一种机敏铝合金蒙皮结构及其制备方法与流程

1.本发明涉及飞行器蒙皮技术领域，具体涉及一种机敏铝合金蒙皮结构及其制备方法。


背景技术：

2.铝合金是飞行器机体结构的主要材料，其具有密度小、比强度高、成形性好、工艺成熟、资源丰富、成本低廉等优点。传统的铝合金蒙皮飞行器在2.2马赫以下飞行问题不大，但一旦速度更高，则会发生严重的气动加热外加蒙皮受到气动高压变形的问题。当飞行器加速到2.5马赫以上，传统的铝合金蒙皮会受不了，甚至会出现蒙皮撕裂的故障。目前提升铝合金蒙皮结构高温性能的方法主要是通过用耐热铝合金、颗粒增强铝基复合材料等新材料替代原有铝合金材料。
3.机敏材料是指在受外部刺激时可作出反应，以补偿相应的变化或增强预想的效果的材料。在铝合金蒙皮外表面埋入记忆合金丝，当温度升高到记忆合金的奥氏体转变温度以上时，由于记忆合金形状记忆效应会产生很大的回复应力，对周围基体产生压应力，能够进一步提升材料在高温下力学性能，具有机敏特性。当将其应用于飞行器蒙皮结构，这种增强效果可以与耐热铝合金、颗粒增强铝基复合材料等由于基体材料改进而带来的强化效果相叠加，在进一步提升蒙皮结构高温力学性能方面，具有一定的技术优势。
4.目前，将记忆合金丝埋入铝合金基体中的方法主要有粉末烧结法、压铸法、热压法等。但其均存在由于高温高压而带来的纤维损伤及材料性能下降。除了传统的加工方法外，特种加工方法也逐渐应用到此类材料的制备中。放电烧结法可快速烧结，节约能源和时间，缺点在于烧结时温度不均。搅拌摩擦法绿色环保，性能优良，但搅拌头的磨损严重以及技术的成熟度较低。超声固结法接近冷态加工，最大程度降低对记忆合金的损伤，但仅通过超声固结制备的复合材料也存在着不够致密问题。
5.因此，发明人提供了一种机敏铝合金蒙皮结构及其制备方法。


