一种仿啄木鸟头骨结构的减震起落架及制备方法

1.本发明涉及起落架技术领域，具体为一种仿啄木鸟头骨结构的减震起落架及制备方法。


背景技术：

2.起落架是飞机起飞和降落的主要承载部件，用于飞机的起降滑跑、机场滑行，在着陆和地面运动时减缓撞击，是保证飞机飞行安全的关键部位。据统计，由于起落架结构引起的和与起落架相关的事故大约占到飞机结构事故的2/3以上。随着我国航空航天事业的快速发展，起落架在减震方面的要求也愈加严苛，目前现有的减震隔振设备已经不再能满足工程的需要，且不利于飞机的轻量化设计。
3.自然界中存在许多生物，它们自身的结构具有天然的减震抗冲击特性，能完美适应高强度、高频率的撞击。啄木鸟就是一个典型的例子，啄木鸟每天都在进行高频、高速的啄木动作，却没有发生脑损伤，原因在于其特殊的头骨结构，啄木鸟的头部至少具有三级减震系统，分别是舌骨层，舌骨绕头骨一周，在最初的冲击中起到安全带的作用；松质骨层，为类海绵结构，疏松多孔，能够吸收大量的冲击能，减缓冲击力；脑脊液层，能够进一步分散冲击力，降低震波的传动。精妙的头骨结构使啄木鸟能够承受高于自身重量100倍的冲击力，免受冲击带来的损伤。


