劉景濤，潘紅蕾，朱菱

（1.上海新力動力設(shè)備研究所，上海 201108；2.江蘇廣達(dá)合金有限公司，江蘇 丹陽 212300）

蜂窩結(jié)構(gòu)是一種輕型復(fù)合結(jié)構(gòu)，旨在適應(yīng)航空航天裝備的特殊服役條件，其起源于仿生學(xué)，用等量材料制成各種結(jié)構(gòu)，只有蜂窩狀結(jié)構(gòu)同時具有大容積和大剛度等特性。常用的如正六邊形、菱形、矩形、正弦波形等形式的蜂窩結(jié)構(gòu)中，正六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)能以最少的材料獲得最大的受力，結(jié)構(gòu)效率最高，制造簡單，應(yīng)用最為廣泛[1—3]，對航空航天發(fā)展起到了極大的促進(jìn)作用。傳統(tǒng)的金屬蜂窩壁板結(jié)構(gòu)包含3 部分：中間的蜂窩芯體及上下兩塊面板，各部分通過釬焊連接為一個整體。

蜂窩壁板結(jié)構(gòu)具有許多常規(guī)材料所不具備的特性，如較高的比強度、比剛度以及優(yōu)良的隔熱和隔聲性能[4—7]，其綜合性能十分突出[8—12]。這是因為蜂窩結(jié)構(gòu)是一種不連續(xù)的空心材料，且厚度一般較薄，實體部分體積所占比例很小，因此蜂窩壁板密度小，質(zhì)量輕；其次蜂窩壁板結(jié)構(gòu)類似于大量具有較高抗壓強度的工字梁結(jié)構(gòu)的集合，因此抗壓縮變形能力優(yōu)異；同時由于面板有蜂窩芯的支持，且面板高度遠(yuǎn)低于蜂窩芯的高度，蜂窩壁板的剛度隨之呈指數(shù)形式增大，因此蜂窩結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好且剪切強度高。蜂窩芯體與面板連接成整體后，在蜂窩壁板內(nèi)形成了無數(shù)個接近真空的密閉六角柱形空間，熱量以熱傳導(dǎo)方式進(jìn)入蜂窩壁板結(jié)構(gòu)后，無法以對流的形式，只能以芯格壁內(nèi)的輻射方式及芯格壁的熱傳導(dǎo)進(jìn)行熱傳遞，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，蜂窩壁板具有非常好的隔熱性能，因此金屬蜂窩壁板結(jié)構(gòu)在飛機的機身、機翼，火箭、衛(wèi)星等空間飛行器，以及海軍高速艦艇[13—15]中被廣泛應(yīng)用。

對于蜂窩壁板的成形工藝，國外研究較早，且技術(shù)較為成熟。20 世紀(jì)60 年代美國NASA 針對釬焊鈦合金蜂窩壁板的結(jié)構(gòu)工藝性能進(jìn)行了相關(guān)研究，并成功在機身構(gòu)件及航空發(fā)動機上得到應(yīng)用。國內(nèi)對于該方面的研究起步較晚，楊海波等[16]采用釬焊工藝制備鈦合金蜂窩壁板，并對其結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行了研究，驗證了鈦合金蜂窩壁板結(jié)構(gòu)在整體性能方面的優(yōu)勢。劉艷輝等[17]采用釬焊工藝制備了GH99 高溫合金蜂窩壁板，并對其平面壓縮和彎曲性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明高溫合金蜂窩壁板力學(xué)性能優(yōu)于普碳鋼及鎂鋁合金蜂窩壁板。

高溫合金蜂窩壁板結(jié)構(gòu)除具備傳統(tǒng)蜂窩壁板結(jié)構(gòu)優(yōu)點外，還具有更好的耐高溫、耐腐蝕等特性，可以滿足700～1100 ℃高溫環(huán)境條件下的使用要求，在高速飛行器舵翼面、操縱面及金屬熱防護結(jié)構(gòu)等部位具有較大的應(yīng)用前景[18—20]。比如美國X-33 的可重復(fù)使用運載器（RLV）迎風(fēng)面，其采用了1333 塊MA754蜂窩預(yù)封裝式熱防護結(jié)構(gòu)；日本HOPE 號航天飛機在550～1100 ℃高溫區(qū)，采用鎳基合金面板防熱結(jié)構(gòu)；荷蘭開展了“Delflt”航天載人試驗飛行器研究，該飛行器表面全部采用PM1000 鎳基高溫合金蜂窩熱防護結(jié)構(gòu)。

