熔模铸造点阵夹芯板的制备与力学特性研究

发布时间：2016-05-13 10:27

第 1 章 绪论

由于航天器特殊的工作环境和执行任务使得其具备特殊的力学性能要求：轻质高强、构型最佳、优良的隔热减震性能、电子屏蔽和智能监控的能力等。传统航天器为了满足高强与隔热的双重要求，一般的结构设计概念为将其结构系统和散热系统分离开来，这样会增加飞行器的总体质量，违背了轻质的原则。点阵夹芯结构能有效的解决上述问题。点阵夹芯结构是在考虑结构、材料和性能等多方面因素后提出的一种新型的结构，其具有优良的力学性能和实用功能，能满足上述航天器的诸多要求[1-3]。它是在模拟分子单胞的有序排列基础上得到的一种拓扑轻型多孔材料。点阵材料的结构特点是二维或三维的网架结构，网架之间的通道没有填充可以承载的结构。这样的设计既可以实现超轻的结构特点，又可以提高结构的比强度和比模量，使得点阵夹芯材料在同等的质量下具有比金属泡沫结构更优良的力学性能[4,5]；网架之间的空隙又可以填充不同的材料从而实现不同的功能性要求，材料具有的多孔特点则可以实现对流换热从而实现对温度的有效控制[6-8]； 网架结构具有的独特伸展性能使其制动、促动和阻尼震动研究得到很大关注[9]；同时点阵结构具有良好的降噪、屏蔽辐射以及抗冲击碰撞吸能效果。
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第 2 章 实验方法和实验材料

2.1 熔模铸造方法和实验材料
本文采用熔模铸造法制备点阵夹芯板，熔模铸造是一种精密铸造，用来制备表面精度高、结构复杂的铸件。由于点阵夹芯板内部芯子的复杂结构，熔模铸造是制备夹芯板的常用方法。熔模铸造的关键步骤为蜡模和陶瓷型壳的制备。陶瓷型壳又决定着合金铸件的质量，因此制备质量与性能优异的陶瓷型壳是制备夹芯板的关键。而陶瓷型壳的关键在于适当的粉粒粒度、优良的浆料性能以及良好的粘结剂质量。图 2-1 是制备陶瓷型壳的主要流程。本文中夹芯板蜡料为 WM114 型蜡料，这种蜡料具有变形收缩小的优点，且灰分少，但是其软化点较高，浇注系统部分使用自制蜡料，这种蜡料软化点低，熔化温度为 70-80℃，但是室温下强度高、易成型，更好的满足实验条件。利用电烙铁将夹芯板与浇注系统蜡模焊接在一起，要保证焊接处平整，使得后期制备型壳时型壳内表面圆滑平整，避免铸件产生应力集中。

2.2 合金的熔炼、浇注
本文制备的是镍基高温合金 In718 夹芯板。熔炼时采用 RVIM-3 真空感应熔炼炉进行熔炼。坩埚选用氧化镁坩埚，浇注方式选用重力浇注。熔炼之前需要的准备工作如下。(1)使用干打法进行坩埚炉衬的制备，将制备好的坩埚放入熔炼炉中进行烧结。先用小功率进行预热、烘干，避免坩埚热胀出现裂纹，再使用大功率进行烧结。(2)造型。将型壳放入保温桶中进行造型，在型壳外部覆盖一层目数较大的氧化锆与水玻璃混合的浆料，增加型壳的强度，防止浇注过程中型壳的胀裂，氧化锆与水玻璃的混合比例为 100:7.然后在桶中填满沙子，固定型壳，放入加热炉中进行加热，先是 400℃保温 24h，然后 700℃保温 7h。(3)配备原材料。根据 In718 的合金成分，进行原材料的准备，需要准备的合金包括 Ni，Fe，Cr，Al，Mo 和 Ti。使用酒精、丙酮等溶剂进行金属的清洗。将清洗干净的金属放入炉中进行 1h 保温，温度为 150℃，目的为干燥金属，除去表面水分。(4)装料。装料的原则为上紧下松。将小块的 Cr、Ti、Al 放在坩埚的底部，而大块的 Ni、Fe 以及高熔点的 Mo 放在坩埚的高温区。前期准备工作结束后便是合金的熔炼及浇注。熔炼时先使用小功率进行预热，防止金属的瞬间熔化，然后使用大功率进行熔化保温，最后进行合金的浇注，浇注时浇注速率要适当，速度过大会由于内部气压过大而导致金属飞溅，速度过小则会因为浇注压头过小以及流动速度慢，金属冷却速度快而导致充型效果不佳。

