CN114789256B - 一种异质金属仿生骨架吸能降噪结构及其增材制造方法 - Google Patents

一种异质金属仿生骨架吸能降噪结构及其增材制造方法 Download PDF

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Abstract

一种异质金属仿生骨架吸能降噪结构及其增材制造方法，包括外层上骨架、外层下骨架和中间层骨架，外层上骨架和外层下骨架为墨鱼骨砖墙式复合结构，中间层骨架为墨鱼骨波纹结构，仿生骨架整体采用多材料选区激光熔化技术一体化成形，骨架选用NiTi形状记忆合金和NiTi‑Nb高阻尼形状记忆合金进行材料耦合，Mg金属通过无压渗透工艺填充到外层骨架中，本发明创新性的实现了材料间及材料与结构间的高效耦合，在实现轻量化设计的同时，充分发挥了异质金属优异的力学性能，使得结构具有良好的阻尼抗冲击能力。

Description

一种异质金属仿生骨架吸能降噪结构及其增材制造方法
技术领域
本发明涉及仿生设计以及海洋工程装备领域，具体涉及一种异质金属仿生骨架吸能降噪结构及其增材制造方法。
背景技术
自“海洋强国战略”提出以来，建设海洋强国已成为我国的基本国策。立足国家海洋战略发展的“前沿阵地”，助推中国海洋探索走向纵深是所有科技工作者的共同目标。
随着我们的脚步不断走向深蓝，船舶与海洋工程装备逐渐向大型化、高速化、复杂化和工作状态极端化发展，然而，其所面临的轻量化、振动与隔声问题也日益突出。这不仅会影响工作人员的舒适度，还会影响精密仪表设备的工作状态，甚至危及海洋装备的寿命及安全。因此，轻质高强，减振降噪是各类海洋工程装备共同的需求。
当前，各类海洋工程装备仍以钢材作为主要结构材料，然而，由于钢材质量大的约束，很大程度制约总体设计，此外，该材料阻尼性能差，工作产生的振动和噪音很难衰减，因此，在总体设计中需要引入新的结构元素和材料元素。研究发现，传统的结构元素在设计过程中略有局限，亟需注入新的血液。师法自然，生物仿生结构受到自然界许多生物结构的启发，已经被证明在能量吸收能力方面比传统结构有了显著的提高。因此，利用仿生方法设计具有良好减震降噪效果的新型轻量化结构在工程领域得到了越来越多的应用。在此基础上，材料的选择也至关重要，要实现低密度、高阻尼和高机械强度，可将轻质高阻尼材料与金属阻尼材料耦合。然而，研究发现，传统的阻尼材料，如高分子聚合物，陶瓷，虽具有优异的阻尼性能，但其物理性能难以与金属材料形成高效耦合。
综上所述，亟需一种新的设计方案为海洋工程装备设计提供可靠设计选择。
发明内容
本发明通过金属材料间及材料与结构间的高效耦合，提出一种异质金属仿生骨架吸能降噪结构及其增材制造方法，解决背景技术中提出的问题。
一种异质金属仿生骨架吸能降噪结构，包括外层上骨架、外层下骨架和中间层骨架，外层上骨架和外层下骨架分布在中间层骨架上下两侧；
外层上骨架和外层下骨架为墨鱼骨砖墙式复合结构，中间层骨架为墨鱼骨波纹结构，所述外层上骨架、外层下骨架和中间层骨架占刚性总体积的40%-80%，外层上骨架包括多个第一隔墙与多个隔板，隔板上均匀分布有多个第一隔墙，第n层隔板与第n+1层隔板通过第一隔墙上下连接，n≥1，第n层隔板上的第一隔墙与第n+1层隔板上的第一隔墙位置交错分布，第n层隔板上的第一隔墙与第n+2层隔板上的第一隔墙位置分布相同，第一隔墙厚度t=隔板厚度m，所述第一隔墙总层数k为偶数，k≥4；
所述外层下骨架与外层上骨架结构相同，外层下骨架与外层上骨架相对于中间层骨架对称分布；
