CN103160760B - 连续纤维增强金属基复合材料板带铸轧成型工艺及设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及连续纤维增强金属基复合材料板带铸轧成型工艺及设备。该工艺的工序步骤依次为：纤维放料—纤维施加张力—纤维预热与金属液加热保温—纤维浸润—金属液补热—金属液反向凝固—板带轧制—板带收卷。设备包括放料装置、张力装置、液面控制部分、铸造主体部分、冷却机构、轧机及收料装置；本发明集液态金属浸渍、反向凝固和轧制成型于一体，生产工艺简化,可实现连续生产和提高生产效率。

Description

连续纤维增强金属基复合材料板带铸轧成型工艺及设备

技术领域

本发明属于金属基复合材料制备技术，具体涉及了连续纤维增强金属基复合材料板带铸轧成型工艺及设备。

背景技术

金属基复合材料（Metal Matrix Composites，MMC）的研究起步于20世纪60年代，与树脂基复合材料相比，金属基复合材料除了具有高比强度、高比模量和低热膨胀系数等特点外,还具有耐高温、横向强度和刚度高、高导热与导电率、抗辐射等优点，因而受到国内外研究者的高度重视，在航空、航天、军事、汽车、机械等领域显示出巨大的应用潜力。目前,MMC有铝基、镁基、钛基、高温合金基、镍基和铜基等多种材料。铝基复合材料除具有普通MMC优良性能外,还具有密度低、重量轻,制造工艺、设备相对简单，成本相对较低，可进行大规模批量生产等特点，倍受航空、航天部门的广泛关注。国外已有在卫星波导管、天线骨架、卫星桁架等对重量、强度、刚度要求很高的航天、航空部件应用的报导。

金属基复合材料的性能、应用、成本等在很大程度上取决于金属基复合材料的制造工艺和方法，研究发展有效的金属基复合材料制造方法一直是金属基复合材料研究中最重要的问题之一。不同类型的金属基复合材料其制造方法上有很大差别，需要考虑金属基体和增强物类型、物理、化学相容性等。

为了保证金属基体有足够的流动性，使之充分渗透到增强材料之间的间隙中并与之复合，需要高的制造温度，在高温下增强材料与基体容易发生界面反应，也可能氧化，生成有害的反应产物。在纤维增强金属基复合材料中适当的界面结合强度是材料具有最高性能的保证，此时界面既能有效地传递载荷，又能有效地阻止裂纹的扩展，充分发挥纤维的作用。过强的界面结合可能使材料发生早期的低应力破坏，反应产物都呈脆性，在应力作用下往往首先断裂，成为裂纹源，引起复合材料的整体破坏。有些反应产物本身不稳定，容易分解造成界面分离。因此必须尽量控制界面脆性相的生成。

金属基体与增强材料之间浸润性差，甚至在制造温度下完全不浸润。增强材料与基体之间有很好的润湿性（即接触角小于90°），基体才能均匀覆盖于增强材料表面和渗入到增强材料的间隙之间，因此，这是得到性能良好的复合材料的前提。采用表面金属化方法可以有效改善纤维与金属基体间的界面结合问题。目前纤维表面金属化的方法很多，如电镀、化学镀、表面涂层、气相沉积等，其中化学镀是一种简单易行、效果良好的方法。

将增强材料按设计要求的含量、方向均匀分布于基体中是金属基复合材料制造时的另一困难，增强材料种类很多，有直径较粗的单丝、直径较细的集束纤维及其制品、短纤维、晶须、颗粒等。它们在尺寸、形状、物理化学热性能上有很大差别，应该针对各自的特点，使用合适的方法将其均匀分布于基体中。

