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金属蜂窝壁板钎焊制造技术:先进技术 新型结构

作者:归来科技 来源:原创 发布时间:2019-10-7 浏览量:


为适应现代和未来飞机向高速化、机动化、隐形化方向发展的趋势,对飞机用结构材料的性能提出了更高的要求,金属蜂窝壁板结构作为一种新型轻质耐高温结构受到越来越多的关注。

金属蜂窝壁板结构由上下薄面板及中间蜂窝芯体整体钎焊而成,如图1所示。

图2 钛合金用新型钎料

图1  典型蜂窝壁板结构示意图

金属蜂窝壁板结构综合性能十分突出,主要特点如下:

质轻。由于蜂窝是一种多孔的不连续材料,实体部分的截面积很小,因此蜂窝密度小,质量轻。

比强度、比刚度高。对蜂窝壁板结构来说,实际上相当于大量的工字梁结构的集合,蜂窝芯相当于工字梁的腹板,蜂窝面板相当于工字梁的翼板,因此蜂窝壁板结构具有很高的抗压能力。由于蜂窝芯的高度比面板高出很多倍,面板有蜂窝芯的支持,蜂窝壁板的刚度随之成三次方增大,因此蜂窝剪切强度大,稳定性好。

抗冲击性能好。当金属蜂窝壁板结构受到高速冲击时,在撞击瞬间产生了纵向和横向冲击波,纵向冲击波沿蜂窝芯体的轴线方向传递,而沿蜂窝芯体轴线,蜂窝芯体具有非常好抗压和减振性能,可以有效地缓解沿纵向的冲击变形,防止整个结构被击穿。横向冲击波促使蜂窝芯体发生变形,而蜂窝芯体为空心结构,不连续,会不断吸收、衰减冲击能量,从而使整个结构的横向发生变形的速度远小于材料中纵向的传递速度,有效减少冲击损伤面积的扩展。

隔热性能好。当热流施加到金属蜂窝壁板表面时,蒙皮表面将大部分热量辐射回大气环境,其余热量以热传导方式进入蜂窝壁板结构,由于蜂窝芯与面板连接成整体后,在蜂窝壁板内形成了无数个接近真空的密闭六角柱形空间,使热量无法以对流的形式进行,只能以芯格壁的热传导和芯格壁内的辐射方式进行,由于芯格壁非常薄,仅占实体材料的1%~3%,因此在接近真空的密闭六角形空间的隔热性能优于任何金属材料。

消音降噪性能好。消音蜂窝结构一般由穿孔板、纤维丝织物、蜂窝芯及实体板整体连接而成,当声波通过穿孔板和多孔纤维丝织物进入蜂窝芯体结构,并在底部面板和蜂窝芯格间产生反射,多孔纤维毡对反射声波产生阻尼作用,继续产生的入射波与反射波相互抵消,另外声波与面板、纤维丝织物、蜂窝芯格壁产生摩擦将声能转化成热能降低噪音,从而使周围环境噪音降低到正常水平。

正是由于金属蜂窝壁板结构具有质轻,比强度、比刚度高,耐高温、耐腐蚀,消音、隔热等优异性能,在航空航天领域被广泛认可和大量应用,已应用于飞机机身、机翼、发动机舱门、发动机短舱等部位。如俄罗斯“70型”飞机的防火隔墙上采用了面积达30m2的钛合金蜂窝壁板结构,每块尺寸达到2000mm×1000mm,蜂窝芯体及蒙皮材料均为BT6钛合金,蜂窝芯壁厚为0.08mm,芯格尺寸为8mm,芯格高度为15mm,蒙皮厚度为0.5~2.0mm,采用钎焊方法连接。采用钛合金蜂窝壁板结构的防火隔墙使整个结构重量降低30%,减少机加与装配工时40%,材料利用率提高到70%。美国F-22“猛禽”发动机左右前后共四个舱门均采用了钛合金蜂窝壁板结构,左右两个前舱门尺寸为1.22m×0.762m,左右两个后舱门尺寸为1.83m×1.22m。X-38方向舵则采用钎焊氧化物弥散强化高温合金蜂窝壁板结构,使用温度可以达到1200℃。波音737、747、777、787,空客A320、A330、A380,C-17等飞机翼吊发动机短舱尾喷口部位采用了不同材料(如不锈钢、钛合金、高温合金等)消音蜂窝壁板结构。