技术实现要素：

6.(1)要解决的技术问题
7.本发明实施例提供了一种机敏铝合金蒙皮结构及其制备方法，解决了如何获得合金丝排布均匀，界面结合良好，组织致密的机敏铝合金蒙皮结构的技术问题。
8.(2)技术方案
9.本发明提供了一种机敏铝合金蒙皮结构，包括铝合金板及记忆合金丝层，一层或多层所述记忆合金丝层依次逐层铺设于所述铝合金板的上端面；
10.所述记忆合金丝层包括上、下两层铝合金超薄板以及位于两者之间的记忆合金丝。
11.进一步地，所述铝合金板为2系铝合金、7系铝合金、铝锂合金、耐热铝合金中的任一种材质。
12.进一步地，所述记忆合金丝为niti记忆合金丝。
13.进一步地，所述记忆合金丝的直径为100～200μm。
14.进一步地，所述记忆合金丝的奥氏体相变点为50～150℃。
15.进一步地，当所述记忆合金丝层为多层时，相邻的两层所述记忆合金丝的方向相互垂直。
16.进一步地，每层所述记忆合金丝层中的相邻记忆合金丝的间距为100～1000μm。
17.本发明还提供了一种机敏铝合金蒙皮结构的制备方法，包括以下步骤：
18.分别对记忆合金丝、铝合金板及铝合金超薄板进行表面处理；
19.将多个记忆合金丝按设定间距进行排布并固定形成记忆合金丝布；
20.通过超声固结将所述记忆合金丝布、所述铝合金超薄板制备成所述记忆合金丝层；
21.将至少一层所述记忆合金丝层以设定角度逐层超声固结到所述铝合金板。
22.进一步地，所述将多个记忆合金丝按设定间距进行排布并固定形成记忆合金丝布，具体为：
23.通过数控纤维缠绕机将记忆合金丝按设定间距进行排布，通过压缩空气将聚甲基丙烯酸甲脂的丙酮溶液喷洒于每个记忆合金丝上，将所有记忆合金丝固定形成所述记忆合金丝布。
24.进一步地，所述通过超声固结将所述记忆合金丝布、所述铝合金超薄板制备成所述记忆合金丝层后，还包括：
25.对所述记忆合金丝层依次进行轧制、上下表面的打磨。
26.(3)有益效果
27.综上，本发明通过在铝合金板的表面铺设记忆合金丝的形状记忆效应，在基体中引入压应力从而提升基体铝合金高温下的力学性能，使蒙皮结构具有机敏特性，能够感知环境温度而主动增强，且此增强效果能够与改变铝合金成分组织等其他改善铝合金高温力学性能的途径带来的增强效果相叠加。另一方面，其构制备方法在制备的全过程无高温，可以最大程度降低对niti记忆合金丝的损伤，保证材料力学性能；所制备出的机敏铝基复合材料组织致密，界面结合良好；可灵活的进行层合板中纤维角度的设计，制备多角度合金丝排布机敏铝基复合材料。
附图说明
28.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
29.图1是本发明实施例提供的记忆合金丝层埋入铝合金板的结构示意图；
30.图2是本发明实施例提供的一种机敏铝合金蒙皮结构的剖视图；
31.图3是本发明实施例提供的一种机敏铝合金蒙皮结构的整体示意图；
32.图4是本发明实施例提供的一种机敏铝合金蒙皮结构的制备方法的流程示意图；
33.图5是本发明实施例提供的一种机敏铝合金蒙皮结构的制备方法的工艺图。
34.图中：
35.1-铝合金板；2-记忆合金丝层。
具体实施方式
36.下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。
37.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本技术。
38.图1是本发明实施例提供的一种机敏铝合金蒙皮结构的结构示意图，如图1-3所示，该蒙皮结构可以包括铝合金板1及记忆合金丝层2，一层或多层记忆合金丝层2依次逐层铺设于铝合金板1的上端面；
39.记忆合金丝层3包括上、下两层铝合金超薄板以及位于两者之间的记忆合金丝。
40.在上述实施方式中，通过在铝合金板1的外表面上铺设指定间距与角度的niti记忆合金丝，提升蒙皮结构的高温力学性能，使飞行器在较高速度下仍能够正常服役。
41.作为一种可选的实施方式，铝合金板1为2系铝合金、7系铝合金、铝锂合金、耐热铝合金中的任一种材质。其中，对于铝合金板1的具体材质不做限定，根据实际需求进行选取。
42.作为一种可选的实施方式，记忆合金丝为niti记忆合金丝。其中，niti记忆合金丝是目前比较主流的记忆合金之一，其他成分的记忆合金丝也可以。
43.作为一种可选的实施方式，记忆合金丝的直径为100～200μm。其中，目前受工艺所限，制备100微米以下niti记忆合金丝较难，若记忆合金丝更粗，如大于200微米，会极大程度提升超声固结难度，降低固结效果。
44.作为一种可选的实施方式，记忆合金丝的奥氏体相变点为50～150℃。其中，直径为100～200μm的niti记忆合金丝需经相变点温度下5％～10％预变形。
