CN111570804A - 基于梯度记忆合金驱动的航空发动机变形齿及加工工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于梯度记忆合金驱动的航空发动机变形齿，其包括齿状本体，该齿状本体包括内层基片、外层基片及若干中间层基片，所述内层基片为纯SMA粉末材料，所述外层基片为纯铝合金粉末材料，所述中间层基片由铝合金粉末及SMA粉末按比例混合成混合材料，该混合材料与纯SMA粉末材料、纯铝合金粉末材料采用激光熔覆逐层烧结一体成型，该中间基片的混合材料的SMA粉末的体积比从外向内依次线性增加。本发明的基于梯度记忆合金驱动的航空发动机变形齿的加工工艺，采用激光熔覆逐层烧结一体成型工艺，使得形状记忆合金与铝合金梯度复合，实现在不同温度环境下发生可控变形，从而对发动机尾喷气流进行干扰，降低气流噪声。

Description

基于梯度记忆合金驱动的航空发动机变形齿及加工工艺
技术领域
本发明属于航空发动机变形齿技术领域，尤其是一种基于梯度记忆合金驱动的航空发动机变形齿。
背景技术
自人类发明飞机以来，飞机噪音就一直对机场附近居民以及机场场区内的工作人员有非常大的危害。在飞机启动后，高涵道比涡轮风扇发动机的热喷气流、风扇流和自由气流的混合产生很强的环境噪音，从而导致一定范围内的人员都受到噪音的危害。因此，降低飞机发动机噪音是当前航空工业领域所面临的重大课题之一。
为了减少发动机产生的噪音，美国波音公司于2005年提出变形齿(VariableGeometry Chevron，简写VGC)，即在发动机排气管尾部设置一种可以改变几何形状的锯齿型航空动力学装置。通过使用SAM材料((Function Grade Shape MemoryAlloy，简写：FG-SMA))作为驱动器，在温度诱发下驱动变形齿变形进入喷射气流，通过搅拌气流达到降低噪音的目的。
变形齿的工作原理是当飞机起飞和着陆的时候，SMA组件在地面环境温度作用下驱动变形齿发生变形，向内侧弯曲，进而扰动喷射气流，降低噪音；当飞机在高空巡航时，SMA组件在高空低温作用下发生恢复相变，驱动变形齿回弹到初始位置，减小对气流的扰动，进而减小对发动机推力的影响。
目前，变形齿上面有3个条状SMA驱动器，它用螺栓与发动机上的复合材料板基片连接。然而，此变形齿在实际应用中存在如下问题：一方面由于在热力耦合的作用，不同位置处SMA材料的变形情况不同，加之材料本身的均匀性，就使得变形齿尖端的弯曲程度很难控制；另一方面，由于SMA驱动器与基片材料之间用螺栓连接，在循环使用的过程中很容易出现螺栓松弛与脱落现象，而由于材料的不连续分布，在变温作用下将会产生由于热膨胀失配所导致的应力突变，进而破坏结构的安全性。
为了解决这一问题，近年来提出一种在组分上具有梯度分布特性的新型智能材料—功能梯度材料(Function Graded Material，简写FGM)。FMG材料可以满足结构原件不同部位对材料使用性能的不同需求，达到优化结构整体性能的使用目的。将SMA相和基体相在空间位置上进行组分分数逐渐变化的组合，得到了一些有意义的结论。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于梯度记忆合金驱动的航空发动机变形齿，能够使发动机变形齿发生变形并能缓解热膨胀失配所导致的应力突变等问题。
本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
一种基于梯度记忆合金驱动的航空发动机变形齿，其特征在于：包括齿状本体，该齿状本体包括内层基片、外层基片及若干中间层基片，所述内层基片为纯SMA粉末材料，所述外层基片为纯铝合金粉末材料，所述中间层基片由铝合金粉末及SMA粉末按比例混合成混合材料，该混合材料与纯SMA粉末材料、纯铝合金粉末材料采用激光熔覆逐层烧结一体成型，该中间基片的混合材料的SMA粉末的体积比从外向内依次线性增加。