近30年来，世界各国在金属基复合材料领域投入了大量人力物力，从材料的基体、增强粒子、微观组织、力学性能与断裂韧性等角度进行了许多基础和应用性研究，取得了显著的成绩，已掌握了多种成熟的制备工艺。连续纤维增强金属基复合材料的制造难度最大，将纤维以一定的含量、排列方向，分布在金属基体中，需要采用一些特殊的方法。如液态金属浸渍法、加压铸造法、固态扩散粘结等。而制造颗粒、晶须增强金属基复合材料相对容易一些，可选用现有常规冶金方法，如粉末冶金、铸造法、喷射沉积等方法来制备。

文献检索发现：有研究者利用超声波焊接技术将层间夹有连续纤维的片状金属复合制备成单块自由形状的零部件，运用此种技术制备连续纤维增强金属基复合材料能够最大限度的降低纤维的损害和变形，降低纤维与基体金属的界面反应，纤维和基体复合良好，其缺点为焊接金属不能太厚，需要加压，对工艺的要求较高。

中国发明专利“一种连续纤维增强金属基复合材料型材的制备方法”（专利号：201110253656.0）公布了一种纤维增强金属基复合材料制备方法，从其实施方法来看，很难实现对板材的连续自动化生成，工艺过程较复杂，制备时间长，不利于工业化批量生产，很难减低工艺成本。

中国发明专利“一种连续纤维增强金属基复合材料的制备方法”（专利号：201010588882.X）采用层叠技术制备连续纤维增强金属基复合材料，虽然其操作简便，容易实现工业规模生产，但由于其所选铜基底为水冷，使得喷吹出的金属液很快凝固，在利用挤压辊进行碾压时，很容易使纤维受损，降低其增强效果，反复碾压更会加大纤维受损伤程度。

中国发明专利“一种连续纤维增强金属基复合材料制备设备”（申请号：201210072358.6）并没有考虑到纤维与金属基间的浸润性，无法控制纤维与金属基体间为半固态结合，轧制过程中对纤维会造成损坏，无法控制纤维的体积百分含量。

综上所述,金属基复合材料具有许多优异的性能,制备金属基复合材料的方法也多种多样，连续纤维增强金属基复合材料的制造难度大，工艺复杂，生产成本高，而且工艺成本往往比原材料本身的成本高得多。为了进一步推广纤维增强金属基复合材料的应用，必须努力简化生产工序、降低生产成本。制备与成型的一体化无疑是降低金属基复合材料制造成本的一条重要途径。

发明内容

本发明的目的是针对以上现有技术存在的不足和缺点进行改进,提供一种集液态金属浸渍、反向凝固和轧制成型于一体，生产工艺简化,实现连续生产，提高生产效率的连续纤维增强金属基复合材料板带铸轧成型工艺及设备。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种连续纤维增强金属基复合材料板带铸轧成型工艺，其特征是：该工艺的工序步骤依次为：纤维放料—施加张力—纤维预热与金属液加热保温—纤维浸润—金属液补热—金属液反向凝固—板带轧制—板带收卷。

所述的纤维预热工序中纤维预热温度为200-450℃；

所述的金属液加热保温与纤维浸润的温度工序中金属液的温度为其液相线温度以上10-200℃；

所述的金属液补热工序中金属液温度介于液相线和固相线之间；

所述的纤维预热与金属液加热保温、纤维浸润中金属液需要惰性气体保护下完成；

所述的板带轧制工序中轧机的轧制量小于30%；

所述的纤维放料工序的放料速度、板带轧制工序中轧制板带速度和板带收卷工序中收料速度相同，线速度为30-80cm/min。

纤维增强金属基复合材料板带铸轧成型设备，包括放料装置、张力装置、液面控制部分、铸造主体部分、冷却机构、轧机及收料装置；所述的放料装置与张力装置依次布置在所述的铸造主体部分的前面，所述的冷却机构、轧机及收料装置依次布置在所述的铸造主体部分的后面；纤维带从放料装置上经过张力装置由铸造主体部分的入口进入铸造主体部分的坩埚金属液中，然后再由铸造主体部分的出口引出带有金属的复合材料板坯，复合材料板坯经过冷却机构后，进入轧机进行轧制成金属基复合材料板带，最后金属基复合材料板带由收料装置卷取成成品带卷；

