仿鱼鳍高强高韧航空壳体、航空材料及其制备方法技术

本发明专利技术属于航空材料技术领域，涉及仿鱼鳍高强高韧航空壳体、航空材料及其制备方法，具体方法是利用激光增材制造技术打印Ni基高温合金框架结构作为支鳍骨鳍条结构，将Ti

【技术实现步骤摘要】
仿鱼鳍高强高韧航空壳体、航空材料及其制备方法

：
[0001]本专利技术属于航空材料
，具体涉及仿鱼鳍高强高韧航空壳体、航空材料及其制备方法。

技术介绍
：
[0002]TiAl基合金是一种极具竞争力的新型轻质高温结构材料，其具有低密度(密度仅为Ni基高温合金的50％)、高熔点、高比强度、高比模量等特性，同时在高温下还具有优异的抗氧化和抗蠕变性能，且有望替代传统的Ni基高温合金，在航空航天领域具有广阔的发展潜力和应用前景。但从可加工性和经济性来说，单一的采用TiAl基合金加工整体构件使用是不现实的。将TiAl合金与Ni基高温合金连接到一起，将二者复合使用，既可具有两者的优点，又能大量节约珍贵的钛资源，可以很好的发挥两种材料在节约资源与提高性能上的优势互补。将Ni基高温合金和TiAl基合金有效连接，是拓展TiAl基合金在航空航天领域中应用的关键，然而由于两种材料存在物理性能、化学性能和力学特性能等方面存在诸多差异，从而使得焊接质量很难达到使用要求。国内外许多学者对TiAl合金与Ni基高温合金的连接进行了许多研究探索，直接进行二者的扩散连接时，会生成大量Ti
‑
Ni
‑
Al三元金属间化合物，这些化合物的存在使接头强度较低。
[0003]鳍是鱼类特有的外部器官，能起到保持稳定、维持平衡、控制方向的作用。其中尾鳍还能通过摆动产生前进的推力，甚至是部分鱼能利用尾鳍的做防御武器和捕食工具。鱼鳍不含肌肉组织，却异常灵活，而且在保证一定强度的同时拥有非常好的韧性。鱼类通过控制鱼鳍，可以轻易地实现加速、体态变化。鱼鳍由属于内骨骼的支鳍骨和鳍条组成，外附肌肉、皮肤。每一鳍条由左右两条合成，其中支鳍骨位于鳍的基部，起支持鳍的作用；鳍条与支鳍骨相接，露在体外。

