CN101323919B - 一种真空压力浸渗制备金属基复合材料的方法 - Google Patents
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Abstract
一种真空压力浸渗制备金属基复合材料的方法，它涉及一种制备金属基复合材料的方法。本发明的目的是为解决现有真空气压浸渗方法存在工作压力低、一次投资设备昂贵、工艺复杂的问题。本发明方法：真空容器内的真空度达到1Pa～10-3Pa，并将真空容器内的温度加热至金属合金熔点以上5℃～200℃，保温10～90分钟，模具内的压强为0.1MPa～200MPa，保持压力20～60分钟。本发明可制备传统的气压浸渗方法无法制备的预制体临界浸渗压力过大的金属基复合材料。与传统方法相比，本发明的浸渗高压范围只局限于形状简单、厚度大的模具中，压力来源于液压油缸推动的机械压力，安全性高，并可在普通的真空热压烧结设备上实施。
Description
技术领域
本发明涉及一种制备金属基复合材料的方法。
背景技术
金属基复合材料的制造方法主要有搅拌法和浸渗法。搅拌法只适合于孤立增强体，即1-3复合材料的制备。浸渗法分为无压浸渗和压力浸渗，无压浸渗对金属合金和增强体的种类和性能有限制，只有符合增强体和金属合金之间能够互相润湿的条件才可应用无压浸渗方法。压力浸渗包括真空压力浸渗和空气中的挤压铸造方法。挤压铸造方法由于铸造前的预热会带来空气中的氧化，所以，诸如炭材料等容易氧化的增强体需要用真空压力浸渗方法。
现有的真空压力浸渗方法是在真空环境下将金属熔化后，将预制体全部浸入金属熔体，再对容器充一定气压，依靠气体压力将金属熔液压入预制体的孔隙中。或是用覆盖熔剂在金属熔体表面形成一层保护膜，直接采用压缩空气为压力源，将金属熔体压入预制体中。这两种方法都是依靠高压气体提供浸渗压力，一方面所能达到的压力有限，对于临界压力大于1MPa的预制体来说，浸渗将很难进行。另一方面，在形状复杂、体积较大的真空容器内部充满高压气体极易产生安全隐患，一旦出现事故，后果不堪设想。要保证系统的安全性，就大大增加了真空气压浸渗工艺设备的成本。现有真空气压浸渗方法存在工作压力低、一次投资设备昂贵、工艺复杂的问题。
发明内容
本发明的目的是为解决现有真空气压浸渗方法存在工作压力低、一次投资设备昂贵、工艺复杂的问题，提供一种真空压力浸渗制备金属基复合材料的方法。本发明的方法使用的设备由液压油缸、压头、密封塞、真空容器、加热体、模具和底座组成，真空容器设置在底座上，真空容器内设有加热体，模具的底端与底座的顶端相连接，液压油缸设置在真空容器的上部，压头设置在液压油缸的下端，密封塞设置在压头的下端，密封塞为石墨材料制成，密封塞的直径比模具的内径Ф大0.5mm～2.5mm，密封塞上的压头为实心金属材料或内部有冷却水管道的金属材料制成，压头的直径比模具的内径Ф小0.5mm～10mm；本发明的方法由以下步骤实现：首先将金属基复合材料的预制体和金属合金放入到模具内，预制体的孔隙率在15％～90％之间，然后抽真空，使真空容器内的真空度达到1Pa～10-3Pa，并将真空容器内的温度加热至金属合金熔点以上5℃～200℃，保温10～90分钟，模具内的金属合金熔化后，启动液压油缸推动压头使密封塞进入模具内，模具内的压强为0.1MPa～200MPa，金属液体在密封塞的压力作用下渗入到预制体的孔隙内，保持压力2～60分钟，停止保温和加热，待真空容器内温度降至室温，将模具取出，利用车削方法将复合材料取出。
本发明的浸渗压强最高可达到200MPa，相当于2000个大气压，可制备传统的气压浸渗方法无法制备的预制体临界浸渗压力过大的金属基复合材料。与传统方法相比，本发明的浸渗高压范围只局限于形状简单(圆柱形)、厚度大的模具中，压力来源于液压油缸推动的机械压力，安全性高、成本低，并可在普通的真空热压烧结设备上实施。本发明对于制备小批量、较大尺寸、复杂形状的金属基复合材料构件具有成本低、工艺简单、复合材料致密度高等优点。本发明适用于制造复合材料预制体的临界压力大于传统的真空气压浸渗工艺所能达到的最大压力的小批量生产以及其他需要真空压力浸渗制备的金属基复合材料。
附图说明
图1是本发明方法中使用的设备结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：(参见图1)本实施方式的方法使用的设备由液压油缸1、压头2、密封塞3、真空容器4、加热体5、模具8和底座9组成，真空容器4设置在底座9上，真空容器4内设有加热体5，模具8的底端与底座9的顶端相连接，液压油缸1设置在真空容器4的上部，压头2设置在液压油缸1的下端，密封塞3设置在压头2的下端，密封塞3为石墨材料制成，密封塞3的直径比模具8的内径Ф大0.5mm～2.5mm，密封塞3上的压头2为实心金属材料或内部有冷却水管道的金属材料制成，压头2的直径比模具8的内径Ф小0.5mm～10mm，这样的设计保证了高压下的密封，金属材料压头或内部有冷却水管道的金属压头使密封塞的温度低于浸渗金属的熔点，当在高压下，金属熔体会进入密封塞3与模具8之间的缝隙并凝固，达到自密封的效果；本发明的方法由以下步骤实现：首先将金属基复合材料的预制体7和金属合金6放入到模具8内，预制体7的孔隙率在15％～90％之间，然后抽真空，使真空容器4内的真空度达到1Pa～10-3Pa，并将真空容器4内的温度加热至金属合金熔点以上5℃～200℃，保温10分钟～90分钟，模具8内的金属合金6熔化后，启动液压油缸1推动压头2使密封塞3进入模具8内，此时密封塞3与模具8缝隙的金属液体遇到温度较低的密封塞3凝固并起到密封作用，模具8内的压强为0.1MPa～200MPa，金属液体在密封塞3的压力作用下渗入到预制体7的孔隙内，保持压力20～60分钟，停止保温和加热，待真空容器4内温度降至室温，将模具8取出，利用车削方法将复合材料取出即可。
