一种TA15钛合金点阵结构、点阵夹层结构及制造方法技术

本发明专利技术涉及一种TA15钛合金点阵结构、点阵夹层结构及制造方法，属于航空航天领域材料领域。本发明专利技术的TA15钛合金点阵结构，点阵结构包括多个单胞，多个单胞在空间重复并互相连接形成点阵；单胞包括中心件和八根长度相同的杆件；中心件具有前后两正方形端面，沿前后方向中心件的尺寸为0.5mm至1mm，中心件端面的边长为0.5mm至1.5mm，中心件的每个正方形端面的每个角处各延伸一根杆件，形成两个相对于中心件对称的正方锥；杆件与所在中心件端面之间的夹角为35°16＇，从同一端面延伸的相邻杆件之间的夹角为70°32＇；杆件为三棱柱，三棱柱横截面为等腰直角三角形。利用本发明专利技术设计与制备的TA15钛合金材料结构减重可达30％至40％，具有良好的轻量化效果，可广泛用于航空航天材料。

【技术实现步骤摘要】
一种TA15钛合金点阵结构、点阵夹层结构及制造方法
本专利技术涉及航空航天材料
，尤其涉及一种TA15钛合金点阵结构、点阵夹层结构及制造方法。
技术介绍
钛合金以其优异的综合机械性能和良好的抗腐蚀性能，而且能够进行铸造、焊接、旋压、喷丸、超塑、机械加工等各种方式的加工成形，被广泛应用于航空器的结构件、连接件和发动机上。现今，钛合金用量占飞机整体质量的百分比已成为衡量飞机用材先进程度的一个重要标志，飞机上钛合金的用量也在随飞机设计要求和性能水平的提高而增加。TA15钛合金的名义成分为Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V，其Al当量为6.85％，属于高Al当量的近α型钛合金。其强化机制是依靠α相稳定性元素Al的固溶强化，添加中性稳定元素Zr和少量β稳定元素Mo与V。退火状态的近α型钛合金组织为α相和少于10％的β相，成形性能有所改善，并具有一定的热处理强化特性。TA15钛合金兼具α型钛合金的优异的高温机械性能、可焊性和接近于α+β型钛合金的蠕变抗力及持久性能。因而，TA15钛合金被用于民航和军用飞机上高温承力的一些重要结构件，例如飞机的梁、接头、大型壁板、发动机叶片等。轻质多孔金属结构是随着多功能需求的材料制备以及机械加工技术的迅速发展而出现的一类新颖多功能材料，是材料的选择及其性能研究的新方向。蜂窝结构作为经典的轻质夹层结构己经广泛应用于飞机、高铁、地铁的壁板、舱门防护壳体等重要结构件。三维点阵结构作为新一代轻质结构被提出，其芯体在结构上类似于桁架结构的空间网架，三维点阵夹层结构相对蜂窝等传统二维点阵结构，内部空间更利于布置管道、填充相关介质实现主动散热、抗震爆、电磁波隐身等功能，在飞机结构应用特别是结构功能一体化应用中具有广泛的应用前景。从三维点阵结构提出至今，技术人员为了得到结构更佳、性能更优的点阵夹层结构，先后提出了四面体型、金字塔型、X型、3D-Kagome型、沙漏型及编织物结构拓扑等多种不同的芯体构型。三维点阵结构不仅具有轻质高强的特点，其良好的内部空间还易于实现承载吸能、抗震抗爆、抑振散热、电磁波隐身等多功能，结构性能优越。鉴于TA15钛合金优良的材料性能，在TA15合金上使用三维点阵夹层结构既保证材料的优异性能，又能使钛合金更加轻量化。现有技术中有熔模铸造法、金属丝编织法、拉压放电切割法、拉伸折叠法、节点下压法、拼搭焊接法、线切割嵌锁法、超塑成形/扩散连接法多种制备工艺。
技术实现思路
鉴于上述的分析，本专利技术旨在提供一种TA15钛合金点阵结构、点阵夹层结构及制造方法，采用该点阵结构的钛合金点阵夹层结构具有良好的内部空间，还易于实现承载吸能、抗震抗爆、抑振散热、电磁波隐身等多功能，具有结构性能优越且轻量化的轻质高强的特点。一方面，本专利技术提供一种TA15钛合金点阵结构，所述点阵结构包括多个单胞，多个单胞在空间重复并互相连接形成点阵；所述单胞包括中心件和杆件；所述杆件共有八根且长度均相同；所述中心件具有前后两正方形端面，沿前后方向所述中心件的尺寸为0.5mm至1mm，所述中心件端面的边长为0.5mm至1.5mm，中心件的每个正方形端面的每个角处各延伸一根杆件，形成两个相对于中心件对称的正方锥；所述杆件与所在中心件端面之间的夹角为35°16＇，从同一端面延伸的相邻杆件之间的夹角为70°32＇；所述杆件为三棱柱，所述三棱柱横截面为等腰直角三角形。