本發(fā)明屬于材料彎曲變形技術(shù)領(lǐng)域，具體指代一種可用于飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道的流場(chǎng)調(diào)節(jié)的雙程變形的形狀記憶合金及其制作方法。

背景技術(shù)：

高速飛行器需要推進(jìn)系統(tǒng)具有突破性的發(fā)展，固定幾何形狀的進(jìn)氣道是目前發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道最直接有效的設(shè)計(jì)方案，在設(shè)計(jì)點(diǎn)處性能達(dá)到最優(yōu)，偏離設(shè)計(jì)點(diǎn)性能急劇下降。變幾何形狀進(jìn)氣道通過(guò)變換自身形狀，向飛行狀況變化較大的發(fā)動(dòng)機(jī)提供穩(wěn)定流場(chǎng)，確保燃燒室正常工作，提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能和適應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)多任務(wù)功能的目標(biāo)。目前世界發(fā)達(dá)國(guó)家均在該領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究，通常變幾何進(jìn)氣道是通過(guò)改變進(jìn)氣道內(nèi)部形狀調(diào)節(jié)橫截面積，進(jìn)而改變收縮比、流量捕獲和邊界層，使發(fā)動(dòng)機(jī)能夠在更寬?cǎi)R赫數(shù)下工作，并具有優(yōu)良性能。但由于現(xiàn)有的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)多為機(jī)械結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致進(jìn)氣道重量增大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性較差?？焖侔l(fā)展的形狀記憶合金智能材料因其具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)力大等優(yōu)點(diǎn)，克服了機(jī)械調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的不足，成為變幾何進(jìn)氣道最佳選擇。

從現(xiàn)有的文獻(xiàn)看，利用形狀記憶合金實(shí)現(xiàn)變幾何進(jìn)氣道研究的報(bào)道較少。文獻(xiàn)Design and Test of a SMA Powered Adaptive Aircraft Inlet Internal Wall（AIAA 2002-1356，43rd AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics, and Materials Con. 22-25 April 2002, Denver, Colorado）公開(kāi)了一種以形狀記憶合金絲為驅(qū)動(dòng)元件的智能鼓包方法，該鼓包由波音公司2001年提出并在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道中進(jìn)行了試驗(yàn)，稱為柔性智能蒙皮，其構(gòu)成為：彈性基體材料（橡膠），及嵌入其中的彈性金屬桿和形狀記憶合金絲。嵌入彈性金屬桿是為了提高彈性基體材料的剛度，以承受橫向氣動(dòng)載荷。形狀記憶合金絲為驅(qū)動(dòng)元件，在熱激勵(lì)作用下產(chǎn)生收縮力，驅(qū)動(dòng)蒙皮屈曲變形形成所需鼓包。其不足之處在于：由于基體為橡膠類彈性材料，雖然嵌入金屬桿提高了其剛度，但鼓包鼓起后的型面精度依然較低，影響流場(chǎng)的穩(wěn)定性；在制備方面，工藝較為復(fù)雜，包括：金屬桿、形狀記憶合金表面的均勻化粗糙處理，橡膠原液的調(diào)配，成型，硫化等；另外形狀記憶合金絲采用熱激勵(lì)，多次循環(huán)激勵(lì)后容易引起形狀記憶合金與橡膠基體的脫離，且加速橡膠老化，導(dǎo)致其使用壽命降低。

文獻(xiàn)Development and Test of an HTSMA Supersonic Inlet Ramp Actuator（Industrial and Commercial Applications of Smart Structures Technologies, Proc. of SPIE, 2008, 6930:1-11 ）于2008年公開(kāi)了一種針對(duì)超音速商用飛機(jī)的智能斜面鼓包，該斜面為鋁合金板，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由四邊形機(jī)械臂、形狀記憶合金絲作動(dòng)元件、彈簧回復(fù)元件組成。通過(guò)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的平移帶動(dòng)斜面鼓包前后運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)流場(chǎng)調(diào)節(jié)。其不足之處：鼓包為斜直面，無(wú)法滿足流場(chǎng)調(diào)節(jié)對(duì)型面變化需求，應(yīng)用范圍小；驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用形狀記憶合金絲與機(jī)械臂組成，機(jī)構(gòu)復(fù)雜，且占用空間大；對(duì)形狀記憶合金絲的激勵(lì)采用電阻熱，變形響應(yīng)慢。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)于上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種雙程變形的形狀記憶合金鼓包及其制作方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中鼓包鼓起后的型面精度低，或鼓包為斜面，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜，占用空間大，加工工藝復(fù)雜等問(wèn)題。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的一種雙程變形的形狀記憶合金鼓包，包括：形狀記憶合金板與彈簧鋼板，二者相互疊加，且之間設(shè)有加熱膜，該加熱膜貼在形狀記憶合金板鼓起面的反面，加熱膜的下方放置彈簧鋼板；三者通過(guò)螺釘固定。