所述的铸造主体部分由纤维预热、金属液加热保温和金属液补热三个部分组成；其中：

（1）金属液加热保温：包括金属液、惰性保护气体管、热电偶、刚玉管、电热丝、坩埚、熔炼炉体；所述的坩埚装在熔炼炉体内，坩埚内为金属液，在熔炼炉体与坩埚之间设有耐火打结层，耐火打结层内盘装着所述的电热丝；所述的惰性保护气体管与热电偶装在熔炼炉体顶部，并通向熔炼炉体内；

（2）纤维预热部分：包括纤维带入口体、热电偶与惰性保护气体管；所述的纤维带入口体由外壳与外壳内的耐火打结层构成，耐火打结层内盘装着所述的电热丝，所述的热电偶插装在纤维带入口处；该纤维预热部分装在熔炼炉体前面；

（3）金属液补热：包括纤维带出口体、热电偶及成型铜嘴；所述的纤维带出口体由外壳、外壳内的耐火打结层与成型铜嘴构成，耐火打结层内盘装着所述的电热丝，所述的成型铜嘴装在纤维带出口体的出口处；该金属液补热装在熔炼炉体后面；所述的热电偶插装在成型铜嘴上；

所述的刚玉管的中部设有流入管内的金属液开口，刚玉管插装在纤维预热、金属液加热保温和金属液补热三个部分中，刚玉管的金属液开口向上，在坩埚内的金属液中，所述的刚玉管的前口即为纤维带入口，刚玉管的后口与成型铜嘴对接，即为带有金属纤维带出口；

所述的液面控制部分装在铸造主体部分中熔炼炉体的一侧，液面控制部分的液面控制块置于铸造主体部分的坩埚内的金属液中。

所述的液面控制部分包括液面控制块、液面探测器、伺服电机、升降丝杆与机械臂；所述的液面控制块吊装在机械臂上，伺服电机驱动升降丝杆转动，并带动机械臂上下移动，使液面控制块在金属液中上下移动；所述的液面探测器装在所述的在熔炼炉体顶部，并通向熔炼炉体内。

所述的冷却机构在底座上设有丝杆、螺母与手轮移动机构，能够手动调节铸造主体部分的成型铜嘴与冷却机构间的距离。

本发明具有的有益效果和优点是：

（1）实现了连续纤维增强金属基复合材料制备的短流程新技术，使纤维浸润、金属液反向凝固、板带轧制在同一条线上完成，可简化生产工序，降低生产成本；

（2）浸润、凝固同时承受轧制变形，使金属与基增强纤维相互交联融合，提高纤维与金属基的结合强度，改善板带微观组织结构，确保纤维均匀分布，有效提高纤维增强金属基复合材料板带的最终力学性能；

（3）在保证板带质量的前提下，实现连续生产，提高生产效率，可广泛应用多种连续纤维（如碳纤维、硼纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维和氮化硅纤维等）增强的不同金属基（如铝基、镍基、铜基、镁基、钛基、铅基和锌基等）复合材料制备。

附图说明

图1是本发明的设备组成示意图；

图2是本发明工艺流程示意图。

图中：放料装置1、纤维2、张力装置3、升降丝杆4、金属液5、惰性保护气体管6、液面控制块7、液面探测器8、机械臂9、热电偶10、刚玉管11、电热丝12、坩埚13、熔炼炉体14、伺服电机15、成型铜嘴16、冷却机构17、轧机18、板带19和收料装置20。

