CN213013091U - 一种基于低温超音速喷涂制造的结构件 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于低温超音速喷涂制造的结构件。所述结构件包括部件和板材，其中所述结构件中包括部件和板材，其中所述部件是低温超音速喷涂部件结合在所述板材上。该结构件具有高强度、良好的耐磨性和疲劳耐力。

Description

一种基于低温超音速喷涂制造的结构件

技术领域

本实用新型涉及高强度结构件领域，具体涉及一种基于低温超音速喷涂制造的结构件。

背景技术

由于高强度及重量轻的特性，高强度结构件经常用于制作飞机结构，以减轻机身重量并减少燃油消耗。不过，目前高强度结构件的生产成本高，生产所需时间长，以致高强度结构件的使用未能普及。目前，高强度结构件主要通过三种方法制造：减材加工、焊接、以及增材制造。

减材加工方面，主要通过铣削加工，在厚金属板材上铣削出补强结构的形状，形成具有补强结构的高强度结构件。通过减材加工制作高强度结构件，需要铣削出大量材料，造成材料浪费，而且铣削所需时间长，同时令其生产成本居高不下。通过焊接工艺制作的高强度结构件，其补强结构和板材是通过焊接接头连接。由于焊接补强结构和板材所需时间非常长，成本高昂，而且难以制造形状复杂的高强度结构件；另外焊接产生的高温会产生热应力及孔隙，有可能令高强度结构件变形及氧化，甚至断裂。增材制造方面，目前通过直接能量沉积的技术，于薄金属板材上生成补强结构。直接能量沉积技术的工作温度高，不能应用于对热力敏感的合金金属；所需设备复杂昂贵，以致生产成本较高；而且材料成型效率低，会造成不必要的浪费；金属材料需要熔化成型，亦会产生热应力及孔隙，有可能令补强结构和板材变形及氧化，甚至断裂。

相对于直接能量沉积等其他金属增材制造技术，低温超音速喷涂技术属于低温工序，其工作温度低于喷涂材料的熔点。低温超音速喷涂技术较适用于制造体积较大的部件，因为此技术成型效率高，工作温度低，而且喷涂时不会出现相变，令部件孔隙率大幅降低，减少材料氧化，消除部件中结晶化不均匀的问题。不过，使用此技术时，材料颗粒于喷嘴出口的分布及速度并不平均，导致颗粒于基材上的分布近似于高斯分布。当拉瓦尔喷嘴扫描速度较低或重复扫描次数较多时，涂层会形成三角形的轮廓，以致后续的材料颗粒难以沉积，导致堆栈效率急剧下降。所以，尽管低温超音速喷涂技术能够迅速形成三维体积，但其三角形的单轨轮廓对于生成高强度结构件上补强结构，存在明显的局限性，而且三角形的单轨轮廓使其不能像其他增材制造技术一样，通过逐层堆栈的方式形成补强结构，以致此技术暂时未能有效地应用于制造高强度结构件上的补强结构。

实用新型内容

为了解决上述问题，本实用新型旨在提供一种基于低温超音速喷涂制造的结构件，该结构件具有高强度、良好耐磨性和疲劳耐力。

为达上述目的，本实用新型提供了一种基于低温超音速喷涂制造的结构件，所述结构件具有很高的强度，所述结构件包括部件和板材，其中所述部件结合在所述板材上。

根据本实用新型的一些具体实施方案，所述部件是低温超音速喷涂部件，其是通过低温超音速喷涂技术在所述板材上形成的结构，所述板材为成型板材，所述结构为补强结构。

根据本实用新型的一些具体实施方案，所述部件的排列方式包括如下几何形状：方形、三角形和六角形。

根据本实用新型的一些具体实施方案，所述板材的材料选自金属和碳纤夹层中的一种或两种的组合。

根据本实用新型的一些具体实施方案，所述部件的材料选自金属和陶瓷中的一种或两种的组合。

上述基于低温超音速喷涂制造的结构件可以是按照低温超音速喷涂的方法制备的。具体包括：首先，利用分层切片计算机软件，对结构件的计算机辅助设计文件进行切片以形成一系列截面，通过软件根据补强结构的轮廓特征，生成低温超音速喷涂的控制指令，规划部件增材制造的路径规划；然后，使用低温超音速喷涂技术，利用“边缘补偿喷涂工艺”，于金属板材上逐层喷涂材料颗粒，将各层截面堆栈，逐层构成补强结构。