针对金属蜂窝壁板结构钎焊制造技术,北京航空制造工程研究所依托各类基金和预研及攻关课题,攻克了金属蜂窝壁板结构研制过程中的几大难题:

金属蜂窝芯体型面精密加工技术。由于金属蜂窝芯体结构壁薄、刚性差,采用传统的机械切削加工方法来加工,被切削的蜂窝孔易产生倒伏变形而损坏芯格,无法保证蜂窝芯体外形加工精度和表面质量,从而影响后续零件的整体钎焊。项目组从蜂窝结构本身的特殊性、加工工艺优化等方面出发,经大量工艺试验,成功解决了蜂窝芯型面加工过程中的倒边问题,提高了蜂窝精度型面加工精度,目前蜂窝芯体型面加工尺寸精度可达±0.1mm,能够很好地满足后续钎焊装配要求。

高强、高韧非晶钛基钎焊料的研制开发。钛元素的化学活度较大,在钎焊过程中钛原子极易扩散,尽管有利于钎焊界面的形成,但界面极易形成钛元素相关金属间化合物,成为钎焊接头脆化的隐患所在。项目组基于Pauling的价键理论和能带理论提出的固体与电子理论,从原子间成键的角度,对钛合金钎料成分选择进行了理论计算,同时结合热力学手段,研究了钎料合金的热力学性质,为钛合金薄壁结构用钎料最优成分范围的确定以及钎焊工艺的制定提供理论依据。图2所示为开发的钎料,该钎料可制备成非晶状态,具有高强度、高韧性等性能优势,极大地提高了钛合金蜂窝薄壁结构钎焊接头的塑韧性,目前已将其应用于重点型号产品上。

大面积复杂型面金属蜂窝壁板结构焊接质量控制。对于金属蜂窝壁板结构,焊接质量是其最关键技术指标,对于目前型号中研制的金属蜂窝壁板零件,不仅结构尺寸大,而且型面都非常复杂,由于采用整体钎焊方法制造,蜂窝芯体与内蒙皮间连接界面多,钎焊过程要求装配间隙小于0.1mm,要使整个零件的焊合率、外表面质量及蜂窝区和板板区性能三方面技术指标均达到设计要求难度大。项目组从提高蜂窝芯体型面加工尺寸精度、蒙皮成形尺寸精度,反复优化钎焊工装设计方案,协调蒙皮、蜂窝芯体及钎焊工装之间装配关系等方面反复开展验证试验,使整个结构的焊合率达到90%以上,成功解决了型号研制中金属蜂窝壁板结构焊合率低的问题,实现了大面积、大曲率钛合金蜂窝壁板结构的可靠钎焊。

目前已具备的技术能力如下:不同材料的金属蜂窝壁板结构的制造,如不锈钢、各类钛合金、Ti-Al金属间化合物以及各类高温合金材料等;各类大型、异形蜂窝芯体的制造,蜂窝芯体规格范围可达:芯格尺寸0.8mm~12.8mm,芯格壁厚0.05~0.12m,芯格高度5mm~180mm;各类大型、异形蜂窝壁板结构的制造及检测,目前可研制金属蜂窝壁板结构产品最大尺寸规格可达2600mm×1200mm×180mm;可用于制造飞机机身壁板、口盖、防火墙、操纵面、金属热防护、消音、吸能、减振及抗冲击结构等。

经过近十年的基础研究和技术攻关工作,形成了金属蜂窝壁板结构制造相关技术标准和体系,建立了金属蜂窝壁板结构生产线,制造的金属蜂窝壁板结构产品已在我国大飞机等多个型号上得到了应用。未来,随着金属蜂窝壁板结构制造技术成熟度的不断提升和武器装备设计水平的提高,该技术可在航空、航天、导弹、船舶、列车等领域得到更广泛的应用,发挥它具备的独特性能。

作者简介:

李晓红,研究员、硕士研究生导师,中航工业焊接技术特级专家。现任北京航空制造工程研究所副总工程师兼航空发动机工艺研究室主任,航空焊接与连接技术航空科技重点实验室副主任,国家钎焊标准委员会委员。长期从事钛合金、高温合金等新材料与新结构的先进焊接技术研究及工程应用研究,先后承担或主持完成了包括预先研究、基础科研、重点型号技术攻关等多项重大项目和重点项目,开发了活性焊剂焊接、金属蜂窝壁板结构研制等技术方向,荣获国防和集团科技成果奖十余项,发表论文二十余篇,申报发明专利10余项。

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