CN101219471A - 一体化镁基复合材料制备装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一体化镁基复合材料制备装置，包括熔炼装置和挤压装置，其特点是所述的挤压装置，其凹模桶和成形模底部出口用顶杆密封，凹模桶上端口用垫块密封，形成一个密封模腔，所述熔炼装置的熔炼腔和挤压装置的模腔通过三通进液管连通，三通进液管的第三端通过D阀门与气压罐相连，挤压装置的模腔通过管道与真空泵连通，液位传感器插在熔炼腔内，与坩埚盖采用自密封螺纹连接。本发明通过一体化镁基复合材料制备装置的设计，将制备镁基复合材料所需的镁合金熔炼、浇注、浸渗、挤压成形四种工艺，在一个完全密封的一体化装置内完成。

Description

一体化镁基复合材料制备装置及方法

技术领域

本发明涉及一种一体化镁基复合材料制备装置，还涉及使用该装置制备镁基复合材料的方法。

背景技术

镁基复合材料具有低密度、高比强度、高比模量和优异的阻尼减振性能、低的热膨胀系数以及优异的铸造性能等，是一种轻量化、高性能结构材料。

真空浸渗法制备镁基复合材料，是先抽真空使晶须预制件处于真空状态，然后液态镁合金在真空造成的负压下渗入预制件中。

参照图2～4。文献“浸渍/挤压(SiCw+B4Cp)/Mg(AZ91)复合材料的界面特征，金头男，聂祚仁，李斗星.中国有色金属学报，2002，12(2)：284～289”公开了一种制备镁基复合材料的方法，该方法先利用真空液态浸渍法制备复合材料坯料，再将坯料经热挤压成复合材料棒材。

但是，该方法制备镁基复合材料要经过镁合金熔炼、浇注、浸渗、挤压成形四种工艺，所使用的装置有熔炼装置、浇注、浸渗装置以及挤压装置。

熔炼装置包括坩锅6、A电阻加热器5和坩锅盖15，坩锅6放在A电阻加热器5上，坩锅盖15置于坩锅6上，与坩锅6的锅沿用起密封作用的垫片8隔离后用沉头螺栓紧固，熔炼腔16通过管道分别与气压罐4和真空泵1连通，测金属液温度的热电偶9穿过坩锅盖15插入熔炼腔16内，保证与液面不接触，在熔炼腔16与气压罐4之间的管道上安装有C阀门11，在熔炼腔16与真空泵1之间的管道上安装有B阀门3。

浸渍装置包括密封腔26、浸渍模28，进液管25和通气孔27固定在密封腔26的上端壁面上，先通过通气孔27对密封腔26抽真空，在压力差作用下镁合金液7通过进液管25浇注到浸渍模28内的预制体21上，通气孔27通入保护气体，在气体压力作用下进行压力浸渍成形复合材料坯料29。

挤压装置包括凸模17、凹模桶19、B电阻加热器20、成形模23以及下垫板30，凹模桶19置于B电阻加热器20中，成形模23置于凹模桶19的下半部分，其上放置复合材料坯料29，凸模17则放入凹模桶19的上半部分，所有部件均置于下垫板30上。B电阻加热器20加热1～2小时，使复合材料坯料温度控制在温度在380～450℃，凸模17下行，将镁基复合材料挤出成形模23，最终成形镁基复合材料制件。

现有技术存在以下不足：镁基复合材料成形过程需要分装置、分步骤进行，装置复杂，操作步骤多；真空液态浸渗过程中难于实现镁合金液的定量浇注；在二次加热和固态热挤压中，镁基复合材料坯料长时间暴露在空气中，容易发生氧化，另外由于强化相与基体的变形抗力、膨胀系数不同，难于协调一致，二次加热和固态变形可能会影响其结合界面而降低制件性能。

发明内容

为了克服现有技术镁基复合材料制备装置分散的不足，本发明提供一种一体化镁基复合材料制备装置，通过该装置将制备镁基复合材料方法所需的镁合金熔炼、定量浇注、浸渗、挤压成形四种工艺，在一个完全密封的一体化装置内完成，可一次快速成形镁基复合材料制件。

本发明还提供使用这种装置制备镁基复合材料的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种一体化镁基复合材料制备装置，包括熔炼装置和挤压装置，其特点是所述的挤压装置，其凹模桶和成形模底部出口用顶杆密封，凹模桶上端口用垫块密封，形成一个密封模腔，所述熔炼装置的熔炼腔和挤压装置的模腔通过三通进液管连通，三通进液管的第三端通过D阀门与气压罐相连，挤压装置的模腔通过管道与真空泵连通，液位传感器插在熔炼腔内，与坩锅盖采用自密封螺纹连接。

一种使用上述装置制备镁基复合材料的方法，其特点是包括下述步骤：

(a)将预制体放置于凹模桶中，将镁合金锭块放置于坩锅内，密封凹模桶及坩锅；

(b)关闭C阀门11和D阀门12，关闭B阀门3，打开A阀门2，用真空泵对模腔及熔炼腔16内抽真空，当腔内真空度达到10～15KPa时，停止抽真空；

(c)关闭A阀门和B阀门，关闭C阀门，打开D阀门，通入Ar气，气体压力控制在0.2～0.9MPa；

(d)开启A电阻加热器加热2～5小时，使坩埚温度保持在600～850℃，B电阻加热器20加热1～2小时，使预制体及成型模温度控制在温度在400～700℃，熔化镁合金；