所述中间层骨架为1层，中间层骨架包含第二隔墙，第二隔墙均匀分布在外层上骨架最下端隔板与外层下骨架最上端隔板之间；第二隔墙高度H满足关系式：kh＜H＜2kh；其中h为第一隔墙高度；
所述外层上骨架、外层下骨架和中间层骨架由选区激光熔化技术一体化成形，相邻两个第一隔墙之间填充有高阻尼材料,外层上骨架和外层下骨架与中间层骨架为不同材料的高阻尼形状记忆合金。
优选的，所述中间层骨架第二隔墙厚度为外层上骨架第一隔墙厚度t的2倍-4倍，所述中间层骨架相邻两个第二隔墙之间的间隔为外层上骨架相邻两个第一隔墙间隔的1/2-1/3。
优选的，所述的第一隔墙高度h与第一隔墙间隔L之比为常数c1，h= c1L，第一隔墙厚度t与第一隔墙间隔L之比为常数c2，t= c2L，此种情况下外层上骨架与外层下骨架为均布骨架。
优选的，所述外层上骨架与外层下骨架亦可为梯度骨架，第一隔墙厚度t和隔板厚度m随层数增加而递增，tn＜tn+1，mn＜mn+1，该情况下，第一隔墙高度h以第1层为设计值，不发生梯度变化，其中，第1层为最外层，第n+1层靠近中间层骨架。
优选的，所述的第一隔墙与第二隔墙形状为直线形、波浪形或折线形。
优选的，所述高阻尼材料为Mg粉。
异质金属仿生骨架吸能降噪结构的增材制造方法，包括如下步骤：
S1.用三维软件建立仿生鱼骨架模型，并设定外层上骨架、外层下骨架和中间层骨架参数，其中参数包括隔板数量、第一隔墙厚度t、第一隔墙高度h、第一隔墙间隔L、第一隔墙形状、第二隔墙高度H、第二隔墙形状、第二隔墙间隔和第二隔墙厚度；
S2.将建好的仿生鱼骨架模型导入到Magics中进行处理，
①设置外层上骨架和外层下骨架加工材料为NiTi-Nb高阻尼形状记忆合金，加工参数为：激光功率180-220w，扫描速度600-1000mm/s，激光扫描间距120μm，层厚30μm；
②设置中间层骨架加工材料为NiTi合金，加工参数为：激光功率75-105w，扫描速度300-600mm/s，激光扫描间距80-120μm，层厚30μm；
③选用旋转式扫描策略，旋转角度为57°或67°，条带宽度3-5mm；将处理好的模型导入到加工设备中备用；
S3.NiTi-Nb粉末选用Ni50.0Ti粉末和非球形纯Nb粉末进行混粉，重量比为4:1，混合时间1小时；所述NiTi粉末Ni原子百分比为50.8%，其余为Ti原子；粒径均为15-53μm；
S4.选用多材料选区激光熔化设备打印，其中：
①将NiTi-Nb粉末置于粉末仓中，将NiTi粉末置于粉末漏斗中；
②调控成形舱室氧含量＜50ppm；
③对基板进行预热处理，预热温度100-150℃；准备工作完成后，开始打印；
S5.将加工好的产品进行后处理：
①将打印好的仿生骨架连同基板一同热处理，消除内应力；
②喷砂，去除结构件表面的附着颗粒、表面熔渣及氧化物；
③利用线切割工艺将仿生骨架从基板上取下备用；
S6.将处理好的仿生骨架和Mg块一同置于石墨电阻炉中进行无压渗透，炉内通保护气，温度800-1000℃，渗透完成后进行炉冷，然后取出。
更进一步而言，所述NiTi-Nb粉末选用Ni50.0Ti粉末和非球形纯Nb粉末进行混粉，重量比为4:1或10:3，混合时间1-2小时；所述NiTi粉末Ni原子百分比为50-51%，其余为Ti原子。
本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：
本发明创新性的实现了金属材料间及材料与结构间的高效耦合，在实现轻量化设计的同时，充分发挥了异质金属优异的力学性能，使得结构具有良好的阻尼抗冲击能力，此外，其立体均布多孔元素具有良好的减振降噪、电磁屏蔽优势，该仿生骨架吸能降噪结构将为海洋工程装备减振降噪设计提供可行性方案。
