CN102691021A - 真空浸渗－固液直接挤压制备铝基复合材料的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种真空浸渗－固液直接挤压制备铝基复合材料的装置及方法。熔炼坩埚安放在底部垫盘的上表面，底部垫盘和模具外套放置在模具支架的上表面。顶块置于熔炼坩埚内腔底部。顶杆的上端面与顶块配合，顶杆的下端面与四柱液压机顶出缸的活塞杆相接触。本发明将制备高性能铝基复合材料的所需的铝合金真空熔炼、浸渗、挤压、成形四种工艺，通过真空炉、电阻炉和四柱液压机、挤压浸渗模具完成，减少了复合材料的缩孔、缩松和空洞缺陷，增加了致密度，提高了铝基复合材料性能，并根据凸凹模的配合近净成形不同外形尺寸的铝基复合材料件。本发明通过顶出结构实现了铝基复合材料件的自动顶出，减少零部件的成形和加工工序。
Description
技术领域
本发明涉及材料成形领域，具体是一种真空浸渗－固液直接挤压制备铝基复合材料的装置及方法。
背景技术
铝基复合材料具有低密度、高比强度、高比模量、耐高温、耐磨损、热膨胀系数小、尺寸稳定性好以及优异的铸造性能等优点，是一种轻量化、高性能的结构材料，在航空航天、军事国防领域以及汽车、电子仪表等行业有着广泛的应用。
高真空度、高体积分数和高致密度是制备出高性能铝基复合材料的关键因素。目前，铝基复合材料常见的制备方法有搅拌铸造法、粉末冶金法、真空压力浸渗法等，但搅拌铸造法体积分数低、易产生气孔、增强体易团聚，粉末冶金法工艺设备复杂、成本偏高，制备复杂零件困难；真空压力浸渗法具有真空度高，可实现高浸渗压力等优势，已成为一种制备高性能铝基复合材料的常用方法。
经文献检索发现，中国专利公开号CN101323919A公布了一种真空压力浸渗制备铝基复合材料的方法。该方法具有真空度可达到1～10-3Pa、采用真空热压设备加压较方便、成本较低、工艺相对简单、复合材料致密度高等优点，但也存在着以下局限性：文中提到靠液压力传载到密封塞上加压金属液体浸渗成形复合材料件，受真空热压设备内腔尺寸和模具形状的限制，该过程更适宜于成形形状简单的小尺寸制件，对于尺寸较大、形状结构较复杂的复合材料件，该装置难以实现其整体成形；文中提到金属液体在密封塞的压力作用下渗入到预制体的孔隙，并经保温冷却后，将模具取出再利用车削方法将复合材料取出，取件过程不够简捷方便，不能直接便捷取出制件。且利用车削方法取出制件时，切削过程中也会对制件的形状尺寸造成一定的破坏，采用该种方法成形的复合材料的毛坯件难以实现近净成形，为获得最终理想的复合材料件，还需要后续修整和加工，工序较多，过程复杂。
发明内容
为克服现有技术中存在的高体积分数预制体临界浸渗压力大、高真空度难以保证、致密度不高的不足，并实现一些复杂铝基复合材料件的整体和近终成形，本发明提出了一种真空浸渗－固液直接挤压制备铝基复合材料的装置及方法。
本发明所述的真空浸渗－固液直接挤压制备铝基复合材料的装置包括熔炼坩埚、顶块、凸模、底部垫盘、顶杆、模具支架、模具外套和凹形块。熔炼坩埚安放在底部垫盘的上表面，底部垫盘和模具外套放置在模具支架的上表面。顶块置于熔炼坩埚内腔底部。在所述模具支架的中心、底部垫盘的中心和熔炼坩埚的底板中心均有顶杆的过孔，并且所述位于模具支架中心、底部垫盘中心和熔炼坩埚底板中心的顶杆过孔同心。顶杆的一端装入所述的顶杆过孔内，并使顶杆的上端面与顶块配合，顶杆的下端面与四柱液压机顶出缸的活塞杆相接触。模具外套固定在模具支架的上表面。