进一步地，所述单胞还包括连接部件，所述连接部件为等腰直角三棱柱，所述连接部件在所述杆件远离中心件的一端沿杆件三棱柱的最大侧面向正方锥内侧弯折125°16＇形成连接部件。进一步地，所述杆件长度为10mm至30mm，所述杆件的横截面的面积为0.8mm2至3.2mm2。一方面，本专利技术提供一种TA15钛合金点阵夹层结构，包括权利要求1-3任一项所述的点阵结构。进一步地，所述点阵夹层结构自上而下由上壁板、点阵和下壁板三层结构组成；所述点阵夹层由所述点阵结构组成，所述点阵结构的多个单胞在空间重复并互相连接，每个单胞的中心件前后方向与上壁板面和下壁板面平行，上壁板的下表面与点阵结构的上层单胞中杆件远离中心杆的一端连接，下壁板的上表面与点阵结构的下层单胞的杆件远离中心杆的一端连接。进一步地,上壁板的下表面与点阵结构的上层单胞中的连接部件连接，下壁板的上表面与点阵结构的下层单胞的连接部件连接。另一方面，本专利技术提供一种TA15钛合金点阵夹层结构的制造方法，用于制备权利要求4-5所述的TA15钛合金点阵夹层结构，包括以下步骤：步骤1.根据轻量化与强度要求确定点阵结构；步骤2.确定包围点阵的薄壁厚度，确定点阵单胞中杆件的尺寸；步骤3.选取TA15钛合金球形粉末作为成形原料；步骤4.在成形室中，以TA15钛合金为成形基板，用氩气洗气降低成形室含氧量，洗气完成后预热成形基板；步骤5.采用激光选区熔化成形工艺在成形室制备点阵夹层结构，用橡胶刮刀铺粉，通过激光束对粉末的快速熔化、凝固，逐层叠加，直至点阵夹层结构完全成形；步骤6.熔化成形后，在成形室先保温再自然冷却至室温。进一步地，所述步骤3中，TA15钛合金球形粉末粒径范围为15μm至53μm，粒径分布为d10:15μm至25μm，d50:25μm至35μm，d90:35μm至53μm，流动性≤40s/50g。进一步地，所述步骤4中用氩气洗气将成形室氧含量降至≤0.02％，洗气完成后预热成形基板至120℃至140℃。进一步地，所述步骤5中，激光选区熔化功率为300W至350W，扫描速度为1000mm/s至1300mm/s，扫描线间距为10μm至25μm，粉末层厚度为50μm至60μm。进一步地，所述步骤5中刮刀铺粉的速度为20mm/s至40mm/s。与现有技术相比，本专利技术至少可实现如下有益效果之一：(1)传统制造中，是通过减少非关键区域的材料来减少材料的使用，以减轻重量。点阵设计却可以同时减少零件非关键区域中的材料以减轻重量，可以提高强度–重量比。本专利技术提供了一种TA15钛合金点阵结构，通过使用点阵夹层结构，使得具有点阵夹层结构的TA15钛合金材料与未采用点阵结构的致密的材料具有相同或接近的力学强度，实现了结构件的轻量化。(2)本专利技术中的TA15钛合金点阵夹层结构采用了点阵结构，相比传统未采用点阵结构的致密的TA15钛合金结构件，本专利技术的TA15钛合金点阵夹层结构减重30％-80％，有效降低了航空航天材料的重量，实现了材料的轻量化。(3)基于本专利技术提供的TA15钛合金点阵结构的结构件，不仅重量轻，而且可以释放大量的表面积，能够促进热交换和化学反应。该点阵结构可以显著增大有效表面积，如果散热器中充满冷空气，也可以快速带走热量。在汽车、航空航天、能源领域使用点阵结构可有效提高热交换效率。在燃气涡轮发动机部件内部设计点阵结构，它们的作用是为燃气涡轮发动机部件提供有效的局部对流冷却，使得部件可以经受通过核心流动路径的热燃烧气体的高温。由于点阵本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种TA15钛合金点阵结构，其特征在于，所述点阵结构包括多个单胞，多个单胞在空间重复并互相连接形成点阵；/n所述单胞包括中心件和杆件；/n所述杆件共有八根且长度均相同；/n所述中心件具有前后两正方形端面，沿前后方向所述中心件的尺寸为0.5mm至1mm，所述中心件端面的边长为0.5mm至1.5mm，中心件的每个正方形端面的每个角处各延伸一根杆件，形成两个相对于中心件对称的正方锥；/n所述杆件与所在中心件端面之间的夹角为35°16＇，从同一端面延伸的相邻杆件之间的夹角为70°32＇；/n所述杆件为三棱柱，所述三棱柱横截面为等腰直角三角形。/n

