CN103695815A

CN103695815A - 镁基复合材料分体预热一次浸渗挤压成形装置及方法

Info

Publication number: CN103695815A
Application number: CN201310713686.4A
Authority: CN
Inventors: 齐乐华; 鞠录岩; 卫新亮; 马玉钦; 周计明
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2013-12-20
Filing date: 2013-12-20
Publication date: 2014-04-02
Anticipated expiration: 2033-12-20
Also published as: CN103695815B

Abstract

本发明公开了一种镁基复合材料分体预热一次浸渗挤压成形装置及方法，用于解决现有真空压力浸渗装置制备的金属基复合材料性能差的技术问题。技术方案是包括预制体预热腔、挤压筒、挤压筒预热炉、预制体预热炉和底座；挤压筒固定在底座上，同时置于挤压筒预热炉之内；预制体预热腔固定于挤压筒之上，同时置于预制体预热炉内，预制体预热腔与挤压筒内径相等且同轴。本发明将模具与预制体分开预热，可以提高预制体预热温度，同时降低模具的预热温度，提高了模具的经济性和安全性；由于在坩埚内安装了过滤网，防止碳纤维和镁合金的氧化，降低了杂质含量，提高复合材料的性能。

Description

镁基复合材料分体预热一次浸渗挤压成形装置及方法

技术领域

本发明涉及一种镁基复合材料成形装置，特别涉及一种镁基复合材料分体预热一次浸渗挤压成形装置。还涉及采用该装置的镁基复合材料分体预热一次浸渗挤压成形方法。

背景技术

碳纤维增强镁基复合材料是目前可应用的比强度比刚度最高的金属基复合材料，集合了碳纤维与镁合金的优点，具有密度及热膨胀系数低、热变形抗力好、阻尼性能高、尺寸稳定性好及导热性好等优点，在航空航天、电子通讯以及汽车等领域应用日益广泛。

在碳纤维增强镁基复合材料的制备方法中，液态浸渗法被认为是最理想和最成功的方法，液态金属在外界压力的作用下，渗入纤维预制体内可以实现高压快速浸渗。但是制备过程中，由于镁合金与碳纤维接触角大、浸渗困难，需要对碳纤维与制备模具进行预热，目前常见的制备方法中，预制体与模具是一体预热的，无法实现预制体与模具不同的预热温度。

参见图2。文献“专利公开号是CN101323919B的中国发明专利”公开了一种真空压力浸渗制备金属基复合材料的方法。该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为石墨材料制成，密封塞3的直径比模具8的内径大0.5～2.5mm，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的内径大0.5～10mm。所述方法由以下步骤实现：将碳纤维预制体和金属合金放入到模具内，然后对真空容器抽真空至1～10^-3Pa，并将真空容器内的温度加热至金属熔点以上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，金属液体在密封塞的压力作用下渗入预制体的孔隙内，保持压力2～60分钟，停止加热，待真空容器内温度降至室温，将模具取出利用切削方法将复合材料取出。

该技术的整个制备过程在一密闭环境中进行，可以有效避免复合材料制备过程中合金的氧化。但是由于模具与预制体在真空容器内一体预热，不能协调模具与预制体的预热温度，而且模具不可重复使用。