本实用新型进一步对所述“边缘补偿喷涂工艺”进行如下说明：

为了应用低温超音速喷涂技术于制造高质量高强度结构件上的补强结构，需要避免材料颗粒沉积成三角形的轨道轮廓，因为三角形的轨道轮廓会导致部件存在高孔隙率及低强度的问题。许多研究指出，使用低温超音速喷涂技术时，如轴对称的拉瓦尔喷嘴扫描速度较高或重复扫描次数较少时，涂层轮廓大概呈现对称的正态高斯分布曲线。请参照图1，在正态高斯分布曲线中，μ是高峰峰顶的中心位置，亦是分布曲线的平均值，σ是分布曲线的标准偏差。当涂层轮廓近似正态高斯分布曲线时，距离峰顶左右一个标准偏差的区域中，沉积着占整体68％的颗粒，即表示距离峰顶一个标准偏差以外的区域只沉积着占整体32％的颗粒。由此可见，沉积的材料颗粒过度集中于中心区域。如果要利用逐层堆栈的方式生产补强结构，必须于补强结构中心区域两边的边缘区域进行补偿性喷涂，从而制造直立厚壁作每层堆栈。在“边缘补偿喷涂工艺”中，拉瓦尔喷嘴的喷涂入射角度可以改变轨道轮廓对称性，使被喷涂的涂层重心向颗粒入射的方向移动。因此，通过倾斜喷嘴，可以使每层涂层的沉积颗粒分布均匀。

与现有厂商使用的“三角喷涂工艺”不同的是，这种喷涂工艺在倾斜喷嘴之前，不会产生类似三角形的单轨轮廓。在“边缘补偿喷涂工艺”中，倾斜喷涂是为了补偿涂层轮廓中间和边缘的厚度差。请参照图2，于“边缘补偿喷涂工艺”中，有三个控制沉积轮廓的主要参数：θ为喷涂入射角度，以便在边缘补充颗粒沉积物；s为喷嘴行径偏移，可以调整涂层的轨迹宽度；d为喷嘴每层后退距离，可以保证在喷洒过程中，涂层顶端与喷嘴出口之间的喷涂距离一致。除了上述三个工艺参数，此工艺亦要配合适合的喷嘴扫瞄速度，以免出现三角形的涂层轮廓，而该扫瞄速度需要根据喷涂材料的物料而定。另外，于每层喷涂时，此工艺需要配合以下的喷涂路径轨迹：请参照图2，每一层都是由中间的第一道涂层轨迹，左边的第二道涂层轨迹，以及右边的第三道涂层轨迹组成。在喷涂左右两边涂层轨迹之前，先控制中间第一道涂层轨迹，避免中间出现类似三角形的轨迹轮廓。喷涂左右两边涂层轨迹后，在喷涂下一层涂层之前，当前涂层会形成一个平面，其颗粒沉积有效区域达到最大。

因此，在“边缘补偿喷涂工艺”中，下一层涂层可于上一层涂层上有效地沉积，并不会有因入射角度过少而造成的边缘变薄的问题，继而使低温超音速喷涂技术能够以逐层堆栈的方式生产补强结构，而且过程中不会出现对补强结构质量有损害的三角形涂层轮廓，使材料颗粒能够近乎垂直沉积于上一道涂层上，增加材料颗粒的堆栈效率，减少于涂层表面上产生的拉力，从而增加材料颗粒与涂层之间的结合强度，减少涂层孔隙率，改善补强结构的强度。

本实用新型的有益效果：

本实用新型使用低温超音速喷涂工艺，通过逐层堆栈的增材制造方法制成补强结构，所以本实用新型适用制造于形状复杂的高强度结构件，加上低温超音速喷涂工艺的低温特性，令补强结构能够由对热力敏感的合金金属制成，进一步提升高强度结构件的设计自由度，令高强度结构件可以应用于更多情况；低温超音速喷涂工艺的堆栈效率高，令生产时不必要的材料损耗减少，从而降低生产成本，并减少生产所需时间，令高强度结构件能够大规模批量生产；低温超音速喷涂工艺不需要使用昂贵的激光设备及惰性气体，使制造高强度结构件的所需投资成本降低；低温超音速喷涂工艺的工作温度低，而且配合“边缘补偿喷涂工艺”的应用，令高强度结构件生产过程中没有相变、孔隙、低结合强度、氧化、热应力、结晶化不均匀及变形等问题，加上生产过程中补强结构受到加工硬化及拥有高密度，使高强度结构件的质量提高，补强结构具有良好耐磨性和疲劳耐力。

附图说明

图1为正态高斯分布曲线的示意图。

图2为本实用新型中通过“边缘补偿喷涂工艺”喷涂生成补强结构的示意图。

图3为本实用新型高强度结构件的制作方法的工艺流程图。

图4为本实用新型中喷涂生成补强结构后高强度结构件结构的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本实用新型并能予以实施，但所举实施例不作为对本实用新型的限定。

请参照图3，本实用新型提供一种基于低温超音速喷涂工艺制造高强度结构件的方法，包括：步骤S101，利用分层切片计算机软件，对高强度结构件的计算机辅助设计文件进行切片以形成一系列补强结构的截面，通过软件根据补强结构的轮廓特征，生成低温超音速喷涂的控制指令，规划补强结构增材制造的路径；步骤S102，使用低温超音速喷涂技术，利用“边缘补偿喷涂工艺”，于金属板材上逐层喷涂材料颗粒，将各层截面堆栈，逐层构成补强结构。