而且，所述外层基片、中间层基片及内层基片的SMA粉末与铝合金粉末的体积比依次为：外层基片SMA：Al＝0％：100％，第一中间层基片SMA：Al＝10％：90％，第二中间层基片SMA：Al＝20％：80％，第三中间层基片SMA：Al＝30％：70％，第四中间层基片SMA：Al＝40％：60％，第五中间层基片SMA：Al＝50％：50％，第六中间层基片SMA：Al＝60％：40％，第七中间层基片SMA：Al＝70％：30％，第八中间层基片SMA：Al＝80％：20％，第九中间层基片SMA：Al＝90％：10％，内层基片SMA：Al＝100％：0％。
而且，所述齿状本体呈三角形锯齿状，齿高H为400-450mm，齿宽D为480-520mm，齿高H与齿宽D比为4～4.5:5，齿尖圆弧过渡，半径R为18-20mm。
而且，变形齿的厚度为不均匀设计，变形齿的安装端厚度δ1为7-8mm，变形齿的另一端厚度δ2为2.5-3.5mm，以保障变形需求和强度要求。
而且，所述变形齿均匀安装在发动机尾喷管圆周。
一种基于梯度记忆合金驱动的航空发动机变形齿的加工工艺，其特征在于：包括如下步骤：
1)软件建模：采用多轴联动激光加工软件把变形齿进行三维建模，并分层处理，包括内层基片、外层基片及若干中间层基片，并确定每层基片的几何形状，以及每层基片的激光加工工艺参数；
2)材料制备：对每层基片的SMA粉末与铝合金粉末的比例进行配置，内层基片为纯SMA粉末材料，外层基片为纯铝合金粉末材料，所述中间层基片由铝合金粉末及SMA粉末按比例混合成混合材料，混合材料的SMA粉末的体积比从外向内依次线性增加，把每层的粉末材料配置好后进行预热保温处理，温度为70-80℃；
3)激光熔覆逐层烧结一体成型：送粉机构先将外层基片的纯SMA粉末材料平铺在工作平台上，通过步骤1)的定制加工软件建模、分层，控制送粉机将SMA与铝合金粉末通过负压载气方式进行逐层铺设，在保护气体环境下，激光熔覆设备按照先前确定的加工工艺参数，熔化激光作用区的粉末材料，使粉末熔化区域温度控制在液相线以上100℃内，完成该层加工，然后送粉机构按照相同的层厚将下一层的中间层基片的混合材料平铺在工作平台上，重复上述步骤，对粉末材料层层扫描融化成型，直至任务完成。
本发明的优点和有益效果为：
1、本发明的基于梯度记忆合金驱动的航空发动机变形齿，相变温度为-20℃，即只要温度低于-20℃，变形齿恢复原形，变为直线形，当温度高于-20℃时，变形齿发生变形，向内弯曲，达到扰流降噪目的。
2、本发明的基于梯度记忆合金驱动的航空发动机变形齿，外层基片、中间层基片及内层基片的SMA粉末与铝合金粉末的体积比线性增加，避免以往SMA驱动部件与基片材料之间用螺栓连接，出现螺栓松弛、脱落、热膨胀失配，导致设备结构破坏的问题。
3、本发明的基于梯度记忆合金驱动的航空发动机变形齿，结构形状合理，循环次数大于十万次的循环变形。
4、本发明的基于梯度记忆合金驱动的航空发动机变形齿的加工工艺，采用激光熔覆逐层烧结一体成型工艺，使得形状记忆合金与铝合金梯度复合，实现在不同温度环境下发生可控变形，从而对发动机尾喷气流进行干扰，降低气流噪声。
附图说明
图1为本发明的基于功能梯度形状记忆合金驱动的发动机变形齿的外观图；
图2为本发明的基于功能梯度形状记忆合金驱动的发动机变形齿的A-A剖面放大图；
图3为本发明的基于功能梯度形状记忆合金驱动的发动机变形齿与发动机尾喷管组合效果图；
图4为本发明的基于功能梯度形状记忆合金驱动的发动机变形齿的变形效果图。
标记说明：
1-内层基片、2-中间层基片、3-外层基片、4-安装端、5-发动机尾喷管。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