技术实现思路
：
[0004]有鉴于此，本专利技术要解决的技术问题在于提供仿鱼鳍高强高韧航空壳体、航空材料及其制备方法，应用仿鱼鳍结构，用硬相材料制备成仿支鳍骨鳍条结构，再填充低密度的轻质软相TiAl材料作为鳍肌肉鳍皮肤，得到仿鱼鳍高强高韧TiAl航空材料。
[0005]第一方面，为了实现上述目的，本专利技术采用如下的技术方案：
[0006]一种仿鱼鳍高强高韧航空壳体，所述壳体全部或者部分材料结构为：
[0007]Ni基高温合金框架；
[0008]TiAl基复合材料粉料填充至Ni基高温合金框架内；
[0009]Ni基高温合金框架由以下任一种方式组成：
[0010]Ni基高温合金框架的截面包括若干单元组成，所述单元包括处于横向的至少一个第一连接部，处于纵向的至少一个第二连接部，第二连接部均以第一连接部连接点为起始端向同侧延伸；
[0011]第一连接部以及第二连接部外表面包裹Ti粉末；
[0012]第一连接部轮廓为仿鱼鳍的支鳍骨状；
[0013]第二连接部为仿鱼鳍的鳍条状。
[0014]进一步地，TiAl基复合材料为Ti
‑
Al
‑
NMe体系，NMe为C、Si、B中的一种或多种。
[0015]进一步地，TiAl基复合材料为Ti2AlC、Ti5Si3、TiB2陶瓷颗粒的一种或多种。
[0016]第二方面，为了实现上述目的，本专利技术采用如下的技术方案：
[0017]一种仿鱼鳍高强高韧航空材料的制备方法，包括以下步骤：
[0018]打印出具有支鳍骨和鳍条结构的Ni基高温合金骨架；
[0019]Ti粉层包覆支鳍骨和鳍条结构的Ni基高温合金骨架的表面；
[0020]支鳍骨的Ni基高温合金骨架呈横向布置，鳍条结构的Ni基高温合金骨架呈纵向布置，鳍条结构的Ni基高温合金骨架均以支鳍骨的Ni基高温合金骨架的连接点为起始端向同侧延伸；
[0021]TiAl基复合材料粉料填充至支鳍骨和鳍条结构的Ni基高温合金骨架内；
[0022]将填充有TiAl基复合材料的支鳍骨和鳍条结构的Ni基高温合金骨架快速热压烧结炉中，经过热压烧结，最终得到仿鱼鳍高强高韧航空材料。
[0023]进一步地，处于支鳍骨和鳍条结构的Ni基高温合金骨架底端的TiAl基复合材料粉料厚度为3～5mm。
[0024]进一步地，高于支鳍骨和鳍条结构的Ni基高温合金骨架顶端面的TiAl基复合材料粉料厚度为3～5mm。
[0025]进一步地，TiAl基复合材料为Ti
‑
Al
‑
NMe体系，NMe为C、Si、B中的一种或多种。
[0026]进一步地，TiAl基复合材料为Ti2AlC、Ti5Si3、TiB2陶瓷颗粒的一种或多种。
[0027]第三方面，为了实现上述目的，本专利技术采用如下的技术方案：
[0028]一种仿鱼鳍高强高韧航空材料的制备方法，包括以下步骤：
[0029]1)在模具底部铺放3～5mmTi
‑
Al
‑
NMe体系粉末，使用压平器轻轻压平；
[0030]2)用Ti粉均匀包覆支鳍骨和鳍条结构的Ni基高温合金骨架；
[0031]3)在模具底部Ti
‑
Al
‑
NMe体系粉末层上放上已用Ti粉均匀包覆的支鳍骨和鳍条结构的Ni基高温合金骨架；
[0032]4)缓慢放入Ti
‑
Al
‑
NMe体系粉末，直至超出框架最高高度3～5mm；
[0033]5)轻轻敲击、震荡模具，确保Ti
‑
Al
‑
NMe体系粉末充分填充并覆盖，无较大空隙后用压平器压平，确保粉末无泄漏后封闭模具；
[0034]6)将步骤5)中的模具放置在快速热压烧结炉中，经过热压烧结，最终得到仿鱼鳍高强高韧航空材料，快速热压烧结炉参数为：压力1～2T，每分钟加热100℃，在1000～1400℃下保温5～10分钟。
[0035]第四方面，为了实现上述目的，本专利技术采用如下的技术方案：一种上述的方法制备得到的仿鱼鳍高强高韧航空材料。
[0036]经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，
[0037]本专利技术公开提供了一种仿鱼鳍高强高韧航空材料的制备方法，相较于其他航空材料，本专利技术具有以下优点：
[0038](1)本专利技术受鱼高强高韧的外部器官
‑
鱼鳍启发，首次应用仿鱼鳍结构，用硬相材料制备成仿支鳍骨鳍条结构，再填充低密度的轻质软相TiAl材料作为鳍肌肉鳍皮肤，并将
平面强化结构推广至空间强化结构，在保证材料轻量化的同时利用独特的仿生构型强化韧化TiAl航天材料。
[0039](2)本专利技术在材料中引入内生陶瓷颗粒，以细晶强化、Orowan强化的多种强韧化机制提升作为鳍肌肉鳍皮肤的TiAl材料强度和韧性，进而提升仿鱼鳍构型下的TiAl航空材料的强韧性。
[0040](3)本专利技术烧结前所使用的全部材料均为纳米级、微米级粉末，最终经过热压烧结制成的仿鱼鳍高强高韧TiAl航空材料致密、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种仿鱼鳍高强高韧航空壳体，其特征在于，所述壳体全部或者部分材料结构为：Ni基高温合金框架；TiAl基复合材料粉料填充至Ni基高温合金框架内；Ni基高温合金框架由以下任一种方式组成：Ni基高温合金框架的截面包括若干单元组成，所述单元包括处于横向的至少一个第一连接部，处于纵向的至少一个第二连接部，第二连接部均以第一连接部连接点为起始端向同侧延伸；第一连接部以及第二连接部外表面包裹Ti粉末；第一连接部轮廓为仿鱼鳍的支鳍骨状；第二连接部为仿鱼鳍的鳍条状。2.根据权利要求1所述的航空壳体，其特征在于，TiAl基复合材料为Ti
‑
Al
‑
NMe体系，NMe为C、Si、B中的一种或多种。3.根据权利要求2所述的航空壳体，其特征在于，TiAl基复合材料为Ti2AlC、Ti5Si3、TiB2陶瓷颗粒的一种或多种。4.一种仿鱼鳍高强高韧航空材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：打印出具有支鳍骨和鳍条结构的Ni基高温合金骨架；Ti粉层包覆支鳍骨和鳍条结构的Ni基高温合金骨架的表面；支鳍骨的Ni基高温合金骨架呈横向布置，鳍条结构的Ni基高温合金骨架呈纵向布置，鳍条结构的Ni基高温合金骨架均以支鳍骨的Ni基高温合金骨架的连接点为起始端向同侧延伸；TiAl基复合材料粉料填充至支鳍骨和鳍条结构的Ni基高温合金骨架内；将填充有TiAl基复合材料的支鳍骨和鳍条结构的Ni基高温合金骨架快速热压烧结炉中，经过热压烧结，最终得到仿鱼鳍高强高韧航空材料。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，处于支鳍骨和鳍条结构的Ni基高温合金骨架底端的TiAl基复合材料粉料厚度为3～5mm。6.根据权利要求4所述的制备方...

【专利技术属性】
技术研发人员：舒世立，杨冶鑫，花若茜，张俊秋，韩志武，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：