本发明还提出了一种使用所述真空浸渗－固液直接挤压制备铝基复合材料装置制备铝基复合材料的方法，其具体步骤为：
步骤1，碳布叠层穿刺预制体的制作与涂层处理。将3K平纹碳布裁剪成熔炼坩埚内壁尺寸的圆形片12-20片，并0°叠放整齐，并采用常规方法完成碳布叠层穿刺预制体的制作。将制作好的碳布叠层穿刺预制体安放在CVD炉内，采用常规方法沉积热解碳涂层。涂层工艺参数为：N2通入量为0.1～0.5m3/h，CH4通入量为16-24L/h，沉积温度为2000～2200℃，沉积时间为3～5小时，得到表面制备有热解碳涂层的碳布叠层穿刺预制体。
步骤2，安装铝合金熔炼装置。将顶块放置在熔炼坩埚内腔底部。将得到的表面制备有热解碳涂层的碳布叠层穿刺预制体放置于熔炼装置腔的顶块上面，将150～200g的铝合金块放置在碳布叠层穿刺预制体的上面。
步骤3，安装挤压浸渗模具。将挤压浸渗模具安装在四柱液压机上。将挤压浸渗模具中的凸模固定安装在四柱液压机的滑块上。将模具支架固定在四柱液压机工作台上。将底部垫盘和模具外套分别固定安装在模具支架上表面。顶杆与四柱液压机的下部液压顶出缸的活塞上表面相接触。至此，完成了挤压浸渗模具与四柱液压机的配合安装，通过操作四柱液压机的上部液压缸带动固定在立柱上的滑块下行和退回，通过操作四柱液压机的下部液压顶出缸实现下部顶出缸的上行和退回。
步骤4，对碳布叠层穿刺预制体进行初步浸渗。通过真空炉对碳布叠层穿刺预制体进行初步浸渗。真空炉抽真空至10-3～10-2Pa，并对置于铝合金熔炼装置内的铝合金块加热至650℃并保温0.5～1h，使所述铝合金块熔化。对铝合金熔炼装置内通入氮气保护气体，使铝合金熔炼装置内的压力达到0.1～0.5MPa，实现对碳布叠层穿刺预制体进行初步浸渗。
步骤5，对铝合金熔炼装置中的铝合金进行重熔。通过电阻加热炉对铝合金熔炼装置中的铝合金进行重熔。将经过初步浸渗的碳布叠层穿刺预制体随炉冷却至室温。将装有经过初步浸渗的碳布叠层穿刺预制体的铝合金熔炼装置移至电阻加热炉内加热至750～850℃，实现对铝合金的重熔。电阻加热炉的升温时间为2h。
步骤6，复合材料的最终浸渗。通过挤压浸渗模具完成复合材料的最终浸渗。当电阻加热炉升温至750～850℃时，将装有铝合金和经过初步浸渗的碳布叠层穿刺预制体的铝合金熔炼装置移至挤压浸渗模具的外套中，启动四柱液压机，使滑块以5～10mm/s的速度带动凸模垂直下行，在熔化的铝合金液表面施加10～100MPa的机械压力，当施加在熔化的铝合金液表面的压力达到10～100MPa时，保压30～120s，实现液态铝合金在碳布叠层穿刺预制体中的最终浸渗，得到铝基复合材料制件。待浸渗过程彻底完成之后，操作四柱液压机退出凸模。
步骤7，取出铝基复合材料制件。得到铝基复合材料制件后，将凹形块放置在挤压模具的上表面。操作四柱液压机使滑块带动凸模下行，直至凸模压紧凹形块和铝合金熔炼装置。启动压机顶出缸，通过顶杆将铝基复合材料制件顶出。