具体实施方式二：(参见图1)本实施方式预制体7的孔隙率为20％～80％之间。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：(参见图1)本实施方式预制体7的孔隙率为30％～70％之间。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：(参见图1)本实施方式真空容器4内的真空度为1Pa。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：(参见图1)本实施方式模具8内的压强为10MPa～150MPa。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：(参见图1)本实施方式模具8内的压强为20MPa～130MPa。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：(参见图1)本实施方式模具8内的压强为70MPa。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式八：本实施方式选择连通孔隙率为15％、平均孔径为1um的石墨材料作为预制体7，2024铝合金作为金属合金6，G3高纯石墨为压头2的下层，压头2下层的直径大于模具8的内径2mm，选择紫铜材料作为压头2的上层，压头2上层的直径小于模具内径3mm，真空容器4内的真空度达到10-2Pa后，将模具8加热至760℃，保温60分钟，浸渗压强为18MPa，得到的铝/石墨复合材料弯曲强度为149MPa，比预制体石墨材料的弯曲强度(62MPa)提高140％。
具体实施方式九：本实施方式选择连通孔隙率为50％、平均孔径为500um的石墨纤维材料作为预制体7，AZ91镁合金作为金属合金6，G3高纯石墨为压头2的下层，压头2下层的直径大于模具8的内径2mm，选择内有冷却水管道的紫铜材料为压头2的上层，压头2上层的直径小于模具8的内径3mm，真空容器4内的真空度达到10-1Pa后，将模具8加热至710℃，保温75分钟，浸渗压强为6MPa，得到的镁/石墨纤维复合材料弯曲强度为1030GPa。
Claims (10)
1.一种真空压力浸渗制备金属基复合材料的方法，所述方法使用的设备由液压油缸(1)、压头(2)、密封塞(3)、真空容器(4)、加热体(5)、模具(8)和底座(9)组成，真空容器(4)设置在底座(9)上，真空容器(4)内设有加热体(5)，模具(8)的底端与底座(9)的顶端相连接，液压油缸(1)设置在真空容器(4)的上部，压头(2)设置在液压油缸(1)的下端，密封塞(3)设置在压头(2)的下端，密封塞(3)为石墨材料制成，密封塞(3)的直径比模具(8)的内径Φ大0.5mm～2.5mm，密封塞(3)上的压头(2)为实心金属材料或内部有冷却水管道的金属材料制成，压头(2)的直径比模具(8)的内径Φ小0.5mm～10mm；其特征在于：所述的方法由以下步骤实现：首先将金属基复合材料的预制体(7)和金属合金(6)放入到模具(8)内，预制体(7)的孔隙率在15％～90％之间，然后抽真空，使真空容器(4)内的真空度达到1Pa～10-3Pa，并将真空容器(4)内的温度加热至金属合金熔点以上5℃～200℃，保温10～90分钟，模具(8)内的金属合金(6)熔化后，启动液压油缸(1)推动压头(2)使密封塞(3)进入模具(8)内，模具(8)内的压强为0.1MPa～200MPa，金属液体在密封塞(3)的压力作用下渗入到预制体(7)的孔隙内，保持压力20～60分钟，停止保温和加热，待真空容器(4)内温度降至室温，将模具(8)取出，利用车削方法将复合材料取出即可。
2.根据权利要求1所述的一种真空压力浸渗制备金属基复合材料的方法，其特征在于：预制体(7)的孔隙率为20％～80％之间。
3.根据权利要求1所述的一种真空压力浸渗制备金属基复合材料的方法，其特征在于：预制体(7)的孔隙率为30％～70％之间。
4.根据权利要求1所述的一种真空压力浸渗制备金属基复合材料的方法，其特征在于：预制体(7)的孔隙率为15％。
5.根据权利要求1所述的一种真空压力浸渗制备金属基复合材料的方法，其特征在于：预制体(7)的孔隙率为50％。
6.根据权利要求1所述的一种真空压力浸渗制备金属基复合材料的方法，其特征在于：真空容器(4)内的真空度为1Pa。
7.根据权利要求1所述的一种真空压力浸渗制备金属基复合材料的方法，其特征在于：真空容器(4)内的真空度为10-2Pa。
8.根据权利要求1所述的一种真空压力浸渗制备金属基复合材料的方法，其特征在于：真空容器(4)内的真空度为10-1Pa。
9.根据权利要求1所述的一种真空压力浸渗制备金属基复合材料的方法，其特征在于：模具(8)内的压强为10MPa～150MPa。
10.根据权利要求1所述的一种真空压力浸渗制备金属基复合材料的方法，其特征在于：模具(8)内的压强为20MPa～130MPa。
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