面向增材制造的承载-发汗一体化蒙皮结构

1.本发明涉及航空航天材料技术，尤其是一种面向增材制造的承载-发汗一体化蒙皮结构。


背景技术：

2.发汗冷却材料能够使材料处在高温环境下工作时，通过自身“出汗”来降低材料本身的温度，以达到材料冷却的目的，因而得到广泛关注和研究。但这种材料在使用于超高温工作环境下，必须具有良好的机械性能，才能满足高温工作部件的使用要求。
3.公开技术对发汗冷却材料方面的设计有不少，如专利公开号为cn104087806a，公开的一种热防护用sic-cu复相发汗冷却材料及制备方法，该复合材料包括50～75％的sic陶瓷相和25～50％的cu金属相组成块体，其中sic陶瓷相为多孔结构，其多孔在三维空间中相互连通，cu金属相附着在这些多孔的表面。制备方法是由重结晶多孔sic陶瓷制备、多孔sic陶瓷内表面涂覆碳化钨及cu自发熔渗进内表面涂覆碳化钨的多孔sic陶瓷三个关键工艺步骤组成。这种传统的发汗冷却技术存在一定的不足，发汗冷却在应用过程中，当受热面出现局部过热时，由于材料骨架的膨胀特性，局部流量剂流量相应减少，导致局部温度进一步升高，存在散热不匀、热防护效果不佳的问题；同时，金属cu作为发汗冷却剂，密度较大，且存在冷却剂耗尽的风险，难以在高超音速领域的应用。
4.又如专利公告号为cn112765913b公开的一种分层梯度多孔材料发汗冷却结构及飞行器，该结构包括n层多孔材料层、设于多孔材料层一侧的冷却腔，冷却腔内设有冷却剂供应单元，冷却剂供应单元用以向冷却腔供应冷却剂，多孔材料层的孔隙率沿靠近冷却腔的方向依次按层减小。这些公开技术虽能一定程度上解决构件短时热防护问题，但复杂结构构件的制备工序极为复杂，容易出现“局部热点效应”，致使层板发汗构件局部烧蚀失效；且这种结构多孔材料各层按照孔隙率从小到大的顺序从内层到外层依次排列，作为单纯的发汗材料，其自身强度存在不足，需要依附在高强度基层结构体上，发汗结构层与层之间过渡关系不明确，其结构有较大的优化空间。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了解决现有发汗冷却结构需要冗杂的加工程序以及可能存在的连接薄弱环节等问题，提供一种面向增材制造的承载-发汗一体化蒙皮结构，它具有较高承载性能、较好发汗冷却效能、兼顾流体的快速输运性能，适用于高超飞行器发汗冷却头锥、蒙皮等需要主动热防护的构件等。
6.本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种面向增材制造的承载-发汗一体化蒙皮结构，其特征在于：由内而外由薄壁致密壳体结构、空间点阵支撑-输液结构、毛细发汗结构三种结构依次复合而成；其中薄壁致密壳体结构层与空间点阵支撑-输液结构层之间通过增材制造一体成型，且空间点阵支撑-输液结构层中的点阵结构深入毛细发汗结构层。
7.前述的面向增材制造的承载-发汗一体化蒙皮结构中，作为优选，薄壁致密壳体结构为构件主体的承载部分，其厚度在1.5～2mm。
8.前述的面向增材制造的承载-发汗一体化蒙皮结构中，所述空间点阵支撑-输液结构包括双对角线型形状单元，双对角线型形状单元的二维形状为四个相同正方形拼接构成的“田”字形，“田”字形包括横、纵各3根轮廓杆件或管件或板件，以及“田”字内的两个对角线方向各4根内部结构杆件或管件或板件。
9.前述的面向增材制造的承载-发汗一体化蒙皮结构中，作为优选，空间点阵支撑-输液结构是以双对角线型形状单元为基础，通过将二维双对角线型形状单元按照立体结构周期性空间排布，或将弯曲的双对角线型形状单元首尾相连，形成的多维度点阵构型。