技术实现要素：

4.基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种仿啄木鸟头骨结构的减震起落架及制备方法。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
6.一种仿啄木鸟头骨结构的减震起落架，所述减震起落架主体由tial合金材料制备而成，所述减震起落架由外到内依次包含强度层、缓冲层及韧性层；
7.所述强度层仿照啄木鸟头骨的舌骨层；
8.所述缓冲层仿照啄木鸟头骨的松质骨层；
9.所述韧性层仿照啄木鸟头骨的脑脊液层。
10.进一步地，所述强度层的材料为含有ti5si3陶瓷颗粒的tial合金，其中ti5si3陶瓷颗粒浓度为5vol.％～25vol.％。
11.进一步地，所述韧性层的材料为含有nb的tial合金，其中nb
12.浓度为2at.％～28at.％。
13.进一步地，所述缓冲层包含支撑结构和填充结构，所述支撑结构为排列规则的微米级网状结构，所述微米级网状结构呈树状均匀分布，且从中心到外围依次包含多级丝状结构，从中心到外围每一级金属丝的数量呈中心对称式梯度递增，金属丝的直径随级数呈梯度递减。
14.进一步地，所述微米级网状结构中心处金属丝的直径为300μm～550μm，所述金属
丝的直径每级递减5μm～10μm，最末级金属丝的直径不小于50μm。
15.进一步地，所述微米级网状结构的制备材料为含有ti5si3陶瓷颗粒的tial合金，所述微米级网状结构之间的填充材料为含有nb的tial合金。
16.进一步地，所述起落架的三层结构采用激光选择性熔化技术(slm)进行打印。
17.进一步地，所述激光选择性熔化技术(slm)的具体步骤如下：
18.s1、通过气雾化法制备目标粉末，分别制备nb浓度为5at.％的tial合金粉末以及ti5si3浓度为10vol.％的tial合金粉末，按照比例取原料粉末，经过除油、清洗、干燥后按照原料配比在纯度不低于99.99％的氩气保护下于电炉中加热熔炼，冷却凝固后得到目标粉末，烘干待用；
19.s2、在设备的粉末库存储罐中分别装入打印强度层和缓冲层支撑结构的含有ti5si3的tial合金粉末、打印韧性层和缓冲层填充结构的含有nb的tial合金粉末，设置材料类型，自开始至结束依次是含有ti5si3的tial合金粉末、含有nb的合金粉末，并设置各层材料成型时的各种工艺参数；
20.s3、将建立好的具有三层梯度材料的减震起落架三维模型保存为stl格式，并将实体模型离散成具有一定厚度及顺序的分层切片；
21.s4、将扫描路径导入计算机系统；
22.s5、将基板预热至120℃并水平固定，在基板表面均匀铺上一层含ti5si3的tial合金粉末，将惰性气体通入保护腔体，所述惰性气体为纯度不低于99.99％的氩气；
23.s6、打印时，在工作台上方，激光头按规定路径方向运动，且垂直于工作台表面，依据所述设置的三种材料的先后顺序依次输出粉末，一层成型后，激光头运动轨迹顺时针旋转90
°
，与上一层的扫描方向垂直。循环往复，逐层堆积，分别打印减震支柱的强度层、缓冲层以及韧性层，制造出仿啄木鸟头骨结构的tial减震结构。
24.进一步地，所述三层梯度材料采用的扫描激光功率为1.0kw、扫描速率9mm/s、送粉量5.67g/min；分层高度设置为50μm。
25.本发明的有益效果：
26.1、本发明仿照啄木鸟头骨结构制备出来的起落架，具有优异的减震抗冲击能力；
27.2、本发明采用激光选择性熔化技术(slm)来制备起落架，减少了起落架内连接件的数量，省去不必要的装配步骤，减低了装配误差；材料与零件一体化成型，免去繁琐的制备步骤以及加工工艺。
附图说明
28.图1为本发明中起落架三层结构的剖面图。
具体实施方式
29.下面将结合本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
30.实施例1
31.一种仿啄木鸟头骨结构的减震起落架的制备方法主要步骤如下：
32.采用选择性激光熔融(slm)技术对起落架进行制备，实现得到在成型过程中改变粉末种类的具有梯度材料的零件，无需中途停止更换材料粉末；
33.打印成型过程主要包括打印准备、开始打印、打印结束，所述打印准备包括粉末制备、调整基板、导入文件、铺粉、洗气；所述粉末制备是通过气雾化法制备含有nb和ti5si3的tial合金粉末以及纯tial合金粉末，所述的调整基板是将基板预热并水平固定，起落架在基板上打印成型，所述的导入文件是将如图1所示的减震起落架三维模型的stl格式导入打印设备，所述的铺粉是在基板表面均匀的铺一层制备好的金属粉末，所述的洗气是在成型舱内充入保护气，所述的开始打印在打印准备结束后进行，打印过程中，激光束根据打印模型轮廓喷射在基板表面，固化基板表面的金属粉，层层打印，最终完成打印，打印结束后，将基板取出，抖出余粉，得到打印成型的减震起落架。
34.步骤一：通过气雾化法制备目标粉末，分别制备nb浓度为5at.％的tial合金粉末以及ti5si3浓度为10vol.％的tial合金粉末，按照比例取原料粉末，经过除油、清洗、干燥后按照原料配比在纯度不低于99.99％的氩气保护下于电炉中加热熔炼，冷却凝固后得到目标粉末，烘干待用；
35.步骤二：在设备的粉末库存储罐中分别装入打印强度层1和缓冲层支撑结构4的含有ti5si3的tial合金粉末、打印韧性层3和缓冲层填充结构5的含有nb的tial合金粉末，设置材料类型，自开始至结束依次是含有ti5si3的tial合金粉末、含有nb的合金粉末，并设置各层材料成型时的各种工艺参数；所述强度层1、缓冲层2、强度层3，三层梯度材料采用的扫描激光功率为1.0kw、扫描速率9mm/s、送粉量5.67g/min；分层高度设置为50μm；
36.步骤三：将建立好的如图二所示的具有三层梯度材料的减震起落架三维模型保存为stl格式，并将实体模型离散成具有一定厚度及顺序的分层切片；
37.步骤四：将扫描路径导入计算机系统；
38.步骤五：将基板预热至120℃并水平固定，在基板表面均匀铺上一层含ti5si3的tial合金粉末，将惰性气体通入保护腔体，所述惰性气体为纯度不低于99.99％的氩气；
39.步骤六：仿啄木鸟头骨结构的tial减震起落架激光增材制造
40.打印时，在工作台上方，激光头按规定路径方向运动，且垂直于工作台表面，依据所述设置的三种材料的先后顺序依次输出粉末，一层成型后，激光头运动轨迹顺时针旋转90
°
，与上一层的扫描方向垂直。循环往复，逐层堆积，分别打印打印减震支柱的强度层、缓冲层以及韧性层，制造出仿啄木鸟头骨结构的tial减震结构；
41.待打印完成后，取出成型的减震支柱零件，关闭增材制造设备。
42.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
43.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变
化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