一种基于梯度记忆合金驱动的航空发动机变形齿，如图1所示，包括齿状本体，该齿状本体包括内层基片1、外层基片3及若干中间层基片2，内层基片为纯SMA粉末材料，外层基片为纯铝合金粉末材料，所述中间层基片由铝合金粉末及SMA粉末按比例混合成混合材料，该混合材料与纯SMA粉末材料、纯铝合金粉末材料采用激光熔覆逐层烧结一体成型，该中间基片的混合材料的SMA粉末的体积比从外向内依次线性增加。
外层基片、中间层基片及内层基片的SMA粉末与铝合金粉末的体积比依次为：外层基片SMA：Al＝0％：100％，第一中间层基片SMA：Al＝10％：90％，第二中间层基片SMA：Al＝20％：80％，第三中间层基片SMA：Al＝30％：70％，第四中间层基片SMA：Al＝40％：60％，第五中间层基片SMA：Al＝50％：50％，第六中间层基片SMA：Al＝60％：40％，第七中间层基片SMA：Al＝70％：30％，第八中间层基片SMA：Al＝80％：20％，第九中间层基片SMA：Al＝90％：10％，内层基片SMA：Al＝100％：0％。
如图2所示，齿状本体呈三角形锯齿状，齿高H为400-450mm，齿宽D为480-520mm，齿高H与齿宽D比为4～4.5:5，最佳为齿高H为450mm，齿宽D为500mm，齿高H与齿宽D比为4.5:5。齿尖圆弧过渡，半径R为18-20mm。
变形齿的厚度为不均匀设计，变形齿的安装端4厚4度δ1为7-8mm，最佳为8mm，变形齿的另一端厚度δ2不超过2.5-3.5mm，最佳为3mm，以保障变形需求和强度要求。
变形齿均匀安装在发动机尾喷管圆周。
一种基于梯度记忆合金驱动的航空发动机变形齿的加工工艺，其包括如下步骤：
1)软件建模：采用多轴联动激光加工软件把变形齿进行三维建模，并分层处理，包括内层基片、外层基片及若干中间层基片，并确定每层基片的几何形状，以及每层基片的激光加工工艺参数；
2)材料制备：对每层基片的SMA粉末与铝合金粉末的比例进行配置，内层基片为纯SMA粉末材料，外层基片为纯铝合金粉末材料，所述中间层基片由铝合金粉末及SMA粉末按比例混合成混合材料，混合材料的SMA粉末的体积比从外向内依次线性增加，把每层的粉末材料配置好后进行预热保温处理，温度为70-80℃；
3)激光熔覆逐层烧结一体成型：送粉机构先将外层基片的纯SMA粉末材料平铺在工作平台上，通过步骤1)的定制加工软件建模、分层，控制送粉机将SMA与铝合金粉末通过负压载气方式进行逐层铺设，在保护气体环境下，激光熔覆设备按照先前确定的加工工艺参数，熔化激光作用区的粉末材料，使粉末熔化区域温度控制在液相线以上100℃内，完成该层加工，然后送粉机构按照相同的层厚将下一层的中间层基片的混合材料平铺在工作平台上，重复上述步骤，对粉末材料层层扫描融化成型，直至任务完成。
变形齿在发动机尾喷管5上呈圆周均匀布置，一般设置24片或36片，外表面与发动机机匣表面进行光滑处理，装配后的效果如图3所示。
制作基于功能梯度形状记忆合金驱动的发动机变形齿的过程中，在较高温度时将材料弯曲成预设形状(如图4变形后形状)，设计该变形时要考虑噪音效果和对发动机推力的影响，根据不同工况调整SMA材料的参数，达到设计变形量。在较低温度下，SMA在温度作用下发生相变，逐渐恢复变形，驱动变形齿趋于平整，变形齿状态变为图4中变形前的状态，形成与发动机尾喷管连续结构。
由于机场周围一般对噪音有一定要求，而巡航阶段飞行高度较高，对发动机噪音没有要求，因此，本发明装置沿发动机尾喷管环向均匀安装，通过机场周围温度和巡航阶段高空温度的差异，诱发SMA发生相变，驱动变形齿变形，扰动喷射气流，改变噪音强度。具体使用时，飞机起飞或降落阶段，机场温度一般高于-20℃，发动机变形齿在SMA的驱动下发生弯曲变形，向内弯曲，如图4所示的变形后状态，扰动喷射气流，从而可在一定程度上降低噪声。当飞机爬升到巡航高度，并处于巡航状态时，一般在6000m以上，此时高空气温一般在-20℃以下，SMA在形状记忆效应作用下，恢复变形，驱动变形齿恢复到如图4弯曲前所示的状态，保证发动机推力，最终实现飞机起飞或降落时减小噪声，降低对周围环境的影响的目的