附图说明
图1为本发明的微观结构及整体结构示意图。
图2为本发明的加工流程图。
具体实施方式
参阅附图所示，一种异质金属仿生骨架吸能降噪结构，包括外层上骨架1、外层下骨架2和中间层骨架3，外层上骨架1和外层下骨架2分布在中间层骨架3上下两侧；
外层上骨架1和外层下骨架2为墨鱼骨砖墙式复合结构，中间层骨架3为墨鱼骨波纹结构，所述外层上骨架1、外层下骨架2和中间层骨架3占刚性总体积的40%-80%，外层上骨架1包括多个第一隔墙与多个隔板，隔板上均匀分布有多个第一隔墙，第n层隔板与第n+1层隔板通过第一隔墙上下连接，n≥1，第n层隔板上的第一隔墙与第n+1层隔板上的第一隔墙位置交错分布，第n层隔板上的第一隔墙与第n+2层隔板上的第一隔墙位置分布相同，第一隔墙高度h与第一隔墙间隔L之比为常数c1，h= c1L，第一隔墙厚度t与第一隔墙间隔L之比为常数c2，t= c2L，第一隔墙厚度t=隔板厚度m，所述第一隔墙总层数k为偶数，k≥4；
所述外层下骨架2与外层上骨架1结构相同，外层下骨架2与外层上骨架1相对于中间层骨架3对称分布；
所述中间层骨架3为1层，中间层骨架3包含第二隔墙，第二隔墙均匀分布在外层上骨架1最下端隔板与外层下骨架2最上端隔板之间；第二隔墙高度H满足关系式：kh＜H＜2kh；
所述外层上骨架1、外层下骨架2和中间层骨架3由选区激光熔化技术（SLM）一体化成形，外层上骨架1、外层下骨架2和中间层骨架3材料可为NiTi形状记忆合金、NiTi-Nb高阻尼形状记忆合金、CuAlMn形状记忆合金等高阻尼形状记忆合金中的一种或多种；相邻两个第一隔墙之间填充有高阻尼材料,外层上骨架1和外层下骨架2与中间层骨架3为不同材料的高阻尼形状记忆合金。
更进一步而言，所述中间层骨架3第二隔墙厚度为外层上骨架1第一隔墙厚度t的2倍-4倍，所述中间层骨架3相邻两个第二隔墙之间的间隔为外层上骨架1相邻两个第一隔墙间隔的1/2-1/3。
更进一步而言，所述外层上骨架1与外层下骨架2可为梯度骨架，第一隔墙厚度t和隔板厚度m随层数增加而递增，tn＜tn+1，mn＜mn+1，该情况下，第一隔墙高度h以第1层为设计值，不发生梯度变化，其中，第1层为最外层，第n+1层靠近中间层骨架3。
更进一步而言，所述的第一隔墙与第二隔墙形状为直线形、波浪形或折线形。
更进一步而言，所述高阻尼材料为Mg粉。
实施例1
一种异质金属仿生骨架吸能降噪结构的增材制造方法，包括如下步骤：
S1.用Solidworks建立仿生鱼骨架模型，整体尺寸为32mm×31mm×17mm，外层上骨架1或者外层下骨架2的隔板数量均为4层，第一隔墙厚度t=隔板厚度m=0.5mm，第一隔墙高度h=1.5mm，第一隔墙间隔L为4.5mm,第一隔墙形状为直线形；中间层骨架3的第二隔墙高度H=8mm，第二隔墙为直线形，第二隔墙间隔为2mm，第二隔墙厚度为1mm；
S2.将建好的仿生鱼骨架模型导入到Magics中进行处理，
①设置外层上骨架1和外层下骨架2加工材料为NiTi-Nb高阻尼形状记忆合金，加工参数为：激光功率200w，扫描速度600mm/s，激光扫描间距120μm，层厚30μm；
②设置中间层骨架3加工材料为NiTi合金，加工参数为：激光功率105w，扫描速度600mm/s，激光扫描间距80μm，层厚30μm；
③选用旋转式扫描策略，旋转角度为67°，条带宽度5mm；将处理好的模型导入到加工设备中备用；
S3.NiTi-Nb粉末选用Ni50.0Ti粉末和非球形纯Nb粉末进行混粉，重量比为4:1，混合时间1小时；所述NiTi粉末Ni原子百分比为50.8%，其余为Ti原子；粒径均为15-53μm；
