经济型货运飞船可复用防热大底及其增材制造方法与流程

本发明涉及激光制造与增材制造，具体地，涉及经济型货运飞船可复用防热大底及其增材制造方法。

背景技术：

1、我国已经在2022年完成空间站在轨建造并投入科研运营。经济型货运飞船可为空间站的科研运营提供经济、快速、高效的货物下行服务，一款再入返回飞行器将作为货运飞船任务的一部分，执行载货下行任务，而其再入防热大底结构是该主体单元的关键部件，其轻量化、可靠性、经济性是再入飞船防热大底制造的重要指标。

2、本项目所涉及的激光制造与增材制造技术主要包括同轴送粉激光近净成形技术、激光焊接技术、粉末床选区激光熔化技术等。其中，同轴送粉激光近净成形技术是一种集计算机技术、激光技术、传感器技术及材料凝固学等技术为一体的受多种因素影响的一种新型先进制造技术，适用于金属、陶瓷等材料成形同时适用于多种材料的一体化成形。该技术采用三维建模软件构建零件实体模型并分层切片，生成运动轨迹，并利用高能激光束在金属或陶瓷表面形成熔池，粉末由惰性气体输送入熔池，在激光作用下形成熔覆层，经层层堆积形成实体零件。激光焊接技术属于熔融焊接，以激光束为能源，使其冲击在焊件接头上以达到焊接目的的技术。粉末床选区激光熔化技术选用激光作为能量源，按照三维cad切片模型中规划好的路径在金属粉末床进行逐层扫描，扫描过的金属粉末通过熔化、凝固从而达到冶金结合的效果，最终获得模型所设计的金属零件。由于光束较细且具有粉床支撑作用，因此可以成形复杂精细点阵结构。

3、功能梯度材料，即材料的成分和结构从材料的某一方位向另一方位连续变化，使材料的性能也呈现梯度变化的一种新材料。传统的梯度材料是由两种或两种以上的不均匀的材料结合在一块，存在明显的界面，材料的物性参数在界面表现出明显的差异和不匹配，容易使界面成为失效点。同轴送粉激光近净成形可以实现多种粉末按照任意比例混合，能够实现成形零件成分梯度过渡。

4、形状记忆合金是通过热弹性与马氏体相变及其逆变而具有形状记忆效应的由两种以上金属元素所构成的材料。镍钛合金是记忆合金的一种，高温下其为体心立方结构的奥氏体相，冷却后其为马氏体相，降温过程并不明显改变材料的形状。当施加应力改变其形状，宏观尺度上的形变，在微观尺度上是通过材料内部孪晶边界的移动来实现。对变形后的形状记忆合金加热，当温度高于奥氏体转变温度时，其晶格结构将变回原来的体心立方结构，因而材料也回复到其原来的形状。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种经济型货运飞船可复用防热大底及其增材制造方法。

2、根据本发明提供的一种经济型货运飞船可复用防热大底，包括防热大底(1)和轻质烧蚀材料层(2)，所述防热大底(1)包括承力框架(11)、钛合金蒙皮(12)、成分梯度过渡区(13)以及轻量化点阵模块(14)；

3、所述钛合金蒙皮(12)连接承力框架(11)和成分梯度过渡区(13)，梯度过渡区是实现钛合金材料向形状记忆合金材料梯度过渡的区域，所述轻量化点阵模块(14)与成分梯度过渡区(13)连接，所述轻质烧蚀材料层(2)与轻量化点阵模块(14)连接。

