【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及飞行器热防护，尤其涉及一种自抽吸发汗式主动冷却前缘构件及其制造方法。
技术介绍
1、超高声速飞行器在超音速飞行过程中由于空气摩擦在头锥、翼缘等位置会产生巨大的气动热，最高可能需要承受超过10mw/m2的极端热流密度，对超高声速飞行器安全飞行带了极大的挑战。为了使飞行器达到长时间、重复使用的目的，必须采取非烧蚀的热防护方法来保证飞行器前缘的安全可靠。
2、自抽吸发汗冷却是一种高效且极具应用潜力的前缘主动冷却热防护方法。其作用机理是：冷却介质在毛细力驱动下通过多级流道结构发生输运、换热、相变等过程，并在构件表面形成一层气膜保护层，隔绝空气与构件间摩擦产生的超高温热流。发汗冷却热防护方案主要有两个优势：1)具有更强的冷却能力，主要原因是一般选择比热容较大的液体(如水)作为冷却介质，其相变过程中可以吸收更多的热量；2)发汗冷却热防护采用类似于树叶的多级输运流道，能够在毛细力作用下自主实现冷却介质运输，不需要附加动力装置，进一步起到减重的目的。然而在实际使用过程中发汗式主动冷却热防护方案并没有达到理想的效果，相关研究发现：导致热防护效果降低的主要原因是多级流道结构设计及制备技术不成熟，流道分布及尺寸可控性较低，导致冷却介质输运困难。
3、目前发汗式主动冷却多级流道结构的加工方法是粉末烧结、层板刻蚀。粉末烧结法通过烧结球状金属粉末或复合材料，制备多孔介质，其流道分布及尺寸无法控制。层板刻蚀是在薄板上刻蚀流道，再一层层扩散焊接，流道可控，但设计加工复杂流道效果不佳，且成本较高。
4、因此，亟需
技术实现思路
1、鉴于上述的分析，本专利技术旨在提供了一种自抽吸发汗式主动冷却前缘构件及其制造方法，用以解决现有前缘构件热防护效果较差的问题。
2、一方面，本专利技术提供了一种自抽吸发汗式主动冷却前缘构件，所述前缘构件为圆锥形，由三层结构构成，从内到外依次是内部致密层、中间多孔材料层和表面发汗结构层，并且在内部致密层中含有孔径≥1mm的常规分形流道；在中间多孔材料层中含有孔径为60-200μm的三维空隙流道，在表面发汗结构层上含有孔径为30～50μm的微尺度发汗流道，所述常规分形流道、所述三维空隙流道和所述微尺度发汗流道相互连通。
3、进一步地，所述内部致密层和所述表面发汗结构层的致密度为99％以上；所述中间多孔材料层的孔隙率为30-50％。
4、进一步地，所述表面发汗结构层的厚度500-800μm，所述中间多孔材料层的厚度5-10mm，所述内部致密层的厚度10-15mm。
5、进一步地，所述前缘构件的材质为镍基高温合金或纯钨。
6、进一步地，所述镍基高温合金为mar-m247或gh4099。
7、进一步地，所述微尺度发汗流道通过飞秒激光在表面发汗结构层上进行打孔得到。
8、进一步地，所述三层结构采用粉末床增材制造成型得到。
9、另一方面，本专利技术提供了一种自抽吸发汗式主动冷却前缘构件的制造方法，根据前缘构件模型进行粉末床增材制造，制得毛坯；所述毛坯由内部致密层、中间多孔材料层和表面发汗结构层构成；再利用飞秒激光在所述毛坯的表面发汗结构层上进行打孔，制得前缘构件。
10、进一步地，所述粉末床增材制造包括电子束选区增材和激光选区熔化技术。
11、进一步地，所述粉末床增材制造为电子束选区增材，在制备内部致密层和表面发汗结构层时，电子束选区熔化的束流为15-40ma，扫描速度为0.5-5mm/s，粉末厚度为40-60μm，搭接间距为70-125μm。
12、进一步地，所述粉末床增材制造为电子束选区增材，在制备中间多孔材料层时，电子束选区烧结的束流为10-40ma，扫描速度为3-20mm/s，粉末厚度为40-60μm，搭接间距为70-125μm。
13、进一步地，所述粉末床增材制造为激光选区熔化，在制备内部致密层和表面发汗结构层时，激光功率为250-350w，扫描速度为800-1000mm/s，搭接间距为40-60μm，粉末厚度为40-60μm，逐层旋转67°。
14、进一步地，所述粉末床增材制造为激光选区熔化，在制备中间多孔材料层时，激光选区熔化的激光功率为150-200w，扫描速度为1000-1200mm/s，搭接间距为70-80μm，粉末厚度为40-60μm，不旋转。
15、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：
16、1、本专利技术提供了一种自抽吸发汗式主动冷却前缘构件，由三层三流道构成，从外到内依次为表面发汗结构层、中间多孔材料层和内部致密层，并且表面发汗结构层、中间多孔材料层和内部致密层分别含有微尺度发汗流道、三维空隙流道和常规分形流道，流道相互连通，实现了自驱动热防护，且防护效率较高。
