本发明专利技术提供了一种铝微滴喷射/钛合金微杆交互沉积成形(近)零膨胀多胞结构的方法，解决现有尚无法有效成型热物性差异大的双金属(近)零热膨胀点阵的不足之处。本发明专利技术通过铝微滴喷射与钛合金杆件交互沉积成形出(近)零热膨胀点阵胞元，在铝微滴打印过程中，实现钛合金单元的定制化嵌入，可解决两种热物性差异大的金属材料难以直接在熔融状态下交互沉积成形的难题，为航天航空用轻量化近(零)热膨胀点阵的成形提供新方法，实现双金属材料(近)零热膨胀点阵的增材制造。膨胀点阵的增材制造。膨胀点阵的增材制造。
【技术实现步骤摘要】
一种铝微滴喷射/钛合金微杆交互沉积成形(近)零膨胀多胞结构的方法
[0001]本专利技术属于(近)零热膨胀点阵的3D打印
，具体涉及一种铝微滴喷射/钛合金微杆交互沉积成形(近)零膨胀多胞结构的方法，即均匀铝微滴喷射与钛合金微杆交互沉积成形(近)零热膨胀点阵结构的3D打印方法。
技术介绍
[0002]在天基镜、卫星天线、光学拍摄系统等太空精密设备中，(近)零热膨胀系数材料或结构可在温度波动下保持较稳定的尺寸，从而减轻或避免由于冷热循环所导致的结构变形或破坏。在众多(近)零热膨胀材料中，双材料多胞结构是近些年来迅速发展的一种新型(近)零热膨胀超材料。此类超材料由两种热膨胀系数不同的材料按照一定的几何结构构成，通常为三角形或四边形，其双材料胞壁会在温度变化时，由热膨胀率不同而发生弹性弯曲或旋转变形，从而实现整体结构热膨胀系数可调。此类结构兼具热膨胀系数可调范围大、刚度质量比高等优势，应用前景广泛。
[0003]现阶段，在双材料点阵成形过程中，为实现热物理性质迥异材料间可靠连接，主要采用机械加工+装配方法制造可调热膨胀双材料点阵，即先加工出不同材料的单元，然后通过压嵌、销接、胶接、螺栓连接、钎焊等形式成形。由于传统制造方法制备点阵过程中，构成单元的尺寸误差、异质单元间的装配间隙等缺陷会导致多胞点阵装配困难，因而制约了可调热膨胀双材料点阵的结构及功能拓展。
[0004]为了更有效地制造可调热膨胀双材料点阵，增材制造方法被逐渐引入此类结构的制备。文献“Wei K,Xiao X,Chen J,et al.Additively manufactured bi
‑
material metamaterial to program a wide range of thermal expansion[J].Materials&design,2021,198:109343.”中，作者采用熔融沉积(FDM)增材制造方法打印，同时打印尼龙和聚乙烯醇(PVA)两种材料，成形出可调热膨胀系数的二维四边形结构。该方法不需要粘接、焊接，使两种材料在打印过程中直接实现连接，从而获得预期热膨胀系数的双材料结构。然而，该方法制造的双材料结构为低熔点非金属材料构成的点阵，较难适用于航空航天等具有高温、高载荷工况的领域。
[0005]文献“Rafiee,M.,R.D.Farahani and D.Therriault,Multi
‑
Material 3D and 4D Printing:A Survey.Advanced Science,2020.7(12):p.1902307.”和“S
‑
L Sing,Huang S,Goh G
‑
D,et al.Emerging metallic systems for additive manufacturing:In
‑
situ alloying and multi
‑
metal processing in laser powder bed fusion[J].Progress in materials science,2021,119100795.”系统总结了双金属材料打印的研究现状，目前粉床熔融沉积、直接能量沉积、送粉烧结等多种3D打印技术正在探索熔点相近的双金属材料的交互打印，已初步实现熔点相近的双材料简单块体和点阵的打印。而针对于航空常用的铝/钛等热物性(熔点、导热率、热膨胀系数)差异大的双金属材料的打印，直接进行两种金属材料的打印难度大，且两种熔融态金属的直接结合容易造成孔洞、裂纹、成形尺寸误差等缺
陷，目前尚无法有效成形双金属(近)零热膨胀点阵。
[0006]综上，目前仍需开发熔点差异较大的双金属材料3D打印方法，成形具有优异性能的双金属(近)零热膨胀点阵，特别是航空航天用的钛/铝合金双金属(近)零热膨胀点阵。
技术实现思路
[0007]本专利技术的目的在于解决现有尚无法有效成型热物性差异大的双金属(近)零热膨胀点阵的不足之处，而提供一种铝微滴喷射/钛合金微杆交互沉积成形(近)零膨胀多胞结构的方法。
[0008]为实现上述目的，本专利技术所提供的技术解决方案是：
[0009]一种铝微滴喷射/钛合金微杆交互沉积成形(近)零膨胀多胞结构的方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
