温度达到700-800℃时，将待连接瓦楞板13和Al箔2放置于上压头17和支撑杆18之间，加压至10-20MPa，并保持温度和压强不变直至完成连接。本实施例中的连接模具结构简单，操作方便，实用便捷。由于与步骤S2中瓦楞板13的制备分步进行，且工作条件几乎相同，因此，结合图3所示，可以在上述热压模具的基础上对其热压上模6和热压下模8进行更换，改为上压头17、支撑杆18和支撑块19，降低制备过程中的设备成本，提高设备利用率。
结合图6至图8所示，本实施例中蜂窝结构通过将瓦楞板13放置于连接模具的支撑杆18上后，再依次对应叠放Al箔2和瓦楞板13，并对待连接处的瓦楞板13-Al箔2-瓦楞板13进行加压至10-20MPa，在温度为700-800℃条件下，保温保压5-15min后，此时，液态Al与瓦楞板13的表面组织Ni发生固液反应生成Ni2Al3层15，实现两块瓦楞板13的连接。再将连接完成的瓦楞板置于连接模具的支撑杆18上，重复上述连接步骤，依次向上添加瓦楞板13，最终得到蜂窝结构。由此，将瓦楞板13依次连接形成蜂窝结构，采取同样的点火温度，迅速开启液态Al与Ni箔1间固液反应，在连接处加压后快速实现瓦楞板13间的面连接，制成结构稳固的蜂窝结构，工序简单，效率高。
在一些具体的实施例中，步骤S1中，还包括根据NiAl合金中Ni原子和Al原子个数比，计算得到Ni箔1和Al箔2的厚度比后，根据瓦楞板13的预设厚度，将经过表面处理的Ni箔1和Al箔2以厚度比交替堆叠成与瓦楞板的预设厚度相配合的箔材板坯7。
本实施例中为了精确固液反应后所形成的瓦楞板13以及提高最终制得的NiAl合金蜂窝结构的整体性能，对Ni箔1和Al箔2的厚度进行了设计，根据NiAl合金中Ni原子和Al原子个数比，计算得到Ni箔1和Al箔2的厚度比后，再根据瓦楞板13的厚度，将经过表面处理的Ni箔1和Al箔2以厚度比交替堆叠成箔材板坯7，由此，既能够使固液反应充分进行节省金属箔材，又能够得到分布均衡及性能稳定的瓦楞板13，有利于提高NiAl合金蜂窝结构的整体性能。
在一些具体的实施例中，步骤S1中，当NiAl合金中Ni原子和Al原子个数比为1：1时，得到Ni箔1和Al箔2的厚度比为1：1.5。本实施例中，在上述数据的基础上，若瓦楞板13的厚度需为0.5mm，以5层堆叠为例，且Ni箔1均处于外层，则单层Ni箔1的厚度为0.067mm，单层Al箔2的厚度为0.15mm。由此，能够根据所需瓦楞板的厚度和组织形式选取金属箔材的用量及厚度，通过精确Ni箔1和Al箔2的用量和厚度提高所得产品性能及组成结构的可控性。
在一些具体的实施例中，步骤S1中，表面处理包括将Ni箔1和Al箔2经细砂纸打磨后，置于丙酮溶液中超声，再用蒸馏水清洗后干燥。本实施例中，干燥可采用干燥箱以提高干燥效率。由此，处理后的Ni箔1和Al箔2对后期的固液反应以及成形具有提高瓦楞板13纯度，减少杂质和增强整体力学性能的作用。
如图2所示，在一些具体的实施例中，步骤S1中，还包括将经过表面处理的Ni箔1和Al箔2交替堆叠后，进行铆接得到箔材板坯7。本实施例中的连接方式简单适于金属箔材之间的连接，且能够减少杂质的介入和有利于热传导。在一些实施例中，可对连接方式进行跟换，凡是能够起到稳定箔材板坯7的连接方式都可以加以运用。
在一些具体的实施例中，步骤S4中，加热均化处理包括将所述蜂窝结构置于真空加热炉中，加热至1000-1300℃后，保温1-2h。由此，利用普通加热设备即可实现蜂窝结构力学性能的提升，操作简单且效率高。