本发明保证了高真空度和熔化铝合金的真空炉中抽真空和熔炼，并利用熔化的合金液覆盖和密封了后续试验工艺步骤中的碳布叠层穿刺预制体，使得碳布叠层穿刺预制体孔隙中的气体杂质排出，从而提高浸渗质量和铝基复合材料性能。本发明利用凸凹模的加压配合实现铝基复合材料件的挤压浸渗，经过挤压后的复合材料，缩孔、缩松、空洞等缺陷可明显减少，致密度得到大大提高，显著提高铝基复合材料性能，并根据凸凹模配合形状来近净成形不同外形尺寸需求的铝基复合材料件，并通过顶出结构能够实现铝基复合材料件的自动顶出，减少零部件的成形和加工工序，取件方便，可实现其近终成形。
本发明还给出采用这系列装置进行高性能铝基复合材料制备的方法：一种分步的铝基复合材料制备方法，包括真空炉的真空状态下熔炼和通入保护气体氮气加压初步浸渗、重熔后的挤压浸渗装置以及实现挤压浸渗的过程，其特点是在第一个阶段中利用真空炉将碳布叠层穿刺预制体孔隙中的气体被抽出、更易于浸渗。当铝合金熔炼装置从真空炉中转移至电阻加热炉重熔后，虽然已不是真空环境，但是熔化的铝合金已经覆盖在碳布叠层穿刺预制体表面，顶块与熔炼坩埚及底部间隙也被熔化和渗流的合金液填充，形成了密封效果，碳布叠层穿刺预制体中的空隙依然没有杂质气体影响浸渗。当铝合金熔炼装置在真空炉中冷却至室温取出、并转移至电阻加热炉中重熔时，为保证铝合金液在液相状态下加压浸渗，待铝合金重熔到预定温度后，铝合金熔炼装置迅速转移至模具外套中，然后启动液压机滑块带动凸模快速加压浸渗压紧密实。加压浸渗完成之后，利用液压机滑块上固定的凸模、提前加工准备好的凹形块和顶杆的配合实现了铝基复合材料的自动顶出，取件容易，操作简单方便。
本发明采用分步的方法制备碳布增强铝基复合材料，将制备高性能铝基复合材料的所需的铝合金真空熔炼、浸渗、挤压、成形四种工艺，通过真空炉、电阻炉和四柱液压机、挤压浸渗模具完成，能够保证制备高性能铝基复合材料所需的高真空度、高浸渗压力条件。通过真空炉进行熔炼和初浸渗，保证制备碳布叠层穿刺预制体的真空度达到10-3～10-2Pa，并将预制体间隙中的气体杂质排除干净，提高了浸透率和浸渗效果。铝合金熔炼装置从真空炉转移到电阻加热炉中重熔时，尽管脱离了真空环境，但是熔化的铝合金覆盖在碳布叠层穿刺预制体的表面，顶块与熔炼坩埚及底部间隙也被熔化和渗流的合金液填充，起到了密封作用，碳布叠层穿刺预制体间隙中仍然能够没有气体杂质影响浸渗。将铝合金熔炼装置迅速转移到挤压浸渗模具中后，所施加机械压力为10～100MPa，促进合金液向预制体孔隙中浸渗。同时在机械压力的作用下，使铝基复合材料压紧密实，孔洞、缩孔、缩松等缺陷等得到明显的控制，保证了良好的浸渗结果。其次，在挤压保压铝基复合材料成形之后，利用凸模所压的凹形块和下面顶杆的配合，将复合材料及时顶出，取件方便简捷。最后，由于后面挤压成形装置靠凸凹模的配合来实现，因此设计不同结构形状的凸凹模尺寸可以实现不同外形尺寸的铝基复合材料件的近终和近净成形。
下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。
附图说明
图1是铝合金熔炼装置结构示意图。
图2是真空炉中真空熔炼合金和初步浸渗结构示意图。
图3是电阻加热炉中合金重熔结构示意图。
图4是本发明的结构示意图。图中：
1.熔炼坩埚2.铝合金3.碳布叠层穿刺预制体4.顶块5.真空炉外壳