S4.选用多材料选区激光熔化（SLM）设备打印，其中：
①将NiTi-Nb粉末置于粉末仓中，将NiTi粉末置于粉末漏斗中；
②调控成形舱室氧含量＜50ppm；
③对基板进行预热处理，预热温度150℃；上述准备工作完成后，开始打印；
S5.将加工好的产品进行后处理，
①将仿生骨架连同基板一同热处理，消除内应力；
②喷砂，去除结构件表面的附着颗粒、表面熔渣、氧化物等；
③利用线切割工艺将仿生骨架从基板上取下备用；
S6.将处理好的仿生骨架和Mg块一同置于石墨电阻炉中进行无压渗透，炉内通保护气，温度800℃，渗透完成后进行炉冷，然后取出，制备完成。
实施例2
S1.选用Solidworks建立仿生鱼骨架模型，整体尺寸为32mm×31mm×17mm，外层上骨架1或者外层下骨架2的隔板数量均为4层，第1层第一隔墙厚度t=隔板厚度m=0.5mm，第2层第一隔墙厚度t=隔板厚度m=0.8mm，第3层第一隔墙厚度t=隔板厚度m=1.2mm，第一隔墙高度h=1.5mm，第一隔墙间隔L为4.5mm，第一隔墙形状为直线形；中间层骨架3的第二隔墙高度H=8mm，第二隔墙采用波纹形，振幅0.4mm，周期2mm，第二隔墙间隔为2mm，第二隔墙厚度为1.2mm；
S2.将建好的仿生鱼骨架模型导入到Magics中进行处理，
①设置外层上骨架1及外层下骨架2加工材料为NiTi-Nb高阻尼形状记忆合金，加工参数为：激光功率200w，扫描速度600mm/s，激光扫描间距120μm，层厚30μm；
②设置中间层骨架3加工材料为NiTi合金，加工参数为：激光功率105w，扫描速度600mm/s，激光扫描间距80μm，层厚30μm；
③选用旋转式扫描策略，旋转角度为57°，条带宽度5mm；将处理好的模型导入到加工设备中备用；
S3.NiTi-Nb粉末选用Ni50.0Ti粉末和非球形纯Nb粉末进行混粉，重量比为4:1，混合时间1小时；所述NiTi粉末Ni原子百分比为50.8%，其余为Ti原子；粒径均为15-53μm；
S4.选用多材料选区激光熔化（SLM）设备成型仿生鱼骨架，其中，
①将NiTi-Nb粉末置于粉末仓中，将NiTi粉末置于粉末漏斗中；
②调控成形舱室氧含量＜50ppm；
③对基板进行预热处理，预热温度150℃；上述准备工作完成后，开始打印；
S5.将加工好的产品进行后处理，
①将仿生鱼骨架连同基板一同热处理，消除内应力；
②喷砂，去除结构件表面的附着颗粒、表面熔渣、氧化物等；
③利用线切割工艺将仿生鱼骨架从基板上取下备用；
S6.将处理好的仿生鱼骨架和Mg块一同置于石墨电阻炉中进行无压渗透，炉内通保护气，温度800℃，渗透完成后进行炉冷，然后取出，制备完成。

Claims (4)

1.一种异质金属仿生骨架吸能降噪结构的增材制造方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1.用三维软件建立仿生鱼骨架模型，并设定外层上骨架（1）、外层下骨架（2）和中间层骨架（3）参数，其中参数包括隔板数量、第一隔墙厚度t、第一隔墙高度h、第一隔墙间隔L、第一隔墙形状、第二隔墙高度H、第二隔墙形状、第二隔墙间隔、第二隔墙厚度、第一隔墙总层数k和隔板厚度m；
外层上骨架（1）和外层下骨架（2）分布在中间层骨架（3）上下两侧；