目前對于金屬蜂窩芯體的制造主要有拉伸法、成形法及燒結(jié)法。由于高溫合金蜂窩結(jié)構(gòu)芯格尺寸小，材料剛度與回彈量大，采用拉伸法無法有效制造出規(guī)格滿足使用要求的蜂窩芯體。燒結(jié)法制備的高溫合金蜂窩芯體芯格壁性能穩(wěn)定性及壁厚均勻性差、成本高[21]。成形法原理簡單且成形效率高，制造出的金屬蜂窩芯體精度較高，因此文中采用成形法制造高溫合金蜂窩芯體，先將高溫合金箔帶滾剪到要求高度，再采用成形法將箔帶形成半六角形的瓦楞板，然后采用激光焊或電阻點焊方法將瓦楞板連接制成蜂窩芯體，如圖1 所示，最后對其壓縮和剪切性能進(jìn)行了表征。開展高性能高溫合金蜂窩板制造技術(shù)及其力學(xué)性能的研究，對于高性能金屬蜂窩板的工程化應(yīng)用和促進(jìn)我國航空航天高性能新結(jié)構(gòu)的開發(fā)均具有重要的推動作用。

圖1 高溫合金蜂窩芯體制造過程Fig.1 Manufacturing process of superalloy honeycomb core

1 高溫合金蜂窩試樣制備工藝

1.1 蜂窩瓦楞板成形工藝

研制的高溫合金蜂窩芯體材料為GH3536，箔帶壁厚分別為0.05 mm 和0.1 mm，芯格尺寸分別為2 mm 和4 mm，芯體高度為12 mm，高溫合金蜂窩樣件尺寸為40 mm×30 mm。

采用成形法制造蜂窩芯體，半六邊形瓦楞板的成形質(zhì)量將直接決定蜂窩芯體的質(zhì)量，成形方式和設(shè)備的選擇均會對瓦楞板的成形質(zhì)量有重要影響。目前對于金屬材質(zhì)瓦楞板主要采用兩種方法成形：軋制成形法和輥壓成形法。軋制成形法效率高，適用于厚度較薄的瓦楞板的成形。瓦楞的成形必須依靠材料大范圍剛性遷移完成，但材料塑性變形發(fā)生在非常有限的區(qū)域，因此材料寬度必須足夠大。文中采用的高溫合金箔帶僅為0.05 mm 和0.1 mm，變形空間小，軋制成形易產(chǎn)生撕裂現(xiàn)象。輥壓成形法是通過齒形輥將箔材滾壓成瓦楞板，成形原理簡單，對設(shè)備要求不高，且成形效率與成形精度高，故對于高溫合金蜂窩芯體用瓦楞板，采用輥壓成形法最為合適。

采用齒輪對瓦楞板進(jìn)行輥壓成形的方法較為普遍，其中輥壓齒輪需根據(jù)瓦楞板形狀、尺寸進(jìn)行設(shè)計，需遵循瓦楞板中性層相鄰波峰和波谷的長節(jié)距等于輥輪副中心層節(jié)距的原則，其質(zhì)量直接影響瓦楞板質(zhì)量和加工效率。文中待成形的瓦楞板屬于半正六邊形結(jié)構(gòu)，尺寸參數(shù)如圖2 所示，其中α=120°，t=0.05 mm。當(dāng)芯格尺寸為2.0 mm 時，a=1.05 mm，芯格尺寸為4.0 mm 時，a=2.05 mm。齒輪設(shè)計包括齒數(shù)n的確定以及齒形設(shè)計，齒數(shù)過少，在成形過程中易發(fā)生咬齒現(xiàn)象，導(dǎo)致成形后瓦楞板出現(xiàn)撕裂、偏斜現(xiàn)象，為此設(shè)計齒輪時，理論上直徑越大越好，齒輪角度β′越接近α′，即120°，如圖3 所示，但齒輪直徑過大會增加齒輪制造成本。對于芯格尺寸為2.0 mm，初步設(shè)計齒輪齒數(shù)n=120，β′=118.5°，對于芯格尺寸為4.0 mm，初步設(shè)計齒輪齒數(shù)n=60，β′=117°。由于需要考慮箔材厚度的影響，凹齒邊長a′根據(jù)瓦楞板輪廓長度進(jìn)行設(shè)計，為確保齒輪成形過程中不發(fā)生干涉，考慮留出一定間隙，對于芯格尺寸為2.0 mm 的瓦楞板，a′取1.212 mm，芯格尺寸為 4.0 mm 的瓦楞板，a′取2.367 mm，對加工后的齒輪棱進(jìn)行倒圓角，圓角半徑r=2t=0.1 mm。