優(yōu)選地，所述的形狀記憶合金板為采用模具熱成型為所需型面經(jīng)過(guò)多次冷熱循環(huán)訓(xùn)練壓制的平板狀。

優(yōu)選地，所述的形狀記憶合金板在上方，中間為加熱膜，下方為相同面積的彈簧鋼板。

優(yōu)選地，所述的螺釘為沉頭螺釘。

本發(fā)明的一種雙程變形的形狀記憶合金鼓包的制作方法，包括步驟如下：

形狀記憶合金板的加工、成型及訓(xùn)練，包含如下：

1）利用線切割機(jī)將形狀記憶合金板切割至所需尺寸，鉆沉頭螺釘?shù)某令^孔；

2）將形狀記憶合金板裝入上、下成型模具之間，并用螺栓及螺母壓緊固定，保證形狀記憶合金板與上、下成型模具型面貼合；

3）將裝夾有形狀記憶合金板的模具放入加熱爐中，升溫至800℃后，保溫1小時(shí)后，關(guān)閉加熱爐電源，隨爐冷卻至室溫；

4）拆卸模具，取出成型后的形狀記憶合金板，在450℃退火20分鐘；

5）對(duì)成型后的形狀記憶合金板進(jìn)行訓(xùn)練，訓(xùn)練過(guò)程為：將成型后形狀記憶合金板在冰水混合物冷卻5分鐘，取出后壓平，再加熱至100℃，形狀記憶合金板恢復(fù)成型后形狀，接著再將其放入冰水混合物冷卻5分鐘，壓平，加熱，重復(fù)以上過(guò)程100次，最后將形狀記憶合金板壓平；至此訓(xùn)練完成；

加工同樣尺寸的彈簧鋼板，并鉆沉頭螺釘?shù)穆菁y孔；

安裝形狀記憶合金鼓包：利用有機(jī)溶劑擦拭形狀記憶合金板表面，晾干后將加熱膜貼在形狀記憶合金板鼓起面的反面，避開(kāi)螺紋孔；將彈簧鋼板安放在加熱膜下方，并用沉頭螺釘將形狀記憶合金板、加熱膜及彈簧鋼板壓緊固定。

本發(fā)明的有益效果：

與現(xiàn)有的基于形狀記憶合金絲的鼓包相比，本發(fā)明的制作工藝簡(jiǎn)單，通過(guò)成型及訓(xùn)練即可完成；鼓包為金屬板結(jié)構(gòu)可承受大的氣動(dòng)載荷；采用模具成型方法，鼓包型面可多樣化，滿足氣動(dòng)流場(chǎng)對(duì)型面要求；型面精度高，且經(jīng)過(guò)1000次循環(huán)激勵(lì)后，型面精度不降低，耐疲勞性能好；可實(shí)現(xiàn)雙程運(yùn)動(dòng)，通過(guò)加熱膜加熱鼓包鼓起，停止加熱則在彈簧鋼板彈性力作用下回復(fù)至初始平直狀態(tài)；與現(xiàn)有的利用形狀記憶合金絲自身的電阻熱加熱方式相比，采用加熱膜加熱，具有響應(yīng)迅速的優(yōu)點(diǎn)；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主體結(jié)構(gòu)僅由兩個(gè)板組成；占用空間小，不僅可安裝在空間大的進(jìn)氣道，也特別適合安裝在空間狹小的進(jìn)氣道中。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明雙程變形的形狀記憶合金鼓包初始狀態(tài)的主視圖；

圖2為本發(fā)明雙程變形的形狀記憶合金鼓包初始狀態(tài)的俯視圖；

圖3為本發(fā)明雙程變形的形狀記憶合金鼓包加熱后的鼓起狀態(tài)圖；

圖4為本發(fā)明形狀記憶合金板在模具中成型的主視圖；

圖5為本發(fā)明形狀記憶合金板在模具中成型的俯視圖。

具體實(shí)施方式

為了便于本領(lǐng)域技術(shù)人員的理解，下面結(jié)合實(shí)施例與附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明，實(shí)施方式提及的內(nèi)容并非對(duì)本發(fā)明的限定。

參照?qǐng)D1至圖3所示，本發(fā)明的一種雙程變形的形狀記憶合金鼓包，包括：形狀記憶合金板1與彈簧鋼板4，二者相互疊加，且之間設(shè)有加熱膜3，該加熱膜3貼在形狀記憶合金板1鼓起面的反面，加熱膜3的下方放置彈簧鋼板4；三者通過(guò)沉頭螺釘2固定。

其中，所述的形狀記憶合金板1為采用模具熱成型為所需型面經(jīng)過(guò)多次冷熱循環(huán)訓(xùn)練壓制的平板狀。

其中，所述的形狀記憶合金板1在上方，中間為加熱膜3，下方為相同面積的彈簧鋼板4。

圖3中，對(duì)加熱膜3通電加熱形狀記憶合金板1，當(dāng)溫度超過(guò)相變溫度，形狀記憶合金板1產(chǎn)生記憶效應(yīng)，鼓包鼓起；停止通電加熱，在彈簧鋼板4彈性力的作用下恢復(fù)至初始平直狀態(tài)。