10.前述的面向增材制造的承载-发汗一体化蒙皮结构中，作为优选，所述双对角线型形状单元中，单元结构的边长为2～10mm，点阵结构的基本单元由杆件、管件或板件组成，杆件的直径为0.3～1mm、管件外径与内径分别为0.3～1mm和0.2～0.6mm、板件的宽度与厚度尺寸分别为0.2～1mm和0.2～0.3mm。
11.前述的面向增材制造的承载-发汗一体化蒙皮结构中，作为优选，所述毛细发汗结构层中包含双对角线型形状单元和毛细发汗组织，毛细发汗组织分布于由双对角线型形状单元构成的空间点阵结构的孔隙内。
12.前述的面向增材制造的承载-发汗一体化蒙皮结构中，作为优选，所述毛细发汗组织的平均孔径为20～100μm。
13.前述的面向增材制造的承载-发汗一体化蒙皮结构中，作为优选，所述空间点阵支撑-输液结构和毛细发汗结构层中均包括双对角线型形状单元，两者双对角线型形状单元的点阵结构相连。
14.前述的面向增材制造的承载-发汗一体化蒙皮结构中，作为优选，所述承载-发汗一体化结构采用粉末床激光熔化技术或粉末床电子束技术实现其结构的一体成形。增材制造的原材料为粒径在15～200μm的钛合金、高温合金金属粉末。
15.前述的面向增材制造的承载-发汗一体化蒙皮结构中，作为优选，所述空间点阵支撑-输液结构中的杆件、管件、板件等单元结构角度为0
°
、45
°
、90
°
、135
°
等，可以通过模型摆放的方式实现直接3d打印，无需添加支撑。
16.本技术方案是由薄壁致密壳体结构、空间点阵支撑-输液结构、毛细发汗结构复合而成的一体式蒙皮结构，其中薄壁致密壳体结构层可作为应用产品的基体(壳体)，但由于另外两层结构体的设置使得该基体的厚度(体积)可以大幅缩小，而空间点阵支撑-输液结构和毛细发汗结构本身也是一种具有高承压能力的多维度点阵构型，从而使得本一体式结构产品不仅在重量上大幅度降低，而且具有更高承载性能、输液性能、发汗能力。
17.本方案中，毛细发汗结构层和空间点阵支撑-输液结构层在成形工艺上是一次性完成的，其中毛细发汗结构层同样包含着双对角线型形状单元，该双对角线型形状单元延续着空间点阵支撑-输液结构中的双对角线型形状单元，保证了毛细发汗结构层和空间点阵支撑-输液结构层同时具备高强度基层结构特性，和非常明确的层与层过渡关系。也由此，空间点阵支撑-输液结构层在正常发挥“高强度基层”的作用下，能充分表现其优异的输液性能，进一步为毛细发汗结构层提供热能转化条件，大幅提高高超等飞行器的主动热防护构件的承载能力和及发汗冷却效能。
输液结构2均以双对角线型形状单元为基础，在周期性空间排布构成的四面柱形结构体。毛细发汗结构3层中包含双对角线型形状单元和毛细发汗组织，其中，空间点阵支撑-输液结构2和毛细发汗结构3层中，两者双对角线型形状单元的点阵结构相连。毛细发汗组织分布于由双对角线型形状单元构成的毛细发汗结构3层空间点阵结构孔隙内，如图4、图5所示，毛细发汗组织的平均孔径为20～100μm。
35.本实施例承载-发汗一体化蒙皮结构采用粉末床激光熔化技术或粉末床电子束技术实现其结构的一体成型；增材制造的原材料为粒径在15～200μm的钛合金、高温合金金属粉末。
36.本实施例的空间点阵支撑-输液结构2中的杆、管、板等单元结构角度为0
°
、45
°
、90
°
、135
°
等，可以通过模型摆放的方式实现直接3d打印，无需添加支撑。
37.本一体化蒙皮结构材料由于薄壁致密壳体结构1、空间点阵支撑-输液结构2、毛细发汗结构3三层之间一体成型，相互制约相互支撑，中间层中的点阵结构深入毛细发汗结构3层，以双对角线型形状单元为最小构成单元的多维度点阵构型，因此能承受较大的应力，具有更好的承载性能，这种空间点阵支撑-输液结构2还可以满足流体输送，使发汗冷却效能得到显著提高。