[0010]步骤1.根据均匀铝微滴喷射与钛合金微杆交互打印工艺特征，设计双材料(近)零热膨胀点阵的胞元结构，确定三角形胞元各条边的直径、三角形的内角角度及边长；
[0011]按以下步骤进行设计：
[0012]1.1匹配两种材料的打印分辨率，确定三角形胞元各条边的直径
[0013]根据钛合金微杆的直径D1确定铝微滴直径D
d
，确保喷出的铝微滴直径不小于钛合金微杆的直径；
[0014]1.2根据所需达到的近零膨胀要求，计算三角形胞元的内角角度
[0015]根据拉伸型(近)零热膨胀三角形的设计原则，采用预设的三角形胞元热膨胀系数α
h
，确定出(近)零热膨胀三角形胞元的底角θ，θ为等腰三角形胞元斜边与底边垂线的夹角，0<θ<90
°
；
[0016][0017]其中，α1为铝合金的热膨胀系数，α2为钛合金材料的热膨胀系数；
[0018]1.3计算三角形胞元三条边的长度
[0019]1.3.1根据步骤1.1确定的三角形胞元各条边的直径和步骤1.2确定的三角形胞元的内角角度，确定嵌入钛合金微杆的长度L1，为了防止钛合金微杆弯曲变形，需保证L1/D1≤10；
[0020]1.3.2根据三角形胞元的斜边与底边的关系，求出铝合金底边长度L，L＝2L1sinθ；
[0021]1.4针对实际打印工况与最终功能实现工况要求的差异，考虑到(近)零热膨胀结构打印时整个结构处于高温(基板温度T
s
一般大于400℃)的环境中，而预期所要得到是常温T0＝20～25℃下的(近)零热膨胀结构，因此需要对实际打印三角形胞元的边长及角度进行补偿调整，补偿T1＝T
s
‑
T0温度变化下两种材料的热膨胀长度，其中，T
s
为基板温度，T0为常温；
[0022]在基板温度T
s
下，嵌入钛合金微杆的实际长度L1’
＝L1(1+α2T1)，定义该打印温度下(近)零热膨胀三角形的实际夹角为θ+Δθ，则根据三角形的几何关系，三角形底边实际打印长度L
’
＝2L1(1+α2T1)sin(θ+Δθ)，而又根据L
’
＝2L1sinθ(1+α1T1)，联立两式即可得到三角形实际所打印的夹角为：
[0023][0024]如此，确定了高温T
s
的环境下计算得到的三角形胞元的实际边长L1’
、L
’
及夹角θ+Δθ，并本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种铝微滴喷射/钛合金微杆交互沉积成形(近)零膨胀多胞结构的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1.根据均匀铝微滴喷射与钛合金微杆交互打印工艺特征，设计(近)零热膨胀点阵的胞元结构，确定三角形胞元各条边的直径、三角形的内角角度及边长；设计步骤如下：1.1匹配两种材料的打印分辨率，确定三角形胞元各条边的直径根据钛合金微杆的直径D1确定铝微滴直径D
d
，确保喷出的铝微滴直径不小于钛合金微杆的直径；1.2根据所需达到的近零膨胀要求，计算三角形胞元的内角角度根据拉伸型(近)零热膨胀三角形的设计原则，采用预设的三角形胞元热膨胀系数α
h
，确定出(近)零热膨胀三角形胞元的底角θ，θ为等腰三角形胞元斜边与底边垂线的夹角，0<θ<90
°
；其中，α1为铝合金的热膨胀系数，α2为钛合金材料的热膨胀系数；1.3计算三角形胞元三条边的长度1.3.1根据步骤1.1确定的三角形胞元各条边的直径和步骤1.2确定的三角形胞元的内角角度，确定嵌入钛合金微杆的长度L1，且L1/D1≤10；1.3.2根据三角形胞元的斜边与底边的关系，计算铝合金底边长度L，L＝2L1sinθ；1.4对实际打印三角形胞元的边长及角度进行温度补偿，补偿T1＝T
s
‑
T0温度变化下两种材料的热膨胀长度，其中，T
s
为基板温度，T0为常温；在基板温度T
s
下，嵌入钛合金微杆的实际长度L1’
＝L1(1+α2T1)；定义该打印温度下(近)零热膨胀三角形的实际夹角为θ+Δθ，则根据三角形的几何关系，三角形底边实际打印长度L
’
＝2L1(1+α2T1)sin(θ+Δθ)，而又根据L
’
＝2L1sinθ(1+α1T1)，联立两式即可得到三角形实际所打印的夹角为：步骤2.基于步骤1设计的(近)零热膨胀点阵的胞元结构，通过均匀微滴的喷射，在基板上按照规划的轨迹，逐点、逐线、逐面地打印出铝合金底边结构；步骤3.按照步骤1设计的(近)零热膨胀点阵的胞元结构，将钛合金微杆放置于步骤2打印的铝合金底边结构上；步骤4.采用均匀铝微滴喷射技术，向步骤3已定位的钛合金微杆上的两端钛/铝连接处沉积液滴，得到铝微滴喷射/钛合金微杆交互沉积成形(近)零膨胀多胞结构。2.根据权利要求1所述铝微滴喷射/钛合金微杆交互沉...
【专利技术属性】
技术研发人员：罗俊，豆毅博，齐乐华，李贺军，崔俊星，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：
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