17、2、本专利技术通过增材制造和飞秒激光加工相结合的方式，制备成三层结构的前缘构件，其中内部致密层和表面发汗结构层的致密度为99％以上；中间多孔材料层的孔隙率为30-50％；而且内部致密层中含有孔径≥1mm的常规分形流道；在中间多孔材料层中含有孔径为60-200μm的三维空隙流道，在表面发汗结构层上含有孔径为30～50μm的微尺度发汗流道。
18、本专利技术中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本专利技术的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本专利技术而了解。本专利技术的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
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1.一种自抽吸发汗式主动冷却前缘构件，其特征在于，所述前缘构件为圆锥形，由三层结构构成，从内到外依次是内部致密层、中间多孔材料层和表面发汗结构层，并且在内部致密层中含有孔径≥1mm的分形流道；在中间多孔材料层中含有孔径为60-200μm的三维空隙流道，在表面发汗结构层上含有孔径为30～50μm的微尺度发汗流道，所述分形流道、所述三维空隙流道和所述微尺度发汗流道相互连通。
2.根据权利要求1所述自抽吸发汗式主动冷却前缘构件，其特征在于，所述内部致密层和所述表面发汗结构层的致密度为99％以上；所述中间多孔材料层的孔隙率为30-50％。
3.根据权利要求1所述自抽吸发汗式主动冷却前缘构件，其特征在于，所述表面发汗结构层的厚度500-800μm，所述中间多孔材料层的厚度5-10mm，所述内部致密层的厚度10-15mm。
4.根据权利要求1所述自抽吸发汗式主动冷却前缘构件，其特征在于，所述前缘构件的材质为镍基高温合金或纯钨。
5.根据权利要求4所述自抽吸发汗式主动冷却前缘构件，其特征在于，所述镍基高温合金为MAR-M247或GH4099。p>
6.根据权利要求1所述自抽吸发汗式主动冷却前缘构件，其特征在于，所述微尺度发汗流道通过飞秒激光在表面发汗结构层上进行打孔得到。
7.根据权利要求1所述自抽吸发汗式主动冷却前缘构件，其特征在于，所述三层结构采用粉末床增材制造成型得到。
8.一种如权利要求1-7任一项所述自抽吸发汗式主动冷却前缘构件的制造方法，其特征在于，根据前缘构件模型进行粉末床增材制造，制得毛坯；所述毛坯由内部致密层、中间多孔材料层和表面发汗结构层构成；再利用飞秒激光在所述毛坯的表面发汗结构层上进行打孔，制得前缘构件。
9.根据权利要求8所述自抽吸发汗式主动冷却前缘构件的制造方法，其特征在于，所述粉末床增材制造包括电子束选区增材和激光选区熔化。
10.根据权利要求9所述自抽吸发汗式主动冷却前缘构件的制造方法，其特征在于，所述粉末床增材制造为电子束选区熔化，在制备内部致密层、表面发汗结构层中间多孔材料层时，采用相应的控制工艺参数和扫描策略。
...【技术特征摘要】
1.一种自抽吸发汗式主动冷却前缘构件，其特征在于，所述前缘构件为圆锥形，由三层结构构成，从内到外依次是内部致密层、中间多孔材料层和表面发汗结构层，并且在内部致密层中含有孔径≥1mm的分形流道；在中间多孔材料层中含有孔径为60-200μm的三维空隙流道，在表面发汗结构层上含有孔径为30～50μm的微尺度发汗流道，所述分形流道、所述三维空隙流道和所述微尺度发汗流道相互连通。
2.根据权利要求1所述自抽吸发汗式主动冷却前缘构件，其特征在于，所述内部致密层和所述表面发汗结构层的致密度为99％以上；所述中间多孔材料层的孔隙率为30-50％。
3.根据权利要求1所述自抽吸发汗式主动冷却前缘构件，其特征在于，所述表面发汗结构层的厚度500-800μm，所述中间多孔材料层的厚度5-10mm，所述内部致密层的厚度10-15mm。
4.根据权利要求1所述自抽吸发汗式主动冷却前缘构件，其特征在于，所述前缘构件的材质为镍基高温合金或纯钨。
5.根据权利要求4所述自抽吸发汗式主动冷却前缘构件，其特征...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘海龙，王志敏，车磊，赵文正，李鹏，何智，苏胜伟，秦中环，
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：
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