具体实施方法

以下结合附图详细说明本发明具体实施方法。

如图1所示，连续纤维增强金属基复合材料板带铸轧成型设备，包括放料装置1、张力装置3、液面控制部分、铸造主体部分、冷却机构17、轧机18及收料装置20；所述的放料装置1与张力装置3依次布置在所述的铸造主体部分的前面（纤维带入铸造主体部分为前面，反之为后面），所述的冷却机构17、轧机18及收料装置20依次布置在所述的铸造主体部分的后面；纤维带从放料装置1上经过张力装置3由铸造主体部分的入口进入铸造主体部分的坩埚13金属液5中，然后再由铸造主体部分的出口引出带有金属的复合材料板坯，复合材料板坯经过冷却机构17后，进入轧机18进行轧制成金属基复合材料板带，最后金属基复合材料板带由收料装置20卷取成成品带卷。

所述的铸造主体部分由纤维预热、金属液加热保温和金属液补热三个部分组成；其中：

（1）金属液加热保温：包括金属液5、惰性保护气体管6、热电偶10、刚玉管11、电热丝12、坩埚13、熔炼炉体14；所述的坩埚13装在熔炼炉体14内，坩埚13内为金属液5，在熔炼炉体14与坩埚13之间设有耐火打结层，耐火打结层内盘装着所述的电热丝12；所述的惰性保护气体管6与热电偶10装在熔炼炉体14顶部，并通向熔炼炉体14内；

（2）纤维预热部分：包括纤维带入口体、热电偶10与惰性保护气体管6；所述的纤维带入口体由外壳与外壳内的耐火打结层构成，耐火打结层内盘装着所述的电热丝，所述的热电偶10插装在纤维带入口处；该纤维预热部分装在熔炼炉体14前面；

（3）金属液补热：包括纤维带出口体、热电偶10及成型铜嘴16；所述的纤维带出口体由外壳、外壳内的耐火打结层与成型铜嘴16构成，耐火打结层内盘装着所述的电热丝，所述的成型铜嘴16装在纤维带出口体的出口处；该金属液补热装在熔炼炉体14后面；所述的热电偶10插装在成型铜嘴16上；

所述的刚玉管11的中部设有流入管内的金属液开口，刚玉管11插装在纤维预热、金属液加热保温和金属液补热三个部分中，刚玉管11的金属液开口向上，在坩埚13内的金属液5中，所述的刚玉管11的前口即为纤维带入口，刚玉管11的后口与成型铜嘴16对接，即为带有金属纤维带出口；

所述的液面控制部分装在铸造主体部分中熔炼炉体14的一侧，液面控制部分的液面控制块7置于铸造主体部分的坩埚13内的金属液中。

所述的液面控制部分包括液面控制块7、液面探测器8、伺服电机15、升降丝杆4与机械臂9；所述的液面控制块7吊装在机械臂9上，伺服电机15驱动升降丝杆4转动，并带动机械臂9上下移动，使液面控制块7在金属液中上下移动，以改变金属液面的高低；所述的液面探测器8装在所述的在熔炼炉体14顶部，并通向熔炼炉体14内。

所述的冷却机构17在底座上设有丝杆、螺母与手轮移动机构，能够手动调节铸造主体部分的成型铜嘴16与冷却机构17间的距离。

所述的冷却机构17可以保证成型铜嘴16处板带拉坯成功，金属液不外漏，合理控制轧辊转速和冷却机构强度，维持纤维增强金属基复合材料板带轧制前的固液两相状态，可使增强纤维轧制过程中不受损伤，并能提高纤维与金属间的结合强度。

所述的张力装置3可以使纤维浸入金属液前带有一定的张力，确保纤维复丝在金属基中的均匀分布；惰性保护气体管6提供的惰性保护气体可以避免增强纤维与氧接触而被氧化，保证其增强作用；液面控制部分可以使金属液面始终维持在同一高度，保证成型铜嘴16的出口压力稳定。

纤维增强金属基复合材料板带铸轧成型工艺:

本发明连续纤维增强金属基复合材料为:连续纤维：如碳纤维、硼纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维和氮化硅纤维等，金属基：如铝基、镍基、铜基、镁基、钛基、铅基和锌基等。如图2所示，本发明的工艺步骤依次为：

