[发明专利]钛合金空心节点球及其制备方法

说明书

本发明涉及一种钛合金空心节点球及其制备方法，空心节点球的球直径为Ф40～60mm，球壁厚为2～10mm；球面均匀分布接头连接孔，连接孔轴线均通过球心，连接孔内壁为工作面，可为螺纹连接或卡榫连接形式。其制备方法包括如下步骤：设计在端面装配有限位台阶和销孔的空心节点半球模型，以雾化球形Ti‑6Al‑4V和氢化脱氢不规则两种钛合金混合粉末为原料，采用催化脱脂型粘结剂，通过粉末注射成形技术制备出空心节点半球坯件，将脱脂后的半球坯件端面均匀涂敷Cu‑Sn‑Ti焊膏，相扣得到完整节点球；随后将其进行烧结处理冷却后制得。该方法制备的钛合金空心节点球成本低、一致性好、尺寸精度高，组织细小均匀，力学性能优异。

技术领域

本发明涉及粉末冶金技术领域，特别涉及钛合金空心节点球及其制备方法。

背景技术

随着卫星有效载荷技术的快速发展，移动通信、对地观测、数据中继、微波遥感等卫星提出了星载可展开结构大型化要求。现在的许多科学研究计划，如空间科学计划、地球科学计划和人类宇宙探索计划也都要求大型的空间结构，而大型空间结构一般都是利用在轨组装的方式进行构建，要求材料质量轻、刚度轻、可靠性强、稳定性好，因而可在轨组装的高性能空间桁架的研究已经成为解决大型空间结构的核心问题。桁架结构及桁架杆件能够充分发挥材料性能，适用于大跨度甚至超大跨度结构，具有扩展能力强、结构效率高、功能多样性等优点。空间桁架结构制造包括桁架杆件制造以及空心结构金属节点球制造，目前桁架杆件的制造技术较为成熟，而空心节点球的制造研究有待深入。

空心节点球在网架结构中作为节点，是大型桁架结构的核心关键零件，可以用来传递三维力流，改变网架结构中的内力分布，直接影响到桁架结构的稳定性和可靠性。作为星载可展开桁架结构，空心节点球既要求具有优异的结构强度，又要求整体轻量化设计，而钛合金材料很好的满足这一要求。钛合金作为一种重要的高温轻质结构材料，具有低密度、高比强度和比刚度，优异的耐高温和耐腐蚀性能，广泛应用于航空航天制造领域。目前节点球多采用传统的机械加工方法，由于各孔轴线是过球心空间分布，角度变化多，各孔位的角度变化复杂，在加工中反复装夹会造成较大的重复定位误差，加工精度低。另有通过在节点球上先制作一个螺栓孔，然后在孔中装入螺栓以便进一步加工，但此方法工序复杂，生产效率低下，生产成本较高。此外，空心节点球的球体内部结构复杂，内部材料难以去除。另一方面钛合金材料本身的机加工性能较差，加工成本较高，进一步限制了传统机加工技术在钛合金空心节点球上的应用。因此，如何实现节点球的空心结构制造、减小机加工过程已经成为解决问题的关键。

粉末注射成形技术是将粉末冶金与注塑成型技术相结合而形成的一门新型近终成形技术，可以批量化制备具有三维复杂形状的零部件，实现空心结构制造，有效控制壁厚，直接制备出具有或接近最终形状的零件，减少机加工过程，为实现钛合金空心节点球的制造提供了新思路。

发明内容

本发明的目的是为解决以上问题，本发明提供大型桁架用钛合金空心节点球及其低成本批量化制备方法。

根据本发明的一个方面，提供一种钛合金空心节点球，钛合金空心节点球以粉末为原料通过注射成形并烧结后制备而成，空心节点球的球直径为Ф40～60mm，球壁厚为2～10mm；球面分布接头连接孔，连接孔直径为Ф4～12mm，连接孔数量为4～18个孔，连接孔位于球顶、球底、赤道面和/或南纬45°圆周及北纬45°圆周处，并均匀分布；连接孔轴线均通过球心，连接孔内壁为工作面，为螺纹连接或卡榫连接形式。

其中，当采用螺纹连接时，为M4-M10内螺纹，螺纹长度为8-12mm；当采用卡榫连接时，连接孔外孔口设容差锥，锥角为10°～20°，连接孔内孔口设置锁紧锥，锥角为15°～45°。

其中，粉末包括Ti-6Al-4V合金粉末和不规则氢化脱氢粉末。

其中，Ti-6Al-4V合金粉末和不规则氢化脱氢粉末的平均粒度D₅₀为10～40μm，其中不规则氢化脱氢粉末的含量是原料粉末的0～50％。