WO2021008603A1 - 一种仿生多功能热防护结构及其成形方法 - Google Patents

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顾冬冬
胡凯明
袁鲁豪
杨建凯
王皓冉
戴冬华
席丽霞
全景峰
方亚美
董伟菘
吴立斌
李鹏宇
高捷
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Abstract

本发明公开一种基于SLM成形的仿生多功能热防护结构，采用SLM技术实现结构的成形，由面板层和功能层组成，其中功能层由管状结构以及内部微结构组成，相邻层的管之间保证一定尺寸的交联，确保结构获得牢固的连接。本发明是根据仿生学原理，并基于马尾草微结构特征设计成一种新型的仿生多功能热防护结构，当结构与气流发生相互作用时，受到热载荷和冲击载荷的双重作用，在功能层的作用下热量的传递方式发生改变，相比于无微结构的结构而言，隔防热性能明显提高，此外功能层可以有效的缓解结构中的应力集中，缓冲冲击过程中的部分能量，从而提高结构的抗冲击性能。

Description

一种仿生多功能热防护结构及其成形方法
本申请要求于2019年7月18日提交中国专利局、申请号为201910649826.3、发明名称为“一种仿生多功能热防护结构及其成形方法”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。
技术领域
本发明涉及仿生结构工程技术领域，具体涉及一种仿马尾草茎干的多功能热防护结构。
背景技术
近年来，随着航空航天领域的快速发展，高超飞行器和可重复使用的运载火箭已然成为航空航天领域的重要组成部分，然而飞行器在高速巡航和返回阶段不得不承受严重的气动加热，因此在飞行器外层需要穿上热防护结构外衣，热防护系统是使飞行器在较高的气动加热环境下免遭过热的结构。热防护结构可以有效地提高飞行器的安全性和稳定性，热防护结构不但可以保护飞行器内部构件免受高温的破坏，而且还可以提供足够的承载能力，其与飞行器的承力结构和推进设备具有同等重要的作用。在各种材料的热防护结构中，金属热防护结构不但可以起到隔防热的作用，而且还可以作为承力构件，与传统的航天飞机陶瓷热防护系统相比，可实现减重15％～20％，此外相比于普通的热防护结构的胶粘连接而言，金属热防护结构可以实现与飞行器内部构件形成机械连接，连接更加牢固稳定。
经过数亿年的发展，自然界的生物结构逐渐表现出优越的性能，并且为技术的发展和创新提供了源源不断的原型，研究表明马尾草内部与外部的温度差异很大，其内部微结构特征可以有效的阻隔热量的传输，在某种程度上起到有效地隔防热效果，同时在大风的冲击下，也不会被折断，具有抗风冲击、抗弯能力强的特点，通过对马尾草内部微结构特征进一步的观察发现，不同的马尾草具有不同的内部微结构，进而决定了其性能，进而适应不同的环境下的外部载荷。基于马尾草优异的隔热和抗冲击性能，为热防护结构提供了天然的生物蓝本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种仿生多功能热防护结构，解决航空航天领 域极端环境下的热防护问题；本发明的另一目的在于提供一种上述热防护结构的成形加工方法。
技术方案：本发明所述仿生多功能热防护结构，由上、下两面板层和位于两面板层之间的功能层组成；
面板层为结构板，用于与飞行器的连接；
功能层包括若干中空管状的大结构管，各大结构管层叠并联结形成蜂窝结构。
本发明进一步优选地技术方案为，在各大结构管内均设置同轴有一中空管状的小结构管，所述小结构管通过多个结构壁与对应的大结构管联结。