纤维放料—施加张力—纤维预热与金属液加热保温—纤维浸润—金属液补热—金属液反向凝固—板带轧制和板带收卷。

施加张力可由张力装置3完成，纤维预热温度为200-450℃，纤维浸润时金属液的温度为其液相线以上10-200℃，金属液补热温度介于液相线和固相线之间，金属液反向凝固由冷却机构17和成型铜嘴16共同完成，两者间距可手动调整，板带轧制可以选用一组或多组双辊轧机。纤维预热、金属加热保温和金属液补热的温度控制由热电偶10和电热丝12配合人工智能的温度控制器自动完成。

金属液反向凝固时，成型铜嘴16横截面内部为矩形，宽度尺寸大于板带轧制后最终尺寸。

板带轧制的轧制量小于30%。

成型铜嘴16处的压力由升降丝杆4、液面控制块7、液面探测器8、机械臂9和伺服电机15协同完成，液面高度为100-200mm.

放料装置1、轧机18和收料装置20的速度相同，线速度为30-80cm/min.

本发明工艺需在惰性气体保护下完成，惰性气体可选用氩气或氦气。

应用实施例1：

单向连续12K镀镍碳纤维增强2024铝合金基复合材料板带制备

主要铸轧控制参数：轧辊间隙为1.5mm，轧辊的转速和复合材料板带拉坯速度均为50cm/min，成型铜嘴出口为矩形，尺寸为10mmⅹ2mm，纤维预热温度为300℃，金属液补热温度为400℃，坩埚内铝液温度700℃，铝合金液面高度为100mm，惰性保护气体为氩气，裁边后板带横截面尺寸为10mmⅹ1.5mm。

本实施例采用12K的T300镀镍碳纤维复丝作为单向连续增强纤维，体积分数为50%时，制备的连续碳纤维增强铝基复合材料长轴方向抗拉强度可以达到685MPa。

应用实施例2：

单向连续12K镀镍碳纤维增强ZK60镁合金基复合材料板带制备

主要控制参数：轧辊间隙为1.5mm，轧辊的转速和复合材料板带拉坯速度均为50cm/min，成型铜嘴出口为矩形，尺寸为10mmⅹ2mm，纤维预热温度为300℃，金属液补热温度为350℃，坩埚内镁合金液体温度710℃，液面高度为100mm，惰性保护气体为氩气，裁边后板带横截面尺寸为10mmⅹ1.5mm。

本实施例采用12K的T300镀镍碳纤维复丝作为单向连续增强纤维，体积分数为50%时，制备的连续碳纤维增强ZK60镁合金基复合材料长轴方向抗拉强度可以达到650MPa。

应用实施例3：

连续碳纤维平纹织布增强2024铝合金基复合材料板带制备

主要控制参数：轧辊间隙为2mm，轧辊的转速和复合材料板带拉坯速度均为50cm/min，成型铜嘴出口为矩形，尺寸为10mmⅹ2.5mm，纤维预热温度为300℃，金属液补热温度为400℃，坩埚内铝液温度700℃，铝合金液面高度为100mm，惰性保护气体为氩气，裁边后板带横截面尺寸为10mmⅹ2mm。

本实施例利用6K的T300镀镍碳纤维复丝编织的平纹织布，作为双向连续增强纤维，体积分数为50%时，制备的连续碳纤维增强铝基复合材料轴向和横截面方向的抗拉强度可以达到680MPa和550MPa。

本发明实现了连续纤维增强金属基复合材料制备的短流程新技术，使纤维浸润、金属液反向凝固、板带轧制在同一条线上完成，可简化生产工序，降低生产成本；浸润、凝固同时承受轧制变形，使金属与基增强纤维相互交联融合，提高纤维与金属基的结合强度，改善板带微观组织结构，确保纤维均匀分布，有效提高纤维增强金属基复合材料板带的最终力学性能；在保证板带质量的前提下，实现连续生产，提高生产效率，可广泛应用多种连续纤维（如碳纤维、硼纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维和氮化硅纤维等）增强的不同金属基（如铝、镍、铜、镁、钛、铅、锌及其合金等）复合材料制备。