4、优选地，承力框架(11)为钛合金材料框架、内外型面为圆锥形弧面，所述承力框架(11)包括竖筋(111)、环筋(112)以及圆柱棒(113)。

5、优选地，所述轻量化点阵模块(14)采用形状记忆合金，模块幅面尺寸为100mm～320mm；

6、所述轻量化点阵模块(14)包括金属杆(141)、空隙(142)以及焊接基板(143)，其中焊接基板(143)与成分梯度过渡区(13)外型面贴合焊接成形。

7、优选地，所述承力框架(11)和所述钛合金蒙皮(12)的最大尺寸为φ800mm；

8、所述环筋(112)和竖筋(111)宽度为17mm～29mm，厚度20mm～30mm；

9、所述钛合金蒙皮(12)厚度为10mm～30mm。

10、优选地，所述成分梯度过渡区(13)厚度为1mm～5mm，所述成分梯度过渡区(13)在钛合金蒙皮(12)外表面成形，所述成分梯度过渡区(13)中钛合金至形状记忆合金成分渐变，所述成分梯度过渡区(13)外侧全部覆盖轻量化点阵模块(14)。

11、优选地，所述轻量化点阵模块(14)为梯度点阵结构，梯度点阵结构远离承力框架(11)一侧点阵空隙(142)逐渐增大。

12、根据本发明提供的一种经济型货运飞船可复用防热大底增材制造方法，采用所述的经济型货运飞船可复用防热大底，制造方法包括：

13、步骤s1：防热大底(1)的承力框架(11)和钛合金蒙皮(12)激光近净成形；

14、步骤s2：钛合金到形状记忆合金的成分梯度过渡区(13)激光近净成形；

15、步骤s3：防热大底(1)的主承力部分进行热处理、粗加工、无损检测，所述主承力部分包括承力框架(11)、钛合金蒙皮(12)和成分梯度过渡区(13)；

16、步骤s4：形状记忆合金轻量化点阵模块(14)粉末床激光选区熔化成形；

17、步骤s5：将所述形状记忆合金点阵模块激光焊接于所述防热大底(1)的主承力部分外侧面，进而得到防热大底(1)主体结构；

18、步骤s6：将所述防热大底(1)主体结构的外侧面浸置于轻质烧蚀材料模具中进行进一步处理，得到最终的防热大底(1)。

19、优选地，所述步骤s1中：

20、采用同轴送粉激光近净成形将承力框和钛合金蒙皮(12)一体化成形；环筋(112)与钛合金蒙皮(12)之间采用楔形支撑结构，将环筋(112)与钛合金蒙皮(12)一体成形；

21、所述承力框和钛合金蒙皮(12)在进行模型切片时，切片方向与钛合金蒙皮(12)外侧曲面垂直。

22、优选地，所述步骤s2中：

23、采用机械加工将钛合金蒙皮(12)外型面光出，随后在钛合金蒙皮(12)外表面采用同轴送粉激光近净成形制备成分梯度过渡区(13)，使得化学成分沿钛合金蒙皮(12)外型面法线向外方向，由钛合金梯度过渡至形状记忆合金。

24、优选地，在所述步骤s5中：采用激光焊接方法将轻量化点阵模块(14)与成分梯度过渡区(13)连接，并将轻量化点阵模块(14)均匀布满所述成分梯度过渡区(13)；所述为同质材料焊接；

25、在步骤s6中，所述进一步处理包括加压填充、加热固化、机加工整型。

26、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

27、1、本发明方法制备的经济型货运飞船防热大底能够实现承力/防热/轻量化增材制造，防热大底在与地面碰撞后发生的局部变形，可通过形状记忆合金的记忆效应对局部变形部分进行恢复，实现防热大底结构的重复使用，减少资源浪费。

28、2、本发明轻量化点阵模块在靠近防热大底一侧金属杆多，可增大整体刚性和承载能力。而在远离防热大底侧空隙多，填充更多的烧蚀材料，可提高整体的防热性能。

29、3、本发明形状记忆合金轻量化点阵模块与成分梯度过渡区的焊接，为同质材料焊接，降低了钛合金与形状记忆合金直接熔化焊接发生开裂的风险，并且成分梯度过渡区可以使材料热物性参数渐变，缓和应力，实现无开裂成形。