蜂窩芯:先進(jìn)技術(shù) 新型結構
核心提示: 為適應現代和未來(lái)飛機向高速化、機動(dòng)化、隱形化方向發(fā)展的趨勢,對飛機用結構材料的性能提出了更高的要求,金屬蜂窩壁板結構作為一種新型輕質(zhì)耐高溫結構受到越來(lái)越多的關(guān)注。
為適應現代和未來(lái)飛機向高速化、機動(dòng)化、隱形化方向發(fā)展的趨勢,對飛機用結構材料的性能提出了更高的要求,金屬蜂窩壁板結構作為一種新型輕質(zhì)耐高溫結構受到越來(lái)越多的關(guān)注。
金屬蜂窩壁板結構由上下薄面板及中間蜂窩芯體整體釬焊而成,
金屬蜂窩壁板結構綜合性能十分突出,主要特點(diǎn)如下:
質(zhì)輕。由于蜂窩是一種多孔的不連續材料,實(shí)體部分的截面積很小,因此蜂窩密度小,質(zhì)量輕。
比強度、比剛度高。對蜂窩壁板結構來(lái)說(shuō),實(shí)際上相當于大量的工字梁結構的集合,蜂窩芯相當于工字梁的腹板,蜂窩面板相當于工字梁的翼板,因此蜂窩壁板結構具有很高的抗壓能力。由于蜂窩芯的高度比面板高出很多倍,面板有蜂窩芯的支持,蜂窩壁板的剛度隨之成三次方增大,因此蜂窩剪切強度大,穩定性好。
抗沖擊性能好。當金屬蜂窩壁板結構受到高速沖擊時(shí),在撞擊瞬間產(chǎn)生了縱向和橫向沖擊波,縱向沖擊波沿蜂窩芯體的軸線(xiàn)方向傳遞,而沿蜂窩芯體軸線(xiàn),蜂窩芯體具有非常好抗壓和減振性能,可以有效地緩解沿縱向的沖擊變形,防止整個(gè)結構被擊穿。橫向沖擊波促使蜂窩芯體發(fā)生變形,而蜂窩芯體為空心結構,不連續,會(huì )不斷吸收、衰減沖擊能量,從而使整個(gè)結構的橫向發(fā)生變形的速度遠小于材料中縱向的傳遞速度,有效減少沖擊損傷面積的擴展。
隔熱性能好。當熱流施加到金屬蜂窩壁板表面時(shí),蒙皮表面將大部分熱量輻射回大氣環(huán)境,其余熱量以熱傳導方式進(jìn)入蜂窩壁板結構,由于蜂窩芯與面板連接成整體后,在蜂窩壁板內形成了無(wú)數個(gè)接近真空的密閉六角柱形空間,使熱量無(wú)法以對流的形式進(jìn)行,只能以芯格壁的熱傳導和芯格壁內的輻射方式進(jìn)行,由于芯格壁非常薄,僅占實(shí)體材料的1%~3%,因此在接近真空的密閉六角形空間的隔熱性能優(yōu)于任何金屬材料。
消音降噪性能好。消音蜂窩結構一般由穿孔板、纖維絲織物、蜂窩芯及實(shí)體板整體連接而成,當聲波通過(guò)穿孔板和多孔纖維絲織物進(jìn)入蜂窩芯體結構,并在底部面板和蜂窩芯格間產(chǎn)生反射,多孔纖維氈對反射聲波產(chǎn)生阻尼作用,繼續產(chǎn)生的入射波與反射波相互抵消,另外聲波與面板、纖維絲織物、蜂窩芯格壁產(chǎn)生摩擦將聲能轉化成熱能降低噪音,從而使周?chē)h(huán)境噪音降低到正常水平。
正是由于金屬蜂窩壁板結構具有質(zhì)輕,比強度、比剛度高,耐高溫、耐腐蝕,消音、隔熱等優(yōu)異性能,在航空航天領(lǐng)域被廣泛認可和大量應用,已應用于飛機機身、機翼、發(fā)動(dòng)機艙門(mén)、發(fā)動(dòng)機短艙等部位。如俄羅斯“70型”飛機的防火隔墻上采用了面積達30m2的鈦合金蜂窩壁板結構,每塊尺寸達到2000mm×1000mm,蜂窩芯體及蒙皮材料均為BT6鈦合金,蜂窩芯壁厚為0.08mm,芯格尺寸為8mm,芯格高度為15mm,蒙皮厚度為0.5~2.0mm,采用釬焊方法連接。采用鈦合金蜂窩壁板結構的防火隔墻使整個(gè)結構重量降低30%,減少機加與裝配工時(shí)40%,材料利用率提高到70%。美國F-22“猛禽”發(fā)動(dòng)機左右前后共四個(gè)艙門(mén)均采用了鈦合金蜂窩壁板結構,左右兩個(gè)前艙門(mén)尺寸為1.22m×0.762m,左右兩個(gè)后艙門(mén)尺寸為1.83m×1.22m。X-38方向舵則采用釬焊氧化物彌散強化高溫合金蜂窩壁板結構,使用溫度可以達到1200℃。波音737、747、777、787,空客A320、A330、A380,C-17等飛機翼吊發(fā)動(dòng)機短艙尾噴口部位采用了不同材料(如不銹鋼、鈦合金、高溫合金等)消音蜂窩壁板結構。