6.真空炉发热体7.电阻炉外壳8.电阻炉发热体9.凸模10.底部垫盘
11.顶杆12.模具支架13.模具外套14.凹形块15.氮气加压口
16.抽真空口
具体实施方式
实施例1
本实施例是一种真空浸渗－固液直接挤压制备铝基复合材料的装置，包括熔炼坩埚1、顶块4、凸模9、底部垫盘10、顶杆11、模具支架12、模具外套13和凹形块14，以及配合使用的真空炉，电阻加热炉和四柱液压机等。熔炼坩埚1安放在底部垫盘10的上表面，而底部垫盘10和模具外套13直接放置在模具支架12上面，模具支架12在试验中被固定在四柱液压机的工作台上。顶块4在试验前被置于熔炼坩埚1内腔底部。在所述的模具支架12的中心、底部垫盘10的中心和熔炼坩埚1的底板中心均有顶杆11的过孔，并且所述位于12模具支架中心、底部垫盘10中心和熔炼坩埚1底板中心的顶杆11过孔同心。顶杆11的一端装入所述的顶杆过孔内，并使顶杆11的上端面与顶块配合，顶杆的下端面与四柱液压机顶出缸的活塞杆相接触。模具外套13试验前后一直被固定在模具支架12的上表面。
使用时，碳布叠层穿刺预制体3安放在位于熔炼坩埚1内顶块的上表面，铝合金块2安放在碳布叠层穿刺预制体的上表面。制备铝基复合材料时需经历以下过程，首先按照图1装好铝合金熔炼装置，然后将该装置放入真空炉当中抽真空加压和初步浸渗，然后冷却至室温，取出放入电阻加热炉当中重熔至合金液相线以上，再迅速转移铝合金熔炼装置至提前安装固定好模具外套13中，启动和操作四柱液压机使滑块带动固定在它上面的凸模下行加压浸渗成形复合材料。最后，在顶杆11和凹形块14，凸模9的配合下，实现复合材料的自动顶出。
本实施例还提出了一种使用上述真空浸渗－固液挤压制备铝基复合材料装置成形铝基复合材料的方法。
本实施例所用铝基体为铝合金，所述的预制体采用编织碳布制作，预制体最大尺寸不超过熔炼坩埚1的内径，采用现有技术中的穿刺碳布铺层方法制备成碳布叠层穿刺预制体。本实例中选取6061铝合金为基体合金，该合金的液相线为650℃。
为了提高浸渗效果，制备出性能优良的铝基复合材料制件，对碳布叠层穿刺预制体3进行涂层处理，所述的对碳布叠层穿刺预制体涂层处理采用CVD法，以在碳纤维预制体的表面获得热解碳涂层或者碳化硅涂层，以达到对碳纤维表面改性、改善碳纤维与铝合金润湿性、防止碳纤维氧化的目的。本实施例中，采用CVD法，在碳纤维预制体的表面获得热解碳涂层。本实施例的具体步骤为：
步骤1，碳布叠层穿刺预制体的制作与涂层处理。将3K平纹碳布裁剪成熔炼坩埚内壁尺寸的圆形片12-20片，并0°叠放整齐。采用常规方法用T300碳纤维丝对叠放整齐的碳布叠层进行穿刺，完成碳布叠层穿刺预制体的制作。将制作好的碳布叠层穿刺预制体安放在CVD炉内，采用常规方法沉积热解碳涂层。涂层工艺参数为：N2通入量为0.1～0.5m3/h，CH4通入量为16-24L/h，沉积温度为2000～2200℃，沉积时间为3～5小时，得到表面制备有热解碳涂层的碳布叠层穿刺预制体。本实施例中，N2通入量为0.15m3/h，CH4通入量为16L/h，沉积热解碳涂层的沉积温度为2200℃，沉积时间为3小时。