圖2 瓦楞板尺寸參數(shù)Fig.2 Dimension parameters of corrugated board

圖3 成形齒輪齒形參數(shù)及成形齒輪設(shè)計圖Fig.3 Tooth profile parameters and design drawing of formed gear

為滿足高硬度高溫合金的加工需求，齒輪材料選用進(jìn)行過淬火處理的能提供較高齒面硬度的W2 高碳合金工具鋼。圖4 和圖5 分別為加工后的成形齒輪和設(shè)計的齒輪輥壓裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，其工作原理是電動機帶動主軸轉(zhuǎn)動，依靠平鍵聯(lián)接使主動齒輪轉(zhuǎn)動，從而帶動從動齒輪與從動軸轉(zhuǎn)動，金屬箔材經(jīng)過導(dǎo)向機構(gòu)送入齒輪嚙合區(qū)，進(jìn)行輥壓成形。

圖4 成形齒輪圖Fig.4 Forming gear diagram

圖5 齒輪輥壓裝置示意圖Fig.5 Schematic diagram of gear rolling device

由于制備的高溫合金蜂窩芯格尺寸僅為2.0 mm和4.0 mm，壁厚僅為0.05 mm，高度較高，達(dá)到12 mm，且高溫合金材料強度和屈服強度較高，在蜂窩成形過程中存在成形性能差，成形后易回彈等缺點。在瓦楞板成形過程中，成形齒輪尺寸精度不足，齒輪間嚙合配合不夠精確，兩側(cè)壓力不均，易導(dǎo)致成形后的瓦楞板出現(xiàn)尺寸偏差大，芯格偏斜、扭曲，甚至撕裂現(xiàn)象，而瓦楞板的成形質(zhì)量直接關(guān)系到后續(xù)蜂窩芯體的拼焊質(zhì)量。文中重點針對高溫合金蜂窩成形回彈大、成形難度大的問題展開研究。采用FWCX003型金屬蜂窩成形裝置進(jìn)行瓦楞板成形試驗，并觀察瓦楞板的成形效果，如果瓦楞板尺寸成形不到位，說明成形壓力不足，則需要調(diào)整兩端壓力，保證成形尺寸到位；如果瓦楞板兩端出現(xiàn)撕裂現(xiàn)象，說明壓力過大或成形齒輪根部出現(xiàn)咬齒現(xiàn)象，則需調(diào)整壓力或打磨成形齒輪的根部，消除齒輪嚙合過程的咬齒現(xiàn)象；如果瓦楞板出現(xiàn)偏斜或弧形現(xiàn)象，兩端尺寸不一致，說明在裝配過程中成形壓力不均，則需采用力矩扳手調(diào)整瓦楞板尺寸偏小一側(cè)的壓力，保證兩端壓力均勻。根據(jù)成形后瓦楞板尺寸檢測情況，分別采取不同調(diào)整措施，來使成形后的瓦楞板尺寸精度滿足±0.1 mm 要求。

1.2 蜂窩瓦楞板焊接工藝

采用電阻點焊方式將成形的半六邊形瓦楞板進(jìn)行拼焊，得到高溫合金蜂窩芯體。在對瓦楞板進(jìn)行拼焊前，采用丙酮對其表面進(jìn)行清洗，去除表面油污，避免點焊過程發(fā)生燒蝕現(xiàn)象。由于點焊是利用電流對工件做功產(chǎn)生的熱量，使工件接觸表面熔化從而形成熔核，所以影響熔核形成質(zhì)量的好壞關(guān)鍵在于產(chǎn)生熱量的大小與速度，點焊焊點質(zhì)量主要與焊接電流和焊接時間兩個參數(shù)相關(guān)。為此通過調(diào)整不同的焊接電流和焊接時間，根據(jù)焊點質(zhì)量來確定最佳點焊工藝參數(shù)。根據(jù)確定的最佳點焊工藝，調(diào)整儲能點焊機工藝參數(shù)，并按照圖6 所示方式對瓦楞板進(jìn)行定位，定位過程中要保證拼焊瓦楞板間隙，如果間隙過大，將會引起焊點燒穿或飛濺，直接影響焊點質(zhì)量。