第 3 章 点阵夹芯板平压及剪切性能理论分析 ..............................16

3.1 夹芯板和芯子的相对密度.............................. 16

3.2 夹芯板的等效平压强度与等效模量 ............................... 18

第 4 章 力学性能模拟.................................27

4.1 刚性面板时夹芯板的平压剪切性能 .................................. 27

结 论.................................71

第 4 章 力学性能模拟

4.1 刚性面板时夹芯板的平压剪切性能
如图所示，芯子应力最大处位于杆件的铰接部位，最大应力值达到 2.94GPa，远远超过了材料的屈服应力值。杆件与上下面板的接触部位也是应力集中较大区域，此处最大应力值达到了 2.5GPa。与相同芯子相对密度的四面体相比，Kagome 型夹芯板的最大应力较小。分析其余六种芯子相对密度的 Kagome 型夹芯板分别在 1291140N、2025342N、4409856N、5715648N、8011008N 和 8028405N集中载荷下的变形情况。图 4-4 是芯子杆件的应力分布图。由图 4-4 可以看出Kagome 型夹芯板假设面板为刚性面板时，平压载荷下应力最大处位于杆件铰接部位，是最容易遭到破坏的部位，应力值可达 2.5GPa 甚至 3.5GPa 以上，应力值远远超过材料的屈服应力值。同时杆件与上下面板的接触部位也是应力集中程度较大的部位，其应力值也基本上达到 2GPa 甚至 2.5GPa，也远远超过了材料的屈服应力值。杆件的中间部位是应力较小的部位，这些区域的应力值基本上均未达到材料的屈服应力。

4.2 弹性面板时夹芯板的平压剪切性能
在模拟时，将板设定为 z 轴及垂直于面板的方向上没有自由度，在上面板上施加计算得到的理论等效平压强度。由于材料的屈服强度为 1172MPa，这里将模拟得到的应力分布图中深蓝色与浅蓝色的分界线定为 1172MPa，即应力图中颜色最深的蓝色区域为应力最小的部分，未达到屈服应力的区域，其余部分这是其应力达到了屈服应力，这样便可以清晰地看出计算得到的理论等效平压强度与实际等效平压强度的关系。在平压模拟的所有结果中，将应力最小的五种颜色表示的应力范围对应一致，应力范围分别为：夹芯板整体的应力分布范围 min-1172MPa、1172MPa-2364MPa、2364MPa-3376MPa、3376MPa-5138MPa，杆 件 的 应 力 分 布 范 围 设 定 为 min-1172MPa 、 1172MPa-1589MPa 、1589MPa-1979MPa、1979MPa-2136MPa，将应力范围一致化便于发现不同结构和不同相对密度在理论强度下的应力分布规律，观察相对密度、结构和面板厚度对于应力变化的影响。
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结 论

在等效平压强度和等效剪切强度模型中引入应力集中因素，，模拟结果表明，当面板为刚性面板时，四面体型、Kagome 型和金字塔型点阵夹芯板的理论等效平压强度是实际等效平压强度的 3 倍、2.5 倍和 3 倍；四面体型、Kagome型和金字塔型点阵夹芯板理论等效剪切强度是实际等效剪切强度的 3 倍、1.6倍和 3.2 倍。施加平压载荷时，Kagome 型夹芯板芯子的最大应力位置为芯子与面板的连接处或者芯子的铰接部位，当面板厚度较小时位于芯子与面板的连接部位，当面板厚度较大或面板为刚性时位于芯子的铰接处；而四面体型夹芯板和金字塔型夹芯板芯子最大应力则位于芯子与面板的接触部位。施加剪切载荷时，四面体型和金字塔型夹芯板的芯子最大应力位于与上面板的接触部位；而对于 Kagome 型夹芯板，当面板为弹性面板时芯子最大应力位于与上面板的连接部位，当面板为刚性面板时位于芯子的铰接部位。
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参考文献（略）

本文编号：44631