[发明专利]一种低膨胀系数三维空间点阵结构及其成形方法

说明书

本发明属于增材制造技术领域，特别涉及一种低膨胀系数三维空间点阵结构及其成形方法。包括有多个点阵单元，多个点阵单元之间呈周期性阵列排布，每个点阵单元包括有由四面体支撑杆形成的四面体框架及由八面体支撑杆形成的八面体框架，所述的八面体框架内嵌于四面体框架内，两个相邻八面体支撑杆形成的顶点位于四面体框架支撑杆的中心，其中四面体框架由低膨胀系数的金属成形，八面体框架由高热膨胀系数金属成形。本发明提出了一种轻质低热膨胀系数点阵结构及其电弧熔丝增材制造方法，其点阵结构是基于杆件的双金属材料组成，具有两种金属材料，两种金属材料使得该点阵结构的表面具有一定的形变，在高温度梯度下，使得形变在每个点阵单元内形成，从而减少整体结构的形变。

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，特别涉及一种低膨胀系数三维空间点阵结构及其成形方法。

背景技术

在航空航天领域，随着航天飞行器飞行速度的不断提高、在大气中飞行时间不断延长，不论是载人飞船的返回舱、重复使用的运载器，还是空天飞机、高超飞行器等，在穿越大气层时，将承受剧烈的气动力加热和加载。此时航天飞行器的放热结构会产生较大的温度梯度，导致较大的热应力，造成结构变形和气动外形的破坏。由于高效轻质的隔热结构可承受热振动和机械振动，所以多孔轻质隔热层结构已成为目前研究的热点。但传统的泡沫结构和蜂窝夹层结构无法同时满足承载和隔热性能的需求。而微区结构可控、孔隙率可调、比强度和比模量高的空间点阵结构则有望同时满足承载-隔热一体化需求。但是在高温度梯度下，点阵结构上下层有可能因为热应变造成变形，所以设计和制造一种低热膨胀系数的空间点阵结构十分必要。

文献“A.S.Craig,et al.Concepts for structurally robust materials thatcombine low thermal expansion with high sti ness.Journal of the Mechanics andPhysics of Solids55(2007)1803-1822”首先利用计算机模拟的方法设计出了“C.Mercer,etal.An investigation of the mechanical behavior of three-dimensional lowexpansion lattice structures fabricated via laser printing.CompositeStructures206(2018)80-94.”公开了一种利用激光选区熔化(SelectiveLaserMelting,SLM)方法成形低热膨胀三维空间点阵结构的方法。但是文献公开的方法并不能成功成形设计的两种金属材料的增材制造成形，因为基于粉缸的SLM技术无法同时成形两种金属材料，故该文献最终只成形了单一Ti6Al4V金属的点阵，并不能获得明显的低热膨胀效果，因此，该点阵结构在高温度梯度下，点阵结构上下层还是会因为热应变造成变形，针对该缺陷，本发明作出了改进。

发明内容

本发明提出了一种轻质低热膨胀系数点阵结构及其电弧熔丝增材制造方法，其点阵结构是基于杆件的双金属材料组成，具有两种金属材料，两种金属材料使得该点阵结构的表面具有一定的形变，在高温度梯度下，使得形变在每个点阵单元内形成，从而减少整体结构的形变。

本发明所采用的技术方案是：一种低膨胀系数三维空间点阵结构，包括有多个点阵单元，多个点阵单元之间呈周期性阵列排布，每个点阵单元包括有由四面体支撑杆形成的四面体框架及由八面体支撑杆形成的八面体框架，所述的八面体框架内嵌于四面体框架内，两个相邻八面体支撑杆形成的顶点位于四面体框架支撑杆的中心，其中四面体框架由低膨胀系数的金属成形，八面体框架由高热膨胀系数金属成形。

优选的，四面体框架的材质为钛合金或合金钢，八面体框架的材质为铝硅合金或铜合金。

优选的，每个所述的四面体支撑杆的中点具有形变夹角，该形变夹角的角度为150°，相邻两个八面体支撑杆形成的顶点处于该形变夹角处促使八面体支撑杆与四面体框架支撑杆形成多个三角框。