优选地，所述大结构管管壁厚0.5mm，相邻两大结构管之间具有0.3mm的偏移量；所述小结构管管壁厚0.2mm，所述结构壁的厚度为0.2mm。
优选地，所述大结构管内径为4mm，小结构管的内径为1mm，所述小结构管的外径为1.4mm。
优选地，所述大结构管内径为4mm，小结构管的内径为1.5mm，所述小结构管的外径为1.9mm。
优选地，所述大结构管内径为4mm，小结构管的内径为2mm，所述小结构管的外径为2.4mm。
优选地，所述面板层和功能层均采用Ti6Al4V球形粉末成形，球形粉末的平均粒径范围为17～68μm。
本发明的仿生多功能热防护结构的成形方法，包括如下步骤：
1)模型设计及处理：构建结构的三维实体几何模型，并通过3D打印模型处理软件对结构进行分层切片处理，切片层厚为20～100μm；
2)SLM加工准备：在选区激光熔化设备中放置成形Ti6Al4V基板，并在粉料缸中导入高质量Ti6Al4V球形粉末，关闭腔体，向腔体中通入保护气体，同时开启除气系统，直到腔体中的氧含量降为0；
3)建立加工任务：设定铺粉厚度与步骤1)的切片层厚一致，设定激光成形的最优参数，加工之前对基板进行预热，预热温度为200℃；
4)选区激光熔化成形：准备工作完毕之后，开始成形加工，加工过程中采用的激光扫描策略为分区岛状扫描策略，系统将二维平面划分成多个 岛状的小区域，当激光扫描完成一个小区域时，对成形边界进行勾边，一个区域成形完成后开始成形下一个岛状区域，直到整个二维平面成形完毕；成形缸向下移动至模型的下一分层，同时粉料缸向上移动同等距离，刮刀将粉末从粉料缸铺到成形缸，开始成形下一层，直至整个实体构件被加工完毕为止，获得钛合金仿生多功能热防护结构。
进一步地，步骤3)中激光成形的最优参数是通过工艺优化实验获得，激光能量为200～300W，扫描速度为600～1000mm/s，光斑直径为50～90μm，扫描间距为110～150μm。
优选地，步骤4)中扫描策略为初始激光扫描角度为53°，层与层之间的旋转增量为37°。
选区激光熔化技术是一种可以根据CAD数据直接制作复杂的三维金属零件的增材制造(AM)工艺，其原理是通过软件分层离散以及数控成形系统，将复杂的三维模型进行切片处理，导入到加工系统中，以金属粉末为材料，通过激光与粉床的相互作用，使得金属粉末发生熔化然后凝固成实体片层，依此类推逐层堆积，最终形成一个完整的实体构件。由于激光增材制造技术可以实现复杂结构的一次成形，所以激光增材制造技术与仿生领域相结合，采用选区激光熔化技术成形仿生构件，既能充分发挥SLM技术的优势，同时也能确保复杂结构的成形质量，降低制造成本。
在本发明中，上面板层作为直接接触外部环境的部分，一方面对内部微结构功能层起到直接的保护作用，还可以与飞行器的其他构件形成机械连接，中间的功能层可以有效地抵御外部的冲击载荷同时起到隔防热的作用，当受到外部载荷的冲击时，功能层有效地实现了应力的分散，抑制了裂纹的进一步扩展，避免结构发生连续的断裂。此外这样的微结构有效的改变了热量传输的路径及方式，有效的削减了热量传输的动力，有效的提高了结构的热阻，因此结构具有优良的隔防热性能。
有益效果：本发明以仿生学为出发点，受马尾草内部微结构特征启发，开发出一种基于SLM成形的仿生多功能热防护结构，采用先进的选区激光熔化技术实现复杂构件的一次成形，经试验验证结构不但具有良好的热防护性能，而且还具有良好的能量吸收行为，此外这样的结构设计还实现了结构的轻量化，降低了制造和使用成本。