38.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种面向增材制造的承载-发汗一体化蒙皮结构，其特征在于：由内而外由薄壁致密壳体结构(1)、空间点阵支撑-输液结构(2)、毛细发汗结构(3)三种结构依次复合而成；其中薄壁致密壳体结构层与空间点阵支撑-输液结构层之间通过增材制造一体成型，且空间点阵支撑-输液结构层中的点阵结构深入毛细发汗结构层。2.根据权利要求1所述的面向增材制造的承载-发汗一体化蒙皮结构，其特征是，薄壁致密壳体结构为构件主体的承载部分，其厚度在1.5～2mm。3.根据权利要求1所述的面向增材制造的承载-发汗一体化蒙皮结构，其特征是，所述空间点阵支撑-输液结构(2)包括双对角线型形状单元，双对角线型形状单元的二维形状为四个相同正方形拼接构成的“田”字形，“田”字形包括横、纵各3根轮廓杆件或管件或板件，以及“田”字内的两个对角线方向各4根内部结构杆件或管件或板件。4.根据权利要求3所述的面向增材制造的承载-发汗一体化蒙皮结构，其特征在于，空间点阵支撑-输液结构(2)是以双对角线型形状单元为基础，通过将二维双对角线型形状单元按照立体结构周期性空间排布，或将弯曲的双对角线型形状单元首尾相连，形成的多维度点阵构型。5.根据权利要求3或4所述的面向增材制造的承载-发汗一体化蒙皮结构，其特征在于，所述双对角线型形状单元中，单元结构的边长为2～10mm，点阵结构的基本单元由杆件、管件或板件组成，杆件的直径为0.3～1mm、管件外径与内径分别为0.3～1mm和0.2～0.6mm、板件的宽度与厚度尺寸分别为0.2～1mm和0.2～0.3mm。6.根据权利要求1所述的面向增材制造的承载-发汗一体化蒙皮结构，其特征在于，所述毛细发汗结构(3)层中包含双对角线型形状单元和毛细发汗组织，毛细发汗组织分布于由双对角线型形状单元构成的空间点阵结构的孔隙内。7.根据权利要求6所述的面向增材制造的承载-发汗一体化蒙皮结构，其特征是，所述毛细发汗组织的平均孔径为20～100μm。8.根据权利要求1所述的面向增材制造的承载-发汗一体化蒙皮结构，其特征是，所述空间点阵支撑-输液结构(2)和毛细发汗结构(3)层中均包括双对角线型形状单元，两者双对角线型形状单元的点阵结构相连。9.根据权利要求1所述的面向增材制造的承载-发汗一体化蒙皮结构，其特征是，所述承载-发汗一体化结构采用粉末床激光熔化技术或粉末床电子束技术实现其结构的一体成形；增材制造的原材料为粒径在15～200μm的钛合金、高温合金金属粉末。10.根据权利要求3所述的面向增材制造的承载-发汗一体化蒙皮结构，其特征是，所述空间点阵支撑-输液结构(2)中的杆件、管件、板件单元结构角度为0
°
、45
°
、90
°
、135
°
等，通过模型摆放的方式实现直接打印，无需添加支撑。

技术总结
本发明公开了一种面向增材制造的承载-发汗一体化蒙皮结构,其特征在于：由内而外由薄壁致密壳体结构、空间点阵支撑-输液结构、毛细发汗结构三种结构依次复合而成；其中薄壁致密壳体结构层与空间点阵支撑-输液结构层之间通过增材制造一体成型，且空间点阵支撑-输液结构层中的点阵结构深入毛细发汗结构层。具有优良的应力承受能力，发汗冷却效能高，可代替现有的高超声速飞行器被动热防护结构，可实现小型化、轻量化、远射程等目标，可降低由多种结构连接造成的失效风险。连接造成的失效风险。连接造成的失效风险。


技术研发人员：徐圣航 汤慧萍 宋春男 丁超 刘石球 杨鑫 苌成
受保护的技术使用者：浙大城市学院
技术研发日：2023.01.16
技术公布日：2023/4/25