结合图3和图7所示，在一些具体的实施例中，步骤S2中，还包括将箔材板坯7置于热压模具前，在热压模具表面涂覆脱模剂。本实施例中脱模剂能够防止需要热压的箔材板坯7和热压模具的热压上模6和热压下模8表面发生扩散反应并粘连，热压完成后取下时易使表面破坏而不利于箔材板坯7的最终成形。同样地，在连接模具的上压头17和支撑杆18表面涂覆脱模剂，防止瓦楞板13与上压头17和支撑杆18表面发生扩散反应并黏连，不利于瓦楞板13之间的连接及蜂窝结构的最终成形。具体地，脱模剂可采用氮化硼等常见脱模材料。
在一些具体的实施例中，步骤S2中，瓦楞板13包括Ni层14和Ni2Al3层15的交替连接结构。
结合图5所示，本实施例中，通过精确控制Ni箔1和Al箔2的用量以及热压条件，完全消耗Al箔2后使瓦楞板13的结构呈现Ni层14和Ni2Al3层15的交替层状连接结构，由此，结构组成清晰，层间连接性能稳定，有利于提高整体的力学性能。
在一些具体的实施例中，步骤S3中，Al箔2的厚度包括10-30μm。
结合图6至图9所示，本实施例中的Al箔2的厚度有利于快速实现瓦楞板13件的稳定连接，使得面连接层形成Ni2Al3层15，实现瓦楞板13间良好的结构过渡，且整体中Ni和Al的分布均匀，有利于提高后期加热进行均匀后处理时的效率及NiAl合金蜂窝结构的整体性能。
结合图6所示，本发明实施例还提供了一种NiAl合金蜂窝结构，根据NiAl合金蜂窝结构的制备方法制得。
本发明实施例所述的NiAl合金蜂窝结构相较于现有技术的优势与所述NiAl合金蜂窝结构的制备方法相较于现有技术的优势相同，在此不再赘述。
实施例1
本发明实施例中的NiAl合金蜂窝结构的制备方法，包括如下步骤：
将厚度比为1：1.5的Ni箔1和Al箔2经细砂纸打磨后，置于丙酮溶液中超声，再用蒸馏水清洗后干燥后，交替堆叠成5层箔材板坯7，最上层和最底层均为Ni箔1；将热压模具加热到780℃后，再将箔材板坯7置于热压模具中，加压至18MPa，保温保压14min后，得到瓦楞板13；将连接模具加热到780℃，将瓦楞板13与厚度为20μm的Al箔2交替堆叠后，放入连接模具，对待连接处加压至19MPa，保温保压14min后，得到蜂窝结构；将蜂窝结构置于真空加热炉中，加热至1200℃后，保温1.8h，冷却后得到NiAl合金蜂窝结构。
实施例2
本发明实施例中的NiAl合金蜂窝结构的制备方法，包括如下步骤：
将Ni箔1和Al箔2经细砂纸打磨后，置于丙酮溶液中超声，再用蒸馏水清洗后干燥后，交替堆叠成7层箔材板坯7，最上层和最底层均为Ni箔1；将热压模具加热到800℃后，再将箔材板坯7置于热压模具中，加压至20MPa，保温保压15min后，得到瓦楞板13；将连接模具加热到800℃，将瓦楞板13与厚度为30μm的Al箔2交替堆叠后，放入连接模具，对待连接处加压至20MPa，保温保压15min后，得到蜂窝结构；将蜂窝结构置于真空加热炉中，加热至1300℃后，保温2h，冷却后得到NiAl合金蜂窝结构。
实施例3
本发明实施例中的NiAl合金蜂窝结构的制备方法，包括如下步骤：
将Ni箔1和Al箔2经细砂纸打磨后，置于丙酮溶液中超声，再用蒸馏水清洗后干燥后，交替堆叠成3层箔材板坯7，最上层和最底层均为Ni箔1；将热压模具加热到700℃后，再将箔材板坯7置于热压模具中，加压至10MPa，保温保压5min后，得到瓦楞板13；将连接模具加热到700℃，将瓦楞板13与厚度为10μm的Al箔2交替堆叠后，放入连接模具，对待连接处加压至10MPa，保温保压5min后，得到蜂窝结构；将蜂窝结构置于真空加热炉中，加热至1000℃后，保温1h，冷却后得到NiAl合金蜂窝结构。