(e)关闭D阀门，同时打开A阀门和B阀门，用真空泵对模腔及坩锅腔抽真空，当炉腔内真空度达到10～15KPa时，停止抽真空；

(f)关闭A阀门和B阀门，打开C阀门，气体压力控制在0.7～0.9MPa，将镁合金吸入凹模桶中，进行浇注；

(g)继续通入Ar气，使镁合金液渗入到预制体中，空冷降温，当凹模桶温度降至400～500℃时，关闭C阀门，取走垫块及顶杆，凸模下行，将镁基复合材料挤出成形模，成形出镁基复合材料制件。

本发明的有益效果是：本发明通过一体化制备镁基复合材料的装置的设计，将制备镁基复合材料所需的镁合金熔炼、浇注、浸渗、挤压成形四种工艺，在一个完全密封的一体化装置内完成。通过对模腔及熔炼腔内的气体压力精密控制，可实现镁合金液的定量浇注及气体压力浸渗，并由液态一次挤压成形高性能镁基复合材料制件，达到对镁基复合材料的渗挤双控成形，高效节能，实现镁基复合材料制件的设计和制造一体化。另外，整个成形过程在真空及气体保护气氛下进行，可避免镁合金在制造过程中的氧化燃烧，利用真空吸渗可解决液态镁合金在预制件中分布不均匀的难题，提高复合材料制件的性能。

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。

附图说明

图1是本发明一体化镁基复合材料制备装置结构示意图。

图2是现有技术镁合金熔炼装置结构示意图。

图3是现有技术镁合金浇注、浸渗装置结构示意图。

图4是现有技术镁合金挤压装置结构示意图。

图中，1-真空泵，2-A阀门，3-B阀门，11-C阀门，12-D阀门，4-气压罐，5-A电阻加热器，6-坩锅，7-镁合金液，8-垫片，9-热电偶，10-压力表，13-传感器，14-三通进液管，15-坩锅盖，16-熔炼腔，17-凸模，18-垫块，19-凹模桶，20-B电阻加热器，21-预制体，22-测温孔，23-成形模，24-顶杆，25-进液管，26-密封腔，27-通气孔，28-浸渍模，29-复合材料坯料，30-下垫板。

具体实施方式

实施例1。参照图1。本实施例所用金属基体为AZ91D镁合金，预制体采用洛阳耐火材料研究所生产的硼酸铝晶须，预制体尺寸为45×30mm，采用湿法制备硼酸铝晶须预制件。

本发明的装置包括熔炼装置和挤压成型装置，熔炼装置通过三通进液管14与挤压成型装置的凹模桶19的模腔相连通，三通进液管14的第三端通过D阀门12与气压罐4相连，凹模桶19的模腔通过管道与真空泵1连通，熔炼腔16还分别通过管道与气压罐4相连和真空泵1连通。液位传感器13与坩锅盖15采用自密封螺纹连接，插在熔炼腔16内，测金属液温度的热电偶9插在熔炼腔16内，保证与液面不接触。在熔炼腔16与真空泵1之间的管道上安装有B阀门3。成形模23和凹模桶19之间采用间隙配合，底部平齐，B电阻加热器20包围凹模桶19，在凹模桶19侧壁，靠近预制体21的中心部位开有三个直径为φ5的测温孔22，用于放置测温的热电偶。凹模桶19和成形模23底部出口用顶杆24进行密封，在凹模桶19上端口上放置铜垫块18，利用凸模17加压进行密封，形成一个密封模腔。真空泵1和凹模桶19之间的管道上安装有A阀门2，凹模桶19与连接真空泵的管道采用自密封螺纹连接，三通进液管14与凹模桶19模腔采用自密封螺纹相连。将液位传感器13和热电偶9的输出线连于外部接口电路，计算机通过外部电路接收电压变化信号。

按上述方式连接装配完成后，关闭控制气压输入的C阀门11和D阀门12，关闭B阀门3，打开A阀门2，用真空泵对模腔及熔炼腔16内抽真空，当腔内真空度达到10～15KPa时，停止抽真空，继续下一步操作；否则，检查各接口处的密封情况，对于自密封螺纹连接在管口缠绕麻绳增强其密封性，按上面的连接顺序装配完毕后，继续下面的操作。关闭A阀门2和B阀门3，关闭C阀门11，打开D阀门12，通入Ar气，通过观察压力表10，控制气体压力在0.2～0.9MPa；启动温度控制系统，A电阻加热器5加热2～3小时，使坩埚温度温度保持在600～850℃，B电阻加热器20加热1～2小时，使预制体及成型模温度控制在温度在400～700℃，使得AZ91D镁合金全部熔化；