Claims (3)

1.一种连续纤维增强金属基复合材料板带铸轧成型工艺的设备，包括放料装置(1)、张力装置(3)、液面控制部分、铸造主体部分、冷却机构(17)、轧机(18)及收料装置(20)；其特征是：所述的放料装置(1)与张力装置(3)依次布置在所述的铸造主体部分的前面，所述的冷却机构(17)、轧机(18)及收料装置(20)依次布置在所述的铸造主体部分的后面；纤维带从放料装置(1)上经过张力装置(3)由铸造主体部分的入口进入铸造主体部分的坩埚(13)金属液(5)中，然后再由铸造主体部分的出口引出带有金属的复合材料板坯，复合材料板坯经过冷却机构(17)后，进入轧机(18)进行轧制成金属基复合材料板带，最后金属基复合材料板带由收料装置(20)卷取成成品带卷；

所述的铸造主体部分由纤维预热、金属液加热保温和金属液补热三个部分组成；其中：

(1)金属液加热保温：包括金属液(5)、惰性保护气体管(6)、热电偶(10)、刚玉管(11)、电热丝(12)、坩埚(13)、熔炼炉体(14)；所述的坩埚(13)装在熔炼炉体(14)内，坩埚(13)内为金属液(5)，在熔炼炉体(14)与坩埚(13)之间设有耐火打结层，耐火打结层内盘装着所述的电热丝(12)；所述的惰性保护气体管(6)与热电偶(10)装在熔炼炉体(14)顶部，并通向熔炼炉体(14)内；

(2)纤维预热部分：包括纤维带入口体、热电偶(10)与惰性保护气体管(6)；所述的纤维带入口体由外壳与外壳内的耐火打结层构成，耐火打结层内盘装着所述的电热丝，所述的热电偶(10)插装在纤维带入口处；该纤维预热部分装在熔炼炉体(14)前面；

(3)金属液补热：包括纤维带出口体、热电偶(10)及成型铜嘴(16)；所述的纤维带出口体由外壳、外壳内的耐火打结层与成型铜嘴(16)构成，耐火打结层内盘装着所述的电热丝，所述的成型铜嘴(16)装在纤维带出口体的出口处；该金属液补热装在熔炼炉体(14)后面；所述的热电偶(10)插装在成型铜嘴(16)上；

所述的刚玉管(11)的中部设有流入管内的金属液开口，刚玉管(11)插装在纤维预热、金属液加热保温和金属液补热三个部分中，刚玉管(11)的金属液开口向上，在坩埚(13)内的金属液(5)中，所述的刚玉管(11)的前口即为纤维带入口，刚玉管(11)的后口与成型铜嘴(16)对接，即为带有金属纤维带出口；

所述的液面控制部分装在铸造主体部分中熔炼炉体(14)的一侧，液面控制部分的液面控制块(7)置于铸造主体部分的坩埚(13)内的金属液中。

2.根据权利要求1所述的连续纤维增强金属基复合材料板带铸轧成型工艺的设备，其特征是：所述的液面控制部分包括液面控制块(7)、液面探测器(8)、伺服电机(15)、升降丝杆(4)与机械臂(9)；所述的液面控制块(7)吊装在机械臂(9)上，伺服电机(15)驱动升降丝杆(4)转动，并带动机械臂(9)上下移动，使液面控制块(7)在金属液中上下移动；所述的液面探测器(8)装在所述的在熔炼炉体(14)顶部，并通向熔炼炉体(14)内。

3.依据权利要求1所述的连续纤维增强金属基复合材料板带铸轧成型工艺的设备，其特征是：所述的冷却机构(17)在底座上设有丝杆、螺母与手轮移动机构，能够手动调节铸造主体部分的成型铜嘴(16)与冷却机构(17)间的距离。