上述3个实施例中得到的的NiAl合金蜂窝结构实现了液态Al与固态Ni间的固液反应连接，连接强度高，反应速率快，与此同时热压成形得到瓦楞板13，使得固液反应连接与成型同步完成，生产工序少，制备方法简单，制备周期短且效率高。本发明实施例还实现了瓦楞板13之间的面连接，连接强度更高，得到的蜂窝结构整体性能稳定，进一步加热均化处理后，得到材质均衡，力学性能优异的NiAl合金蜂窝结构。
虽然本发明公开披露如上，但本发明公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本发明公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种NiAl合金蜂窝结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：将经过表面处理的Ni箔(1)和Al箔(2)交替堆叠成箔材板坯(7)，所述箔材板坯(7)的外层均为所述Ni箔(1)；
步骤S2：在温度为700-800℃、压力为10-20MPa的条件下，将所述箔材板坯(7)热压成形，得到瓦楞板(13)；
步骤S3：将所述瓦楞板(13)与所述Al箔(2)交替堆叠后，在温度为700-800℃、压力为10-20MPa的条件下进行连接，得到所述蜂窝结构；
步骤S4：将步骤S3中的所述蜂窝结构进行加热均化处理，冷却后得到NiAl合金蜂窝结构；
步骤S2中，所述瓦楞板(13)包括Ni层(14)和Ni2Al3层(15)的交替连接结构；
步骤S3中，所述Al箔(2)的厚度包括10-30μm。
2.根据权利要求1所述的NiAl合金蜂窝结构的制备方法，其特征在于，步骤S1中，还包括根据NiAl合金中Ni原子和Al原子个数比，计算得到所述Ni箔(1)和所述Al箔(2)的厚度比后，根据所述瓦楞板(13)的预设厚度，将经过表面处理的所述Ni箔(1)和所述Al箔(2)以所述厚度比交替堆叠成与所述瓦楞板(13)的预设厚度相配合的所述箔材板坯(7)。
3.根据权利要求1所述的NiAl合金蜂窝结构的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述表面处理包括将所述Ni箔(1)和所述Al箔(2)经细砂纸打磨后，置于丙酮溶液中超声，再用蒸馏水清洗后干燥。
4.根据权利要求1所述的NiAl合金蜂窝结构的制备方法，其特征在于，步骤S1中，还包括将经过表面处理的所述Ni箔(1)和所述Al箔(2)交替堆叠后，进行铆接得到所述箔材板坯(7)。
5.根据权利要求1所述的NiAl合金蜂窝结构的制备方法，其特征在于，步骤S4中，所述加热均化处理包括将所述蜂窝结构置于真空加热炉中，加热至1000-1300℃后，保温1-2h。
6.根据权利要求1所述的NiAl合金蜂窝结构的制备方法，其特征在于，步骤S2中，还包括将所述箔材板坯(7)置于热压模具前，在所述热压模具表面涂覆脱模剂。
7.根据权利要求6所述的NiAl合金蜂窝结构的制备方法，其特征在于，所述脱模剂包括氮化硼。
8.一种NiAl合金蜂窝结构，其特征在于，根据如权利要求1-7中任一项所述的NiAl合金蜂窝结构的制备方法制得。
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