本发明基于SLM成形的仿生多功能热防护结构，采用SLM技术实现结构的成形，该热防护结构呈现三明治结构特征，主要由面板层和功能层组成，其中功能层管状结构以及内部微结构组成，相邻层的管之间保证一定尺寸的交联，确保结构获得牢固的连接。本发明是根据仿生学原理，并基于马尾草微结构特征设计成一种新型的仿生多功能热防护结构，当结构与气流发生相互作用时，受到热载荷和冲击载荷的双重作用，在功能层的作用下热量的传递方式发生改变，相比于无微结构的结构而言，隔防热性能明显提高，此外功能层可以有效的缓解结构中的应力集中，缓冲冲击过程中的部分能量，从而提高结构的抗冲击性能。
说明书附图
图1为本发明实施例1的结构剖面示意图；
图2为本发明实施例2的结构剖面示意图；
图3为本发明实施例3的结构剖面示意图；
图4为本发明实施例4的结构剖面示意图；
其中，1为上面板层，2为下面板层，3为功能层，4为大结构管，5为小结构管，6为结构壁；
图5为本发明实施例1～4的隔防热性能测试结果；
图6为本发明实施例1～4的压缩性能测试结果。
具体实施方式
下面通过附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
实施例1：一种仿生多功能热防护结构，如图1所示，结构的三维尺寸为20mm×20mm×17.3mm。由上、下两面板层和位于两面板层之间的功能层组成；
面板层为结构板，上下面板为致密的整体结构，能够有效的保护中间的功能层，同时还能起到防水的作用，除此之外还可以实现与飞行器其他构件形成机械连接，提高热防护结构的稳定性。
功能层包括四层中空管状的大结构管，各大结构管层叠并联结形成蜂窝结构。
大结构管内径为4mm，大结构管管壁厚0.5mm，相邻两大结构管之 间具有0.3mm的偏移量。
面板层和功能层均采用Ti6Al4V球形粉末成形，球形粉末的平均粒径范围为17～68μm。
本实施例的仿生多功能热防护结构的成形方法，包括如下步骤：
1)模型设计及处理：采用NX 10.0软件构建结构的三维实体几何模型，并通过3D打印模型处理软件Materialise Magics 21.0对结构进行分层切片处理，切片层厚为50μm；
2)SLM加工准备：在选区激光熔化设备中放成形Ti6Al4V基板，并在粉料缸中导入高质量Ti6Al4V球形粉末，关闭腔体，向腔体中通入保护气体，同时开启除气系统，直到腔体中的氧含量降为0；
3)建立加工任务：设定铺粉厚度与步骤1)的切片层厚一致，设定激光成形的最优参数，加工之前对基板进行预热，预热温度为200℃，激光成形的最优参数是通过工艺优化实验获得，激光能量为200～300W，扫描速度为600～1000mm/s，光斑直径为50～90μm，扫描间距为110～150μm；
4)选区激光熔化成形：准备工作完毕之后，开始成形加工，加工过程中采用的激光扫描策略为分区岛状扫描策略，扫描策略为初始激光扫描角度为53°，层与层之间的旋转增量为37°；系统将二维平面划分成多个岛状的小区域，当激光扫描完成一个小区域时，对成形边界进行勾边，一个区域成形完成后开始成形下一个岛状区域，直到整个二维平面成形完毕；成形缸向下移动至模型的下一分层，同时粉料缸向上移动同等距离，刮刀将粉末从粉料缸铺到成形缸，开始成形下一层，直至整个实体构件被加工完毕为止，获得钛合金仿生多功能热防护结构，记为结构1。
实施例2：一种仿生多功能热防护结构，如图2所示，结构的三维尺寸为20mm×20mm×17.3mm。由上、下两面板层和位于两面板层之间的功能层组成；
面板层为结构板，上下面板为致密的整体结构，能够有效的保护中间的功能层，同时还能起到防水的作用，除此之外还可以实现与飞行器其他构件形成机械连接，提高热防护结构的稳定性。
功能层包括四层中空管状的大结构管，各大结构管层叠并联结形成蜂窝结构。在各大结构管内均设置同轴有一中空管状的小结构管，所述小结 构管通过多个结构壁与对应的大结构管联结。