步骤2，安装铝合金熔炼装置。将顶块4放置在熔炼坩埚1内腔底部。将得到的表面制备有热解碳涂层的碳布叠层穿刺预制体3放置于熔炼装置腔的顶块上面，将150～200g的铝合金块2放置在碳布叠层穿刺预制体3的上面。本实施例中，所述的铝合金块2为6061铝合金块，重量为200g。
步骤3，安装挤压浸渗模具。将挤压浸渗模具安装在四柱液压机上。将挤压浸渗模具中的凸模9固定安装在四柱液压机的滑块上。将模具支架12固定在四柱液压机工作台上。将底部垫盘10和模具外套13分别固定安装在模具支架12上表面。顶杆11与四柱液压机的下部液压顶出缸的活塞上表面相接触。在安装时，必须保证凸模9、底部垫盘10、顶杆11、模具支架12、模具外套13同轴。至此，完成了挤压浸渗模具与四柱液压机的配合安装，通过操作四柱液压机的上部液压缸带动固定在立柱上的滑块下行和退回，通过操作四柱液压机的下部液压顶出缸实现下部顶出缸的上行和退回。
步骤4，对碳布叠层穿刺预制体进行初步浸渗。通过真空炉对碳布叠层穿刺预制体进行初步浸渗。真空炉抽真空至10-3～10-2Pa，并对置于铝合金熔炼装置内的铝合金块加热至650℃并保温0.5～1h，使所述铝合金块熔化。对铝合金熔炼装置内通入氮气保护气体，使铝合金熔炼装置内的压力达到0.1～0.5MPa，实现对碳布叠层穿刺预制体进行初步浸渗。本实施例中，真空炉抽真空至10-2Pa，并保温1h，铝合金熔炼装置内的压力为0.2MPa。
步骤5，对铝合金熔炼装置中的铝合金进行重熔。通过电阻加热炉对铝合金熔炼装置中的铝合金进行重熔。将经过初步浸渗的碳布叠层穿刺预制体随炉冷却至室温。将装有经过初步浸渗的碳布叠层穿刺预制体的铝合金熔炼装置移至电阻加热炉内加热至750～850℃，实现对铝合金的重熔。电阻加热炉的升温时间为2h。本实施例中，电阻加热炉的温度为750℃。
步骤6，复合材料的最终浸渗。通过挤压浸渗模具完成复合材料的最终浸渗。当电阻加热炉升温至750～850℃时，将装有铝合金和经过初步浸渗的碳布叠层穿刺预制体的铝合金熔炼装置移至挤压浸渗模具外套13中，启动四柱液压机，使滑块以5～10mm/s的速度带动凸模9垂直下行，在熔化的铝合金液表面施加10～100MPa的机械压力，当施加在熔化的铝合金液表面的压力达到10～100MPa时，保压30～120s，实现液态铝合金在碳布叠层穿刺预制体中的最终浸渗，得到铝基复合材料制件。待浸渗过程彻底完成之后，操作四柱液压机退出凸模9。本实施例中，电阻加热炉的温度为750℃，四柱液压机滑块的下行速度为5mm/s，熔化的铝合金液表面施加的机械压力为50MPa，保压时间为90s。
步骤7，取出铝基复合材料制件。得到铝基复合材料制件后，将凹形块14放置在挤压模具的上表面。操作四柱液压机使滑块带动凸模下行，直至凸模压紧凹形块14和铝合金熔炼装置。启动压机顶出缸，通过顶杆11将铝基复合材料制件顶出。
Claims (2)
1.一种真空浸渗－固液直接挤压制备铝基复合材料的装置，其特征在于，包括熔炼坩埚、顶块、凸模、底部垫盘、顶杆、模具支架、模具外套和凹形块；熔炼坩埚安放在底部垫盘的上表面，底部垫盘和模具外套放置在模具支架的上表面；顶块置于熔炼坩埚内腔底部；在所述模具支架的中心、底部垫盘的中心和熔炼坩埚的底板中心均有顶杆的过孔，并且所述位于模具支架中心、底部垫盘中心和熔炼坩埚底板中心的顶杆过孔同心；顶杆的一端装入所述的顶杆过孔内，并使顶杆的上端面与顶块配合，顶杆的下端面与四柱液压机顶出缸的活塞杆相接触；模具外套固定在模具支架的上表面。