45.作为一种可选的实施方式，当记忆合金丝层2为多层时，相邻的两层记忆合金丝的方向相互垂直。其中，相互垂直能够尽量减弱性能的各向异形，在各个方向都有一定的强化效果。
46.作为一种可选的实施方式，每层记忆合金丝层2中的相邻记忆合金丝的间距为100～1000μm。其中，当间距小于100μm时，合金丝间的间距较小处容易接触；当间距大于1000μm时，合金丝体积分数较小，增强效果较弱。
47.图4是本发明实施例提供的一种机敏铝合金蒙皮结构的制备方法的流程示意图，该方法可以包括以下步骤：
48.s100、分别对记忆合金丝、铝合金板及铝合金超薄板进行表面处理；
49.s200、将多个记忆合金丝按设定间距进行排布并固定形成记忆合金丝布；
50.s300、通过超声固结将记忆合金丝布、铝合金超薄板制备成记忆合金丝层；
51.s400、将至少一层记忆合金丝层以设定角度逐层超声固结到铝合金板。
52.在上述实施方式中，通过超声固结结合轧制的机敏铝基复合材料制备方法，全程无高温，能够获得致密组织，是一种绿色、低成本、高效的制备方法。通过单层niti记忆合金
丝预制超薄板(即记忆合金丝层)的制备，将多层记忆合金丝埋入问题简化为单层记忆合金丝埋入问题。无前一层记忆合金丝的影响，后续多层预制超薄板的固结同基体薄板的固结，不受内部合金丝的影响，可有效改善界面结合，增加组织致密性。在蒙皮结构制备的同时对基体中的niti记忆合金丝施加预应变，赋予材料机敏特性。
53.具体地，步骤s100中，将niti记忆合金丝用35％hno3+3％hf+62％h2o腐蚀剂进行酸洗；将铝合金板及铝合金超薄板用丙酮进行表表面处理，并用工业百洁布进行打磨。
54.步骤s300中，超声固结工艺为：超声振幅20～50μm、法向压力1～3kn。
55.步骤s400中，超声固结工艺为：超声振幅20～50μm、法向压力1～3kn。
56.作为一种可选的实施方式，步骤s200中，将多个记忆合金丝按设定间距进行排布并固定形成记忆合金丝布，具体为：
57.通过数控纤维缠绕机将记忆合金丝按设定间距进行排布，通过压缩空气将聚甲基丙烯酸甲脂的丙酮溶液喷洒于每个记忆合金丝上，将所有记忆合金丝固定形成记忆合金丝布。
58.作为一种可选的实施方式，步骤s300，通过超声固结将记忆合金丝布、铝合金超薄板制备成记忆合金丝层后，还包括：对记忆合金丝层依次进行轧制、上下表面的打磨。
59.具体地，将单层记忆合金丝层于包套中进行轧制，通过轧制对niti记忆合金丝施加预应变并弥合界面孔洞。轧制温度室温、压下量5％～20％，轧制方向平行于合金丝方向；通过砂轮将轧制后的单层记忆合金丝层进行上下表面的打磨，获得厚度为200～300μm复合材料超薄板。
60.实施例1
61.本实施例选用直径100微米、奥氏体相变点为100℃的niti记忆合金丝、厚度为300μm的2024铝合金超薄板以及厚度为2mm的2024铝合金板。如图5所示，具体工艺过程如下：
62.(1)原材料表面处理
63.将niti记忆合金丝用35％hno3+3％hf+62％h2o腐蚀剂进行酸洗；将2024铝合金板及铝合金超薄板用丙酮进行表表面处理，并用工业百洁布进行打磨。
64.(2)niti记忆合金丝预制布编织
65.通过数控纤维缠绕机将记忆合金丝按指定间距300μm进行排布，通过压缩空气将聚甲基丙烯酸甲脂的丙酮溶液(pmma胶)喷洒于合金丝上，将合金丝固定(超声固结区域不使用粘结剂)，形成合金丝布。
66.(3)单层合金丝预制超薄板制备
67.通过超声固结制备铝合金超薄板-记忆合金丝-铝合金超薄板结构，超声固结工艺为：超声振幅50μm、法向压力3kn；将单层记忆合金丝预制薄板于包套中进行轧制，通过轧制对niti记忆合金丝施加预应变并弥合界面孔洞。轧制温度室温、压下量10％，轧制方向平行于记忆合金丝方向；通过砂轮将轧制后的单层记忆合金丝预制薄板进行上下表面的打磨，获得厚度为300μm复合材料超薄板。
68.(4)机敏铝基复合材料制备
69.将3层记忆合金丝预制薄板以设计的角度(相邻两层niti记忆合金丝角度相垂直)逐层固结到铝合金板上，超声固结工艺为：超声振幅30μm、法向压力2kn；随后，将层合板进行轧制致密化，轧制压下量10％。
70.(5)机敏铝基复合材料蒙皮结构成形
71.将机敏铝基复合材料板材通过压弯成形制备出机敏蒙皮结构。经两次轧制及成形后，niti记忆合金丝应变量在5％～10％之间。
72.需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。
73.以上仅为本技术的实施例而已，并不限制于本技术。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的权利要求范围内。