大结构管内径为4mm，大结构管管壁厚0.5mm，相邻两大结构管之间具有0.3mm的偏移量。小结构管的内径为1mm，外径为1.4mm，所述小结构管管壁厚0.2mm，结构壁的厚度为0.2mm。
面板层和功能层均采用Ti6Al4V球形粉末成形，球形粉末的平均粒径范围为17～68μm。
本实施例的仿生多功能热防护结构的成形方法与实施例1相同，所得钛合金仿生多功能热防护结构记为结构2。
实施例3：一种仿生多功能热防护结构，如图3所示，结构的三维尺寸为20mm×20mm×17.3mm。由上、下两面板层和位于两面板层之间的功能层组成；
面板层为结构板，上下面板为致密的整体结构，能够有效的保护中间的功能层，同时还能起到防水的作用，除此之外还可以实现与飞行器其他构件形成机械连接，提高热防护结构的稳定性。
功能层包括四层中空管状的大结构管，各大结构管层叠并联结形成蜂窝结构。在各大结构管内均设置同轴有一中空管状的小结构管，所述小结构管通过多个结构壁与对应的大结构管联结。
大结构管内径为4mm，大结构管管壁厚0.5mm，相邻两大结构管之间具有0.3mm的偏移量。小结构管的内径为1.5mm，外径为1.9mm，所述小结构管管壁厚0.2mm，结构壁厚0.2mm。
面板层和功能层均采用Ti6Al4V球形粉末成形，球形粉末的平均粒径范围为17～68μm。
本实施例的仿生多功能热防护结构的成形方法与实施例1相同，所得钛合金仿生多功能热防护结构记为结构3。
实施例4：一种仿生多功能热防护结构，如图4所示，结构的三维尺寸为20mm×20mm×17.3mm。由上、下两面板层和位于两面板层之间的功能层组成；
面板层为结构板，上下面板为致密的整体结构，能够有效的保护中间的功能层，同时还能起到防水的作用，除此之外还可以实现与飞行器其他构件形成机械连接，提高热防护结构的稳定性。
功能层包括四层中空管状的大结构管，各大结构管层叠并联结形成蜂窝结构。在各大结构管内均设置同轴有一中空管状的小结构管，所述小结构管通过多个结构壁与对应的大结构管联结。
大结构管内径为4mm，大结构管管壁厚0.5mm，相邻两大结构管之间具有0.3mm的偏移量。小结构管的内径为2mm，外径为2.4mm，所述小结构管管壁厚0.2mm，结构壁厚0.2mm。
面板层和功能层均采用Ti6Al4V球形粉末成形，球形粉末的平均粒径范围为17～68μm。
本实施例的仿生多功能热防护结构的成形方法与实施例1相同，所得钛合金仿生多功能热防护结构记为结构4。
性能测试
(1)采用热成像仪对实施例1～4提供的钛合金仿生多功能热防护结构进行隔防热性能测试，具体的测试方法为：首先将样品嵌入隔热性能较好的绝缘层内，保证样品与绝缘层紧密贴合，避免发生热量从空隙传导，漏热等问题；在保证环境温度(23℃)，湿度，空气流动速度温定的情况下，通过恒温加热台对样品底面进行加热，加热台温度设置为150℃；利用热成像仪观察样品顶面温度情况，以20s为间隔对样品顶面的温度进行持续测量，根据测量结果绘制时间-温度变化曲线图，所得结果见图5。由图5可以看出，在相同的底面温度下，结构1的顶面稳态温度为76℃、结构2的顶面稳态温度为86℃、结构3的顶面稳态温度为89℃、结构4的顶面稳态温度为97℃。说明本发明提供的多功能热防护结构具有较好的隔热性能，其中结构1的隔热性能最佳。
(2)对实施例1～4提供的钛合金仿生多功能热防护结构进行压缩性能研究，采用万能电子试验机对样品的压缩性能进行测试分析。压缩过程中保证样品的上面板层及下面板层与压缩平台平行、保持压缩速度1mm/min不变，测得样品的载荷-位移曲线，如图6所示，根据图6得到样品的最大承载力和能量吸收数值，如表1所示。
表1实施例1～4的压缩性能检测结果