尽管为说明目的公开的本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解，在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (6)

1.一种基于梯度记忆合金驱动的航空发动机变形齿，其特征在于：包括齿状本体，该齿状本体包括内层基片、外层基片及若干中间层基片，所述内层基片为纯SMA粉末材料，所述外层基片为纯铝合金粉末材料，所述中间层基片由铝合金粉末及SMA粉末按比例混合成混合材料，该混合材料与纯SMA粉末材料、纯铝合金粉末材料采用激光熔覆逐层烧结一体成型，该中间基片的混合材料的SMA粉末的体积比从外向内依次线性增加。
2.根据权利要求1所述的基于梯度记忆合金驱动的航空发动机变形齿，其特征在于：所述外层基片、中间层基片及内层基片的SMA粉末与铝合金粉末的体积比依次为：外层基片SMA：Al＝0％：100％，第一中间层基片SMA：Al＝10％：90％，第二中间层基片SMA：Al＝20％：80％，第三中间层基片SMA：Al＝30％：70％，第四中间层基片SMA：Al＝40％：60％，第五中间层基片SMA：Al＝50％：50％，第六中间层基片SMA：Al＝60％：40％，第七中间层基片SMA：Al＝70％：30％，第八中间层基片SMA：Al＝80％：20％，第九中间层基片SMA：Al＝90％：10％，内层基片SMA：Al＝100％：0％。
3.根据权利要求1所述的基于梯度记忆合金驱动的航空发动机变形齿，其特征在于：所述齿状本体呈三角形锯齿状，齿高H为400-450mm，齿宽D为480-520mm，齿高H与齿宽D比为4～4.5:5，齿尖圆弧过渡，半径R为18-20mm。
4.根据权利要求1所述的基于梯度记忆合金驱动的航空发动机变形齿，其特征在于：变形齿的厚度为不均匀设计，变形齿的安装端厚度δ1为7-8mm，变形齿的另一端厚度δ2为2.5-3.5mm，以保障变形需求和强度要求。
5.根据权利要求1所述的基于梯度记忆合金驱动的航空发动机变形齿，其特征在于：所述变形齿均匀安装在发动机尾喷管圆周。
6.一种基于梯度记忆合金驱动的航空发动机变形齿的加工工艺，其特征在于：包括如下步骤：
1)软件建模：采用多轴联动激光加工软件把变形齿进行三维建模，并分层处理，包括内层基片、外层基片及若干中间层基片，并确定每层基片的几何形状，以及每层基片的激光加工工艺参数；
2)材料制备：对每层基片的SMA粉末与铝合金粉末的比例进行配置，内层基片为纯SMA粉末材料，外层基片为纯铝合金粉末材料，所述中间层基片由铝合金粉末及SMA粉末按比例混合成混合材料，混合材料的SMA粉末的体积比从外向内依次线性增加，把每层的粉末材料配置好后进行预热保温处理，温度为70-80℃；
3)激光熔覆逐层烧结一体成型：送粉机构先将外层基片的纯SMA粉末材料平铺在工作平台上，通过步骤1)的定制加工软件建模、分层，控制送粉机将SMA与铝合金粉末通过负压载气方式进行逐层铺设，在保护气体环境下，激光熔覆设备按照先前确定的加工工艺参数，熔化激光作用区的粉末材料，使粉末熔化区域温度控制在液相线以上100℃内，完成该层加工，然后送粉机构按照相同的层厚将下一层的中间层基片的混合材料平铺在工作平台上，重复上述步骤，对粉末材料层层扫描融化成型，直至任务完成。
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