本發(fā)明的雙程變形的形狀記憶合金鼓包的驅(qū)動(dòng)方法為：該智能鼓包的初始狀態(tài)為平直狀；對(duì)加熱膜3通電，加熱膜3溫度升高，進(jìn)而加熱形狀記憶合金板1，當(dāng)其溫度超過(guò)奧氏體相變溫度，形狀記憶合金板1產(chǎn)生記憶效應(yīng)，逐漸鼓起，并帶動(dòng)彈簧鋼板4彎曲，直至鼓包最終形狀；停止加熱，形狀記憶合金板1溫度逐漸降低，并在彈簧鋼板4彈性力的作用下，回復(fù)到初始平直狀態(tài)。至此，該鼓包完成了鼓起變形與恢復(fù)初始狀態(tài)的雙程變形過(guò)程。重復(fù)以上過(guò)程，則鼓包可在鼓起與平直兩種狀態(tài)下變化。

參照?qǐng)D4至圖5所示，一種雙程變形的形狀記憶合金鼓包的制作方法，包括步驟如下：

形狀記憶合金板的加工、成型及訓(xùn)練，包含如下：

1）利用線切割機(jī)將形狀記憶合金板切割至所需尺寸，鉆沉頭螺釘?shù)某令^孔；

2）將形狀記憶合金板裝入上、下成型模具之間，并用螺栓7及螺母6壓緊固定，保證形狀記憶合金板與上成型模具5、下成型模具8型面貼合；

3）將裝夾有形狀記憶合金板的模具放入加熱爐中，升溫至800℃后，保溫1小時(shí)后，關(guān)閉加熱爐電源，隨爐冷卻至室溫；

4）拆卸模具，取出成型后的形狀記憶合金板，在450℃退火20分鐘；

5）對(duì)成型后的形狀記憶合金板進(jìn)行訓(xùn)練，訓(xùn)練過(guò)程為：將成型后形狀記憶合金板在冰水混合物冷卻5分鐘，取出后壓平，再加熱至100℃，形狀記憶合金板恢復(fù)成型后形狀，接著再將其放入冰水混合物冷卻5分鐘，壓平，加熱，重復(fù)以上過(guò)程100次，最后將形狀記憶合金板壓平；至此訓(xùn)練完成；

加工同樣尺寸的彈簧鋼板，并鉆沉頭螺釘?shù)穆菁y孔；

安裝形狀記憶合金鼓包：利用有機(jī)溶劑（酒精）擦拭形狀記憶合金板表面，晾干后將加熱膜貼在形狀記憶合金板鼓起面的反面，避開(kāi)螺紋孔；將彈簧鋼板安放在加熱膜下方，并用沉頭螺釘將形狀記憶合金板、加熱膜及彈簧鋼板壓緊固定。

實(shí)施例1

利用線切割將形狀記憶合金板和彈簧鋼板切割為如下尺寸：形狀記憶合金板尺寸（長(zhǎng)×寬×厚度）76mm×41mm×3mm；彈簧鋼板尺寸（長(zhǎng)×寬×厚度）76mm×41mm×2mm；所需加熱膜尺寸（長(zhǎng)×寬×厚度）為76mm×41mm×（0.1~0.2）mm；在形狀記憶合金板上制作直徑為3mm的沉頭螺釘孔；

根據(jù)需要設(shè)計(jì)制作成型模具，包括上、下成型模具。將形狀記憶合金板放置在上、下成型模具之間，并用螺栓、螺母壓緊，將裝夾有形狀記憶合金板的模具放入加熱爐中，升溫至800℃后，保溫1小時(shí)后，關(guān)閉加熱爐電源，隨爐冷卻至室溫；拆卸模具，取出成型后形狀記憶合金板，在450℃退火20分鐘；對(duì)成型后的形狀記憶合金板進(jìn)行訓(xùn)練，訓(xùn)練過(guò)程為：將成型后形狀記憶板在冰水混合物冷卻5分鐘，取出后壓平，再加熱至100℃，形狀記憶合金板恢復(fù)成型后形狀，接著再將其放入冰水混合物冷卻5分鐘，壓平，再加熱至100℃，重復(fù)以上過(guò)程100次以上，最后將形狀記憶合金板壓平，至此訓(xùn)練完成；

在形狀記憶合金板鼓起面的反面貼加熱膜，粘貼加熱膜時(shí)需避開(kāi)螺釘孔，再將彈簧鋼板放置加熱膜下方，并用M3沉頭螺釘將三者壓緊固定；

利用穩(wěn)壓電源給加熱膜通電，當(dāng)形狀記憶合金板溫度超過(guò)奧氏體相變溫度后，則鼓包鼓起；停止加熱，在彈簧鋼板彈性力作用下，形狀記憶合金板恢復(fù)至初始平直狀態(tài)。

本發(fā)明具體應(yīng)用途徑很多，以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干改進(jìn)，這些改進(jìn)也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。