关闭D阀门12，同时打开A阀门2和B阀门3，用真空泵对模腔及熔炼腔抽真空，利用压力平衡既能使熔融镁合金不被吸进模腔，又能抽出预制体中的空气，避免在随后的浸渗过程中夹杂气孔缺陷，当炉腔内真空度达到10～15KPa时，停止抽真空；关闭A阀门2和B阀门3，打开C阀门11，气体压力控制在0.7～0.9MPa，利用气压和真空形成的压差将镁合金吸入凹模桶19中，通过液位传感器13测液面高度，当达到所需镁合金量的液面高度时，关闭C阀门11，打开D阀门12，实现镁合金的定量浇注；继续通入气压，使镁合金液在气压作用下向下渗流，浸入到预制体21中，空冷降温，当凹模桶温度在400～500℃时，关闭C阀门11，取走铜垫块18及顶杆24，凸模17下行，将镁基复合材料挤出成形模23，一次成形出高性能镁基复合材料制件。

实施例2。对硼酸铝晶须预制体进行涂层处理，采用用溶胶-凝胶法在硼酸铝晶须表面制得氧化铝涂层，以达到对晶须表面改性的目的。

步骤：(1)将制备好的有氧化铝涂层的硼酸铝晶须预制体放置于凹模桶19中，将AZ91D镁合金锭块放置于坩锅熔炼腔16中，连接装置及电路，将凹模桶19及坩锅6密封；

(2)关闭A阀门2和B阀门3，关闭C阀门11，打开D阀门12，通入Ar气，气体压力控制在0.2～0.9MPa；

(3)启动温度控制系统，A电阻加热器5加热2～5小时，使坩埚温度温度保持在600～850℃，B电阻加热器20加热1～2小时，使预制体及成型模温度控制在温度在400～700℃，使得AZ91D镁合金全部熔化；

(4)关闭D阀门12，同时打开A阀门2和B阀门3，用真空泵对模腔及坩锅腔抽真空，当炉腔内真空度达到10～15KPa时，停止抽真空；

(5)关闭A阀门2和B阀门3，打开C阀门11，气体压力控制在0.7～0.9MPa，利用气压和真空形成的压差将镁合金吸入凹模桶19中，通过液位传感器13测得的液面高度实现镁合金的定量浇注；

(6)继续通入Ar气，使镁合金液在气压作用下向下渗流，渗入到碳纤维预制体21中，空冷降温，当凹模桶温度降至400～500℃时，关闭C阀门11，取走铜垫块18及顶杆24，凸模17下行，将镁基复合材料挤出成形模23，一次成形出高性能碳纤维增强镁基复合材料制件。

Claims (6)

1.一种一体化镁基复合材料制备装置，包括熔炼装置和挤压装置，其特征在于：所述的挤压装置，其凹模桶和成形模底部出口用顶杆密封，凹模桶上端口用垫块密封，形成一个密封模腔，所述熔炼装置的熔炼腔和挤压装置的模腔通过三通进液管连通，三通进液管的第三端通过D阀门与气压罐相连，挤压装置的模腔通过管道与真空泵连通，液位传感器插在熔炼腔内，与坩锅盖采用自密封螺纹连接。

2.根据权利要求1所述的一体化镁基复合材料制备装置，其特征在于：所述的凹模桶上端口用垫块密封，是利用凸模加压方式进行。

3.根据权利要求1所述的一体化镁基复合材料制备装置，其特征在于：所述的凹模桶侧壁有测温孔。

4.根据权利要求1所述的一体化镁基复合材料制备装置，其特征在于：所述的凹模桶模腔与三通进液管采用自密封螺纹相连。

5.根据权利要求1所述的一体化镁基复合材料制备装置，其特征在于：所述的凹模桶与连接真空泵的管道采用自密封螺纹连接。

6.一种使用权利要求1所述装置制备镁基复合材料的方法，其特征在于包括下述步骤：

(a)将预制体放置于凹模桶中，将镁合金锭块放置于坩锅内，密封凹模桶及坩锅；

(b)关闭C阀门11和D阀门12，关闭B阀门3，打开A阀门2，用真空泵对模腔及熔炼腔16内抽真空，当腔内真空度达到10～15KPa时，停止抽真空；

(c)关闭A阀门和B阀门，关闭C阀门，打开D阀门，通入Ar气，气体压力控制在0.2～0.9MPa；

(d)开启A电阻加热器加热2～5小时，使坩埚温度保持在600～850℃，B电阻加热器20加热1～2小时，使预制体及成型模温度控制在温度在400～700℃，熔化镁合金；

(e)关闭D阀门，同时打开A阀门和B阀门，用真空泵对模腔及坩锅腔抽真空，当炉腔内真空度达到10～15KPa时，停止抽真空；

(f)关闭A阀门和B阀门，打开C阀门，气体压力控制在0.7～0.9MPa，将镁合金吸入凹模桶中，进行浇注；

(g)继续通入Ar气，使镁合金液渗入到预制体中，空冷降温，当凹模桶温度降至400～500℃时，关闭C阀门，取走垫块及顶杆，凸模下行，将镁基复合材料挤出成形模，成形出镁基复合材料制件。

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