2.一种使用权利要求1所述真空浸渗－固液直接挤压制备铝基复合材料装置制备铝基复合材料的方法，其特征在于，具体步骤为：
步骤1，碳布叠层穿刺预制体的制作与涂层处理；将3K平纹碳布裁剪成熔炼坩埚内壁尺寸的圆形片12-20片，并0°叠放整齐，并采用常规方法完成碳布叠层穿刺预制体的制作；将制作好的碳布叠层穿刺预制体安放在CVD炉内，采用常规方法沉积热解碳涂层；涂层工艺参数为：N2通入量为0.1～0.5m3/h，CH4通入量为16-24L/h，沉积温度为2000～2200℃，沉积时间为3～5小时，得到表面制备有热解碳涂层的碳布叠层穿刺预制体；
步骤2，安装铝合金熔炼装置；将顶块放置在熔炼坩埚内腔底部；将得到的表面制备有热解碳涂层的碳布叠层穿刺预制体放置于熔炼装置腔的顶块上面，将150～200g的铝合金块放置在碳布叠层穿刺预制体的上面；
步骤3，安装挤压浸渗模具；将挤压浸渗模具安装在四柱液压机上；将挤压浸渗模具中的凸模固定安装在四柱液压机的滑块上；将模具支架固定在四柱液压机工作台上；将底部垫盘和模具外套分别固定安装在模具支架上表面；顶杆与四柱液压机的下部液压顶出缸的活塞上表面相接触；至此，完成了挤压浸渗模具与四柱液压机的配合安装，通过操作四柱液压机的上部液压缸带动固定在立柱上的滑块下行和退回，通过操作四柱液压机的下部液压顶出缸实现下部顶出缸的上行和退回；步骤4，对碳布叠层穿刺预制体进行初步浸渗；通过真空炉对碳布叠层穿刺预制体进行初步浸渗；真空炉抽真空至10-3～10-2Pa，并对置于铝合金熔炼装置内的铝合金块加热至650℃并保温0.5～1h，使所述铝合金块熔化；对铝合金熔炼装置内通入氮气保护气体，使铝合金熔炼装置内的压力达到0.1～0.5MPa，实现对碳布叠层穿刺预制体进行初步浸渗；
步骤5，对铝合金熔炼装置中的铝合金进行重熔；通过电阻加热炉对铝合金熔炼装置中的铝合金进行重熔；将经过初步浸渗的碳布叠层穿刺预制体随炉冷却至室温；将装有经过初步浸渗的碳布叠层穿刺预制体的铝合金熔炼装置移至电阻加热炉内加热至750～850℃，实现对铝合金的重熔；电阻加热炉的升温时间为2h；
步骤6，复合材料的最终浸渗；通过挤压浸渗模具完成复合材料的最终浸渗；当电阻加热炉升温至750～850℃时，将装有铝合金和经过初步浸渗的碳布叠层穿刺预制体的铝合金熔炼装置移至挤压浸渗模具的外套中，启动四柱液压机，使滑块以5～10mm/s的速度带动凸模垂直下行，在熔化的铝合金液表面施加10～100MPa的机械压力，当施加在熔化的铝合金液表面的压力达到10～100MPa时，保压30～120s，实现液态铝合金在碳布叠层穿刺预制体中的最终浸渗，得到铝基复合材料制件；待浸渗过程彻底完成之后，操作四柱液压机退出凸模；
步骤7，取出铝基复合材料制件；得到铝基复合材料制件后，将凹形块放置在挤压模具的上表面；操作四柱液压机使滑块带动凸模下行，直至凸模压紧凹形块和铝合金熔炼装置；启动压机顶出缸，通过顶杆将铝基复合材料制件顶出。
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