外层上骨架（1）和外层下骨架（2）为墨鱼骨砖墙式复合结构，中间层骨架（3）为墨鱼骨波纹结构，所述外层上骨架（1）、外层下骨架（2）和中间层骨架（3）占刚性总体积的40%-80%，外层上骨架（1）包括多个第一隔墙与多个隔板，隔板上均匀分布有多个第一隔墙，第n层隔板与第n+1层隔板通过第一隔墙上下连接，n≥1，第n层隔板上的第一隔墙与第n+1层隔板上的第一隔墙位置交错分布，第n层隔板上的第一隔墙与第n+2层隔板上的第一隔墙位置分布相同，第一隔墙厚度t=隔板厚度m，所述第一隔墙总层数k为偶数，k≥4；
所述外层下骨架（2）与外层上骨架（1）结构相同，外层下骨架（2）与外层上骨架（1）相对于中间层骨架（3）对称分布；
所述中间层骨架（3）为1层，中间层骨架（3）包含第二隔墙，第二隔墙均匀分布在外层上骨架（1）最下端隔板与外层下骨架（2）最上端隔板之间；第二隔墙高度H满足关系式：kh＜H＜2kh；其中h为第一隔墙高度；
所述的第一隔墙与第二隔墙形状为直线形、波浪形或折线形；
所述外层上骨架（1）、外层下骨架（2）和中间层骨架（3）由选区激光熔化技术一体化成形；
S2.将建好的仿生鱼骨架模型导入到Magics中进行处理，
①设置外层上骨架（1）和外层下骨架（2）加工材料为NiTi-Nb高阻尼形状记忆合金，加工参数为：激光功率180-220w，扫描速度600-1000mm/s，激光扫描间距80-120μm，层厚30μm；
②设置中间层骨架（3）加工材料为NiTi合金，加工参数为：激光功率75-105w，扫描速度300-600mm/s，激光扫描间距80-120μm，层厚30μm；
③选用旋转式扫描策略，旋转角度为57°或67°，条带宽度3-5mm；将处理好的模型导入到加工设备中备用；
S3.NiTi-Nb粉末选用Ni50.0Ti粉末和非球形纯Nb粉末进行混粉，重量比为4:1或10:3，混合时间1-2小时；所述NiTi粉末Ni原子百分比为50-51%，其余为Ti原子；粒径均为15-53μm；
S4.选用多材料选区激光熔化设备打印，其中：
①将NiTi-Nb粉末置于粉末仓中，将NiTi粉末置于粉末漏斗中；
②调控成形舱室氧含量＜50ppm；
③对基板进行预热处理，预热温度100-150℃；准备工作完成后，开始打印；
S5.将加工好的产品进行后处理：
①将打印好的仿生骨架连同基板一同热处理，消除内应力；
②喷砂，去除结构件表面的附着颗粒、表面熔渣及氧化物；
③利用线切割工艺将仿生骨架从基板上取下备用；
S6.将处理好的仿生骨架和Mg块一同置于石墨电阻炉中进行无压渗透，炉内通保护气，温度800-1000℃，渗透完成后进行炉冷，然后取出。
2.根据权利要求1所述的一种异质金属仿生骨架吸能降噪结构的增材制造方法，其特征在于：所述中间层骨架（3）第二隔墙厚度为外层上骨架（1）第一隔墙厚度t的2倍-4倍，所述中间层骨架（3）相邻两个第二隔墙之间的间隔为外层上骨架（1）相邻两个第一隔墙间隔L的1/2-1/3。
3.根据权利要求1所述的一种异质金属仿生骨架吸能降噪结构的增材制造方法，其特征在于：所述外层上骨架（1）与外层下骨架（2）为均布骨架，所述的第一隔墙高度h与第一隔墙间隔L之比为常数c1，h= c1L，第一隔墙厚度t与第一隔墙间隔L之比为常数c2，t= c2L。
4.根据权利要求1所述的一种异质金属仿生骨架吸能降噪结构的增材制造方法，其特征在于：所述外层上骨架（1）与外层下骨架（2）为梯度骨架，第一隔墙厚度t和隔板厚度m随层数增加而递增，tn＜tn+1，mn＜mn+1，第一隔墙高度h以第1层为设计值，不发生梯度变化，其中，第1层为最外层，第n+1层靠近中间层骨架（3）。
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