針對金屬蜂窩壁板結構釬焊制造技術(shù),北京航空制造工程研究所依托各類(lèi)基金和預研及攻關(guān)課題,攻克了金屬蜂窩壁板結構研制過(guò)程中的幾大難題:
金屬蜂窩芯體型面精密加工技術(shù)。由于金屬蜂窩芯體結構壁薄、剛性差,采用傳統的機械切削加工方法來(lái)加工,被切削的蜂窩孔易產(chǎn)生倒伏變形而損壞芯格,無(wú)法保證蜂窩芯體外形加工精度和表面質(zhì)量,從而影響后續零件的整體釬焊。項目組從蜂窩結構本身的特殊性、加工工藝優(yōu)化等方面出發(fā),經(jīng)大量工藝試驗,成功解決了蜂窩芯型面加工過(guò)程中的倒邊問(wèn)題,提高了蜂窩精度型面加工精度,目前蜂窩芯體型面加工尺寸精度可達±0.1mm,能夠很好地滿(mǎn)足后續釬焊裝配要求。
高強、高韌非晶鈦基釬焊料的研制開(kāi)發(fā)。鈦元素的化學(xué)活度較大,在釬焊過(guò)程中鈦原子極易擴散,盡管有利于釬焊界面的形成,但界面極易形成鈦元素相關(guān)金屬間化合物,成為釬焊接頭脆化的隱患所在。項目組基于Pauling的價(jià)鍵理論和能帶理論提出的固體與電子理論,從原子間成鍵的角度,對鈦合金釬料成分選擇進(jìn)行了理論計算,同時(shí)結合熱力學(xué)手段,研究了釬料合金的熱力學(xué)性質(zhì),為鈦合金薄壁結構用釬料最優(yōu)成分范圍的確定以及釬焊工藝的制定提供理論依據。圖2所示為開(kāi)發(fā)的釬料,該釬料可制備成非晶狀態(tài),具有高強度、高韌性等性能優(yōu)勢,極大地提高了鈦合金蜂窩薄壁結構釬焊接頭的塑韌性,目前已將其應用于重點(diǎn)型號產(chǎn)品上。
大面積復雜型面金屬蜂窩壁板結構焊接質(zhì)量控制。對于金屬蜂窩壁板結構,焊接質(zhì)量是其最關(guān)鍵技術(shù)指標,對于目前型號中研制的金屬蜂窩壁板零件,不僅結構尺寸大,而且型面都非常復雜,由于采用整體釬焊方法制造,蜂窩芯體與內蒙皮間連接界面多,釬焊過(guò)程要求裝配間隙小于0.1mm,要使整個(gè)零件的焊合率、外表面質(zhì)量及蜂窩區和板板區性能三方面技術(shù)指標均達到設計要求難度大。項目組從提高蜂窩芯體型面加工尺寸精度、蒙皮成形尺寸精度,反復優(yōu)化釬焊工裝設計方案,協(xié)調蒙皮、蜂窩芯體及釬焊工裝之間裝配關(guān)系等方面反復開(kāi)展驗證試驗,使整個(gè)結構的焊合率達到90%以上,成功解決了型號研制中金屬蜂窩壁板結構焊合率低的問(wèn)題,實(shí)現了大面積、大曲率鈦合金蜂窩壁板結構的可靠釬焊。
目前已具備的技術(shù)能力如下:不同材料的金屬蜂窩壁板結構的制造,如不銹鋼、各類(lèi)鈦合金、Ti-Al金屬間化合物以及各類(lèi)高溫合金材料等;各類(lèi)大型、異形蜂窩芯體的制造,蜂窩芯體規格范圍可達:芯格尺寸0.8mm~12.8mm,芯格壁厚0.05~0.12m,芯格高度5mm~180mm;各類(lèi)大型、異形蜂窩壁板結構的制造及檢測,目前可研制金屬蜂窩壁板結構產(chǎn)品最大尺寸規格可達2600mm×1200mm×180mm;可用于制造飛機機身壁板、口蓋、防火墻、操縱面、金屬熱防護、消音、吸能、減振及抗沖擊結構等。
經(jīng)過(guò)近十年的基礎研究和技術(shù)攻關(guān)工作,形成了金屬蜂窩壁板結構制造相關(guān)技術(shù)標準和體系,建立了金屬蜂窩壁板結構生產(chǎn)線(xiàn),制造的金屬蜂窩壁板結構產(chǎn)品已在我國大飛機等多個(gè)型號上得到了應用。未來(lái),隨著(zhù)金屬蜂窩壁板結構制造技術(shù)成熟度的不斷提升和武器裝備設計水平的提高,該技術(shù)可在航空、航天、導彈、船舶、列車(chē)等領(lǐng)域得到更廣泛的應用,發(fā)揮它具備的獨特性能。
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