技术特征：
1.一种仿啄木鸟头骨结构的减震起落架，其特征在于，所述减震起落架主体由tial合金材料制备而成，所述减震起落架由外到内依次包含强度层、缓冲层及韧性层；所述强度层仿照啄木鸟头骨的舌骨层；所述缓冲层仿照啄木鸟头骨的松质骨层；所述韧性层仿照啄木鸟头骨的脑脊液层。2.根据权利要求1所述的一种仿啄木鸟头骨结构的减震起落架，其特征在于，所述强度层的材料为含有ti5si3陶瓷颗粒的tial合金，其中ti5si3陶瓷颗粒浓度为5vol.％～25vol.％。3.根据权利要求1所述的一种仿啄木鸟头骨结构的减震起落架，其特征在于，所述韧性层的材料为含有nb的tial合金，其中nb浓度为2at.％～28at.％。4.根据权利要求1所述的一种仿啄木鸟头骨结构的减震起落架，其特征在于，所述缓冲层包含支撑结构和填充结构，所述支撑结构为排列规则的微米级网状结构，所述微米级网状结构呈树状均匀分布，且从中心到外围依次包含多级丝状结构，从中心到外围每一级金属丝的数量呈中心对称式梯度递增，金属丝的直径随级数呈梯度递减。5.根据权利要求4所述的一种仿啄木鸟头骨结构的减震起落架，其特征在于，所述微米级网状结构中心处金属丝的直径为300μm～550μm，所述金属丝的直径每级递减5μm～10μm。6.根据权利要求4所述的一种仿啄木鸟头骨结构的减震起落架，其特征在于，所述微米级网状结构的制备材料为含有ti5si3陶瓷颗粒的tial合金，所述微米级网状结构之间的填充材料为含有nb的tial合金。7.一种仿啄木鸟头骨结构的减震起落架的制备方法，其特征在于，所述起落架的三层结构采用激光选择性熔化技术(slm)进行打印。8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述激光选择性熔化技术(slm)的具体步骤如下：s1、通过气雾化法制备目标粉末，分别制备nb浓度为5at.％的tial合金粉末以及ti5si3浓度为10vol.％的tial合金粉末，按照比例取原料粉末，经过除油、清洗、干燥后按照原料配比在纯度不低于99.99％的氩气保护下于电炉中加热熔炼，冷却凝固后得到目标粉末，烘干待用；s2、在设备的粉末库存储罐中分别装入打印强度层和缓冲层支撑结构的含有ti5si3的tial合金粉末、打印韧性层和缓冲层填充结构的含有nb的tial合金粉末，设置材料类型，自开始至结束依次是含有ti5si3的tial合金粉末、含有nb的合金粉末，并设置各层材料成型时的各种工艺参数；s3、将建立好的具有三层梯度材料的减震起落架三维模型保存为stl格式，并将实体模型离散成具有一定厚度及顺序的分层切片；s4、将扫描路径导入计算机系统；s5、将基板预热至120℃并水平固定，在基板表面均匀铺上一层含ti5si3的tial合金粉末，将惰性气体通入保护腔体，所述惰性气体为纯度不低于99.99％的氩气；s6、打印时，在工作台上方，激光头按规定路径方向运动，且垂直于工作台表面，依据所述设置的三种材料的先后顺序依次输出粉末，一层成型后，激光头运动轨迹顺时针旋转90
°
，与上一层的扫描方向垂直。循环往复，逐层堆积，分别打印减震支柱的强度层、缓冲层
以及韧性层，制造出仿啄木鸟头骨结构的tial减震结构。9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述三层梯度材料采用的扫描激光功率为1.0kw、扫描速率9mm/s、送粉量5.67g/min；分层高度设置为50μm。

技术总结
本发明涉及起落架技术领域，具体为一种仿啄木鸟头骨结构的减震起落架及制备方法，所述减震起落架主体由TiAl合金材料制备而成，所述减震起落架由外到内依次包含强度层、缓冲层及韧性层；所述强度层仿照啄木鸟头骨的舌骨层；所述缓冲层仿照啄木鸟头骨的松质骨层；所述韧性层仿照啄木鸟头骨的脑脊液层。本发明仿照啄木鸟头骨结构制备出来的起落架，具有优异的减震抗冲击能力；本发明采用激光选择性熔化技术(SLM)来制备起落架，减少了起落架内连接件的数量，省去不必要的装配步骤，减低了装配误差；材料与零件一体化成型，免去繁琐的制备步骤以及加工工艺。及加工工艺。及加工工艺。


技术研发人员：舒世立 李越 杨扬 李恒 张俊秋 韩志武
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：2022.12.30
技术公布日：2023/4/18