圖6 瓦楞板點焊過程定位Fig.6 Positioning of corrugated board spot welding process

2 結(jié)果與分析

2.1 蜂窩瓦楞板輥壓成形工藝研究

基于輥壓成形法采用齒輪輥壓裝置成形了兩組瓦楞板，芯格尺寸分別為2 mm 和4 mm，如圖7 所示。兩種瓦楞板尺寸檢測結(jié)果如表1 所示，從瓦楞板檢測結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，瓦楞板無撕裂、偏斜現(xiàn)象，這表明在瓦楞板成形過程中，成形滾輪尺寸精度足夠，滾輪間嚙合配合精確，兩側(cè)壓力滿足需求，但成形后的瓦楞板深度尺寸不足，角度也較要求值偏低，因此還需對瓦楞板進(jìn)一步做校形處理，以更好滿足后續(xù)蜂窩芯體拼焊尺寸精度要求。

圖7 成形后瓦楞板Fig.7 Corrugated board after forming

表1 成形后瓦楞板尺寸檢測結(jié)果Tab.1 Dimension test results of corrugated board after forming

2.2 蜂窩瓦楞板整形工藝研究

高溫合金蜂窩芯體用瓦楞板高度較高，且瓦楞板箔材厚度很薄，在輥壓齒輪初成形過程中極易產(chǎn)生變形，如果變形太大，則會在很大程度上影響到下一步的裝夾和點焊，從而降低蜂窩芯體的綜合力學(xué)性能。另外在初成形過程中存在彎曲回彈，導(dǎo)致瓦楞板彎曲角度及半徑難以達(dá)到設(shè)計要求，因此要保證蜂窩芯體滿足成形精度要求，必須對初成形的瓦楞板進(jìn)行精密校形處理。如圖8 所示的校形模具齒形根據(jù)瓦楞板輪廓進(jìn)行設(shè)計，在模具上設(shè)置定位孔，以保證上下模校形過程位置的準(zhǔn)確度，同時在側(cè)壁增設(shè)螺紋孔，便于搬運以及安裝。由于模具需承受大噸位壓力，為提高模具強度及韌性，其材料選用經(jīng)過中溫淬火+高溫回火熱處理方式的冷作模具鋼Cr12。

圖8 瓦楞板校形模具Fig.8 Sizing mould of corrugated board

經(jīng)多次整形試驗后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)選取的整形壓力為30 t 時，校形后的瓦楞板沒有產(chǎn)生破裂、起皺、屈曲等缺陷，同時也可對齒輪輥壓成形產(chǎn)生的寬向彎曲進(jìn)行矯正，使瓦楞板整體結(jié)構(gòu)精度達(dá)到使用要求，見圖9。任取校形后的瓦楞板的5 個齒進(jìn)行測量，其尺寸檢測結(jié)果如表2 所示，從表2 可發(fā)現(xiàn)，校形后的瓦楞板角度尺寸及尺寸深度較表1 中有所增加，誤差在允許范圍內(nèi)，基本符合設(shè)計要求。

圖9 校形后的瓦楞板Fig.9 Corrugated board after sizing

表2 校形后瓦楞板尺寸檢測結(jié)果Tab.2 Dimension test results of corrugated board after sizing

2.3 蜂窩芯體點焊裝置設(shè)計及點焊工藝研究

由于點焊焊點質(zhì)量主要由焊接電流和焊接時間兩個參數(shù)決定，為了探究高溫合金蜂窩芯體最佳點焊工藝參數(shù)，對兩層厚度為0.05 mm 的GH3536 箔帶進(jìn)行點焊試驗，研究在不同的焊接電流和焊接時間下對應(yīng)的焊點質(zhì)量情況，如表3 所示。

表3 不同電阻點焊工藝參數(shù)對應(yīng)焊點質(zhì)量Tab.3 Solder joint quality corresponding to different process parameters of resistance spot welding

由表3 可知，當(dāng)焊接時間為0.005 s，焊接電流小于500 A 時，焊點強度不足；焊接電流為500 A時，焊點強度較高，無燒蝕現(xiàn)象，能夠滿足使用要求；當(dāng)焊接電流繼續(xù)增加時，焊點出現(xiàn)燒蝕，甚至穿透現(xiàn)象。當(dāng)焊接電流為500 A，焊接時間為0.001 s時，焊接時間不足，未能形成完整熔核；隨著焊接時間的增加，焊點強度提高，焊接時間達(dá)0.005 s 時，焊點強度較高；繼續(xù)增加焊接時間，焊點強度無太大變化。為此，對于厚度為0.05 mm 的GH3536 箔帶，最佳的點焊工藝參數(shù)為：焊接電流500 A，焊接時間0.005 s。根據(jù)確定的最佳點焊工藝，調(diào)整儲能點焊機工藝參數(shù)，并按照圖10 所示方式進(jìn)行蜂窩芯體點焊試驗。