【技术特征摘要】
1.一种TA15钛合金点阵结构，其特征在于，所述点阵结构包括多个单胞，多个单胞在空间重复并互相连接形成点阵；
所述单胞包括中心件和杆件；
所述杆件共有八根且长度均相同；
所述中心件具有前后两正方形端面，沿前后方向所述中心件的尺寸为0.5mm至1mm，所述中心件端面的边长为0.5mm至1.5mm，中心件的每个正方形端面的每个角处各延伸一根杆件，形成两个相对于中心件对称的正方锥；
所述杆件与所在中心件端面之间的夹角为35°16＇，从同一端面延伸的相邻杆件之间的夹角为70°32＇；
所述杆件为三棱柱，所述三棱柱横截面为等腰直角三角形。


2.根据权利要求1所述TA15钛合金点阵结构，其特征在于，所述单胞还包括连接部件，所述连接部件为等腰直角三棱柱。


3.根据权利要求1所述TA15钛合金点阵结构，其特征在于，所述杆件长度为10mm至30mm，所述杆件的横截面的面积为0.8mm2至3.2mm2。


4.一种TA15钛合金点阵夹层结构，其特征在于，包括权利要求1-3任一项所述的点阵结构。


5.根据权利要求4所述的TA15钛合金点阵夹层结构，其特征在于，所述点阵夹层结构自上而下由上壁板、点阵和下壁板三层结构组成；
所述点阵夹层由所述点阵结构组成，所述点阵结构的多个单胞在空间重复并互相连接，每个单胞的中心件前后方向与上壁板面和下壁板面平行，上壁板的下表面与点阵结构的上层单胞中杆件远离中心杆的一端连接，下壁板的上表面与点阵结构的下层单胞的杆件远离中心杆的一端连接。


6.一种TA15钛合金点阵夹层结构的制造方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：干建宁，韩维群，张铁军，刘玉平，王志敏，步贤政，王殿政，齐海，何智，苏江舟，
申请(专利权)人：北京航星机器制造有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11