技术特征：
1.一种机敏铝合金蒙皮结构，其特征在于，包括铝合金板(1)及记忆合金丝层(2)，一层或多层所述记忆合金丝层(2)依次逐层铺设于所述铝合金板(1)的上端面；所述记忆合金丝层(3)包括上、下两层铝合金超薄板以及位于两者之间的记忆合金丝。2.根据权利要求1所述的机敏铝合金蒙皮结构，其特征在于，所述铝合金板(1)为2系铝合金、7系铝合金、铝锂合金、耐热铝合金中的任一种材质。3.根据权利要求1所述的机敏铝合金蒙皮结构，其特征在于，所述记忆合金丝为niti记忆合金丝。4.根据权利要求1所述的机敏铝合金蒙皮结构，其特征在于，所述记忆合金丝的直径为100～200μm。5.根据权利要求1所述的机敏铝合金蒙皮结构，其特征在于，所述记忆合金丝的奥氏体相变点为50～150℃。6.根据权利要求1所述的机敏铝合金蒙皮结构，其特征在于，当所述记忆合金丝层(2)为多层时，相邻的两层所述记忆合金丝的方向相互垂直。7.根据权利要求1所述的机敏铝合金蒙皮结构，其特征在于，每层所述记忆合金丝层(2)中的相邻记忆合金丝的间距为100～1000μm。8.一种如权利要求1-7中任一项所述的机敏铝合金蒙皮结构的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：分别对记忆合金丝、铝合金板及铝合金超薄板进行表面处理；将多个记忆合金丝按设定间距进行排布并固定形成记忆合金丝布；通过超声固结将所述记忆合金丝布、所述铝合金超薄板制备成所述记忆合金丝层；将至少一层所述记忆合金丝层以设定角度逐层超声固结到所述铝合金板。9.根据权利要求8所述的机敏铝合金蒙皮结构的制备方法，其特征在于，所述将多个记忆合金丝按设定间距进行排布并固定形成记忆合金丝布，具体为：通过数控纤维缠绕机将记忆合金丝按设定间距进行排布，通过压缩空气将聚甲基丙烯酸甲脂的丙酮溶液喷洒于每个记忆合金丝上，将所有记忆合金丝固定形成所述记忆合金丝布。10.根据权利要求8所述的机敏铝合金蒙皮结构的制备方法，其特征在于，所述通过超声固结将所述记忆合金丝布、所述铝合金超薄板制备成所述记忆合金丝层后，还包括：对所述记忆合金丝层依次进行轧制、上下表面的打磨。

技术总结
本发明涉及一种机敏铝合金蒙皮结构，包括铝合金板及记忆合金丝层，一层或多层记忆合金丝层依次逐层铺设于铝合金板的上端面；记忆合金丝层包括上、下两层铝合金超薄板以及位于两者之间的记忆合金丝。本发明还涉及一种机敏铝合金蒙皮结构的制备方法。该机敏铝合金蒙皮结构及其制备方法的目的是解决如何获得合金丝排布均匀，界面结合良好，组织致密的机敏铝合金蒙皮结构的问题。金蒙皮结构的问题。金蒙皮结构的问题。


技术研发人员：刘文祎 王耀奇 张宁 韩玉杰 牛涛
受保护的技术使用者：中国航空制造技术研究院
技术研发日：2023.01.04
技术公布日：2023/4/17