圖11 為拼焊后的GH3536 高溫合金蜂窩芯體樣件，對拼焊后的蜂窩芯體樣件焊點質(zhì)量進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)焊點質(zhì)量良好，無虛焊、脫焊、燒蝕及燒穿現(xiàn)象，滿足使用要求。

2.4 蜂窩芯體性能表征及失效分析

參照ASTM 標(biāo)準(zhǔn)對制備的GH3536 蜂窩芯體分別進(jìn)行壓縮、剪切性能測試。根據(jù)ASTM365 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，壓縮試樣取50 mm×50 mm。如圖12 所示，試驗在壓縮試驗機上進(jìn)行，上下兩塊加載板對蜂窩夾層結(jié)構(gòu)施加壓力，加載采用位移控制，位移加載速率設(shè)定為0.5 mm/min，并通過測量其間距的變化得到應(yīng)力-應(yīng)變曲線，具體測試結(jié)果如表4 所示，其中編號1—5的蜂窩材料為GH3536，蜂窩規(guī)格為2.0-0.05-12；編號 6—10 的蜂窩材料為 GH3536，蜂窩規(guī)格為4.0-0.05-12，兩組失效方式均為蜂窩芯體失穩(wěn)。圖13為蜂窩芯體壓縮失效圖片，可以發(fā)現(xiàn)壓縮后蜂窩芯體發(fā)生失穩(wěn)，繼續(xù)壓縮會發(fā)生迭代現(xiàn)象。

圖10 高溫合金蜂窩芯體拼焊裝置Fig.10 Welding equipment for superalloy honeycomb core

圖11 GH3536 高溫合金蜂窩芯體樣件Fig.11 Sample of GH3536 superalloy honeycomb core

圖12 壓縮試驗安裝圖Fig.12 Installation drawing of compression test

依據(jù)ASTMC273 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行高溫合金蜂窩芯體的剪切試驗，剪切試驗件尺寸為180 mm×50 mm。剪切試驗裝置如圖14a 所示，在試驗過程中，上下兩塊加載板對蜂窩夾層結(jié)構(gòu)上下面板施加拉力，而試驗夾具可以不斷旋轉(zhuǎn)，從而保證試驗機力值加載線始終通過試驗件對角線，加載同樣采用位移控制，位移加載速率設(shè)定為0.5 mm/min。兩組高溫合金蜂窩芯體剪切試驗結(jié)果如表5 所示，兩組失效方式均為蜂窩芯體發(fā)生S 形變形失穩(wěn)，同時由圖14b 可知，蜂窩芯體在剪切試驗下發(fā)生了明顯的S 形變形失穩(wěn)。

表4 高溫合金蜂窩芯平面壓縮測試結(jié)果Tab.4 Plane compression test results of superalloy honeycomb core

圖13 高溫合金蜂窩芯壓縮失效圖Fig.13 Compression failure diagram of superalloy honeycomb core

圖14 高溫合金蜂窩芯剪切實驗Fig.14 Shear test of superalloy honeycomb core

表5 高溫合金蜂窩芯剪切測試結(jié)果Tab.5 Shear test results of superalloy honeycomb core

3 結(jié)語

高溫合金蜂窩壁板具有比強度、比剛度高，隔熱性能好，耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)良特性，作為一種為了適應(yīng)航空航天科技的特殊需求而發(fā)展起來的輕量化復(fù)合結(jié)構(gòu)，其使用對航空航天的發(fā)展起了很大的推動作用。針對高溫合金蜂窩成形回彈大、成形難度高的問題，提出采用輥壓成形、整形和點焊三步成形法制備高溫合金蜂窩壁板。通過調(diào)整和優(yōu)化工藝參數(shù)，得到了滿足使用需求的高溫合金蜂窩壁板，并對其分別進(jìn)行壓縮、剪切性能測試和失效分析，得到了不同規(guī)格的高溫合金蜂窩壁板的最大壓縮力、平面壓縮強度以及失效方式，為其在航空航天等領(lǐng)域的深入應(yīng)用提供了有效指導(dǎo)。