实施例1

本实用新型的基于低温超音速喷涂制造的结构件包括部件和板材，其中所述部件结合在所述板材上。

其中，所述部件是低温超音速喷涂部件，其是通过低温超音速喷涂技术在所述板材上形成的结构，所述板材为成型板材，所述结构为补强结构。

所述部件的排列方式包括如下几何形状：方形、三角形和六角形。

所述板材的材料选自金属和碳纤夹层中的一种或两种的组合。

所述部件的材料选自金属和陶瓷中的一种或两种的组合。

上述基于低温超音速喷涂制造的结构件是通过如下方法制备的：

步骤一：通过软件规划喷涂路径的过程：

首先，通过使用分层切片计算机软件，对高强度结构件的计算机辅助设计文件进行切片以形成一系列截面，通过软件根据补强结构的轮廓特征，生成低温超音速喷涂的控制指令，规划补强结构增材制造的路径。在本实施例中，高强度结构件的计算机辅助设计文件为STL档案。通过使用计算机软件，将补强结构进行虚拟分层切片，从而准确规划低温超音速喷涂的喷涂路径，令补强结构可以在金属板材上通过将各层涂层堆栈的方式，构成所需要的形状，而过程中每层涂层都不会出现厚度差。

步骤二：通过“边缘补偿喷涂工艺”制造补强结构的过程：

经过步骤一后，可以开始在板材上制造补强结构的工序，所述板材的材料包括金属及金属-碳纤夹层等复合材料。在本实施例中，板材材料为铝合金，其成分包括铝、镁、硅及铜。喷涂部件材料前，在低温超音速喷涂枪的粉末储存罐填充制造补强结构的材料颗粒，所述补强结构的材料包括金属及金属-陶瓷复合材料。在本实施例中制造补强结构的材料为铝合金，其成分包括铝、镁、硅及铜。然后，使用低温超音速喷涂技术，利用“边缘补偿喷涂工艺”，于金属板材上逐层喷涂材料颗粒，将各层截面堆栈，逐层构成补强结构。在“边缘补偿喷涂工艺”中，拉瓦尔喷嘴的喷涂入射角度可以改变轨道轮廓对称性，使被喷涂的涂层重心向颗粒入射的方向移动。因此，通过倾斜喷嘴，补偿涂层轮廓中间和边缘的厚度差，可以使每层涂层的沉积颗粒分布均匀，下一层涂层可于上一层涂层上有效地沉积，并不会有因入射角度过少而造成的边缘变薄的问题，继而使低温超音速喷涂技术能够以逐层堆栈的方式生产补强结构。在“边缘补偿喷涂工艺”中，除了控制喷涂入射角度，亦需要留意喷嘴行径偏移、喷嘴每层后退距离、喷嘴扫瞄速度以及路径轨迹，才能喷涂出厚度平均的涂层作逐层堆栈。

在本实施例中，喷涂补强结构材料颗粒的工作气体为已除湿的加压空气，其工作温度为450℃至500℃，气压为31至35巴。在本实施例中，于每层喷涂时，其路径轨迹如下：首先以90度的喷涂入射角度，即拉瓦尔喷嘴垂直于板材表面，在板材表面根据软件预定轨迹进行单轨喷涂，当中喷嘴扫瞄速度为每秒10至200毫米，送粉量为每分钟12至25克，喷嘴与模具表面距离为10至40毫米；然后，通过倾斜喷嘴对单轨涂层的左边进行喷涂，之后再对单轨涂层的右边进行喷涂，以补偿中心间涂层边缘的厚度差，当中喷涂入射角度固定为30度，喷嘴行径偏移固定为2毫米，喷嘴扫瞄速度为每秒10至200毫米，送粉量为每分钟12至25克，喷嘴与涂层边缘表面距离固定为20毫米；之后，完成上述单层喷涂后，将喷嘴向后移动，继续下一层涂层的喷涂，直到整体喷嘴后退距离达到50毫米为止，当中喷嘴每层后退距离固定为 0.1毫米。在本实施例中，于涂层边缘进行补偿喷涂时，喷嘴行径偏移固定为2毫米，而喷嘴每层后退距离固定为0.1毫米，这是因为喷涂单道涂层后，经量度发现其高斯分布曲线轮廓的两个标准偏差2σ为2毫米，而中心高峰高度为0.1毫米。在喷涂左右两边涂层轨迹之前，需要小心控制中间第一道涂层轨迹，避免中间出现类似三角形的轨迹轮廓。请参照图4，喷涂左右两边涂层轨迹后，在喷涂下一层涂层之前，当前涂层会形成一个平面，其颗粒沉积有效区域达到最大，令下一层涂层可于上一层涂层上有效地沉积，并不会有因入射角度过少而造成的边缘变薄的问题，继而使材料颗粒能够以逐层堆栈的方式构成呈垂直厚壁形状的补强结构。

以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于低温超音速喷涂制造的结构件，其特征在于，所述结构件中包括部件和板材，其中所述部件是低温超音速喷涂部件结合在所述板材上。

2.根据权利要求1所述的结构件，其特征在于，所述部件的排列方式包括方形、三角形或六角形。

3.根据权利要求1所述的结构件，其特征在于，所述板材的材料选自金属、碳纤夹层中的一种。

4.根据权利要求1所述的结构件，其特征在于，所述部件的材料选自金属和陶瓷中的一种。

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