压缩性能 结构1 结构2 结构3 结构4
最大承载力(kN) 38.7 61.3 60.2 57.4
能量吸收(J) 33.5 48.7 55.6 47.1
由图6和表1可以看出，结构2和结构3具有相似的最大承载力(≈60kN)，其次是结构4、结构1。从能量吸收角度，结构3具有最高的能量吸收能力，其次为结构2、结构4、结构1。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

  1. 一种仿生多功能热防护结构，其特征在于，由上、下两面板层和位于两面板层之间的功能层组成；
    面板层为结构板，用于与飞行器的连接；
    功能层包括若干中空管状的大结构管，各大结构管层叠并联结形成蜂窝结构。
  2. 根据权利要求1所述的仿生多功能热防护结构，其特征在于，在各大结构管内均设置同轴有一中空管状的小结构管，所述小结构管通过多个结构壁与对应的大结构管联结。
  3. 根据权利要求2所述的仿生多功能热防护结构，其特征在于，所述大结构管管壁厚0.5mm，相邻两大结构管之间具有0.3mm的偏移量；所述小结构管管壁厚0.2mm，所述结构壁的厚度为0.2mm。
  4. 根据权利要求3所述的仿生多功能热防护结构，其特征在于，所述大结构管内径为4mm，小结构管的内径为1mm，所述小结构管的外径为1.4mm。
  5. 根据权利要求3所述的仿生多功能热防护结构，其特征在于，所述大结构管内径为4mm，小结构管的内径为1.5mm，所述小结构管的外径为1.9mm。
  6. 根据权利要求3所述的仿生多功能热防护结构，其特征在于，所述大结构管内径为4mm，小结构管的内径为2mm，所述小结构管的外径为2.4mm。
  7. 根据权利要求1～6任意一项所述的仿生多功能热防护结构，其特征在于，所述面板层和功能层均采用Ti6Al4V球形粉末成形，球形粉末的平均粒径范围为17～68μm。
  8. 一种权利要求1～6任意一项所述的仿生多功能热防护结构的成形方法，其特征在于，包括如下步骤：
    1)模型设计及处理：构建结构的三维实体几何模型，并通过3D打印模型处理软件对结构进行分层切片处理，切片层厚为20～100μm；
    2)SLM加工准备：在选区激光熔化设备中放置成形Ti6Al4V基板， 并在粉料缸中导入高质量Ti6Al4V球形粉末，关闭腔体，向腔体中通入保护气体，同时开启除气系统，直到腔体中的氧含量降为0；
    3)建立加工任务：设定铺粉厚度与步骤1)的切片层厚一致，设定激光成形的最优参数，加工之前对基板进行预热，预热温度为200℃；
    4)选区激光熔化成形：准备工作完毕之后，开始成形加工，加工过程中采用的激光扫描策略为分区岛状扫描策略，系统将二维平面划分成多个岛状的小区域，当激光扫描完成一个小区域时，对成形边界进行勾边，一个区域成形完成后开始成形下一个岛状区域，直到整个二维平面成形完毕；成形缸向下移动至模型的下一分层，同时粉料缸向上移动同等距离，刮刀将粉末从粉料缸铺到成形缸，开始成形下一层，直至整个实体构件被加工完毕为止，获得钛合金仿生多功能热防护结构。
  9. 根据权利要求8所述的仿生多功能热防护结构的成形方法，其特征在于，步骤3)中激光成形的最优参数是通过工艺优化实验获得，激光能量为200～300W，扫描速度为600～1000mm/s，光斑直径为50～90μm，扫描间距为110～150μm。
  10. 根据权利要求8所述的仿生多功能热防护结构的成形方法，其特征在于，步骤4)中扫描策略为初始激光扫描角度为53°，层与层之间的旋转增量为37°。
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