发明内容

为了克服现有真空压力浸渗装置制备的金属基复合材料性能差的不足，本发明提供一种镁基复合材料分体预热一次浸渗挤压成形装置。该装置包括预制体预热腔、挤压筒、挤压筒预热炉、预制体预热炉和底座；挤压筒固定在底座上，同时置于挤压筒预热炉之内；预制体预热腔固定于挤压筒之上，同时置于预制体预热炉内，预制体预热腔与挤压筒内径相等且同轴。本发明将模具与预制体分开预热，可以提高预制体预热温度，以提高液态合金在预制体内的流动性，减缓浸渗时预制体纤维之间的毛细现象以及液态合金与纤维之间的摩擦力，降低浸渗难度，保证制备质量，同时降低模具的预热温度，减少能耗节约成本，并降低模具对高温性能的要求，提高了模具的经济性和安全性；本发明整个制备过程在完全密闭的环境中进行，并且坩埚内安装了过滤网，防止碳纤维和镁合金的氧化，降低了杂质含量，提高复合材料性能；本发明可以实现自动脱模，不需要等待复合材料胚料降至室温就能取出，提高了制备效率，并且减少了碳纤维在高温下与镁合金的反应时间，能有效减缓不良界面反应发生。本发明集浸渗、挤压、近净成型于一体，浸渗挤压后可以得到近净成型的复合材料胚料，避免了复合材料加工给构件带来的性能损失，利于得到高性能的复合材料构件。

本发明还提供采用该装置的镁基复合材料分体预热一次浸渗挤压成形方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种镁基复合材料分体预热一次浸渗挤压成形装置，其特点是：包括真空泵1、真空泵控制阀2、上密封块3、预制体预热腔4、密封垫片6、挤压筒7、挤压筒预热炉8、下密封块9、顶杆10、凸模11、预制体预热炉12、底座13、合金管控制阀14、过滤网16、熔炼炉17和坩埚18；挤压筒7固定在底座13上，同时置于挤压筒预热炉8之内；底座13的中心有通孔，并与挤压筒7同轴，通孔直径略大于挤压筒7的内径；挤压筒7下部装有下密封块9，与挤压筒7形成过渡配合，顶杆10支撑下密封块9；预制体预热腔4固定于挤压筒7之上，同时置于预制体预热炉12内，预制体预热腔4与挤压筒7内径相等且同轴，预制体预热腔4与挤压筒7之间有密封垫片6，预制体预热腔4上部有上密封块3，两者之间为过盈配合；预制体预热腔4下部有通孔，通过管道与控制阀分别与真空泵1和坩埚18相连；坩埚18底部通过合金管与挤压筒7相连；坩埚18置于熔炼炉17之内，且坩埚18要求密封性好，坩埚18内部有过滤网16，块状合金15置于过滤网16之上。

所述上密封块3由高强石墨制作。

所述过滤网16的材料是不锈钢。

所述过滤网16的网孔是10～40目。

一种采用上述装置的镁基复合材料分体预热一次浸渗挤压成形方法，其特点是包括以下步骤：

步骤1：下密封块9压入挤压筒7底部，并将挤压筒7固定于底座13之上，将预制体预热腔4固定于挤压筒7之上，保持预热腔4与挤压筒7同轴，并安装挤压筒预热炉8与预制体预热炉12；

步骤2：将预制体5固定于上密封块3底端并压入预制体预热腔4之内，上密封块3与预制体预热腔4形成过盈配合；

步骤3：将过滤网16置于坩埚18之内，然后放入块状合金15，通入氩气密封坩埚18，放入熔炼炉17内，接好接好合金管控制阀16与管路；真空泵1通过真空泵控制阀2与管路与预制体预热腔4相连；

步骤4：关闭合金管控制阀14，打开真空泵控制阀2，开启真空泵1抽真空至1～5Kpa，然后关闭真空泵1与真空泵控制阀2；打开熔炼炉17，将坩埚18温度加热到镁合金液相线以上50～100℃，并保温30～60分钟；开启挤压筒预热炉12，将挤压筒7预热至300～500℃；开启预制体预热炉12将预制体5预热至镁合金液相线以上50～200℃；

步骤5：开启合金管控制阀14，在重力与真空的作用下将镁合金基体吸入挤压筒7；

步骤6：镁合金注入后凸模11下行将预制体5压入液态镁合金并保压，实现浸渗并使复合材料致密化，凸模11压力保持在10～60Mpa；

步骤7：构件冷却至所需温度后，顶杆回程，凸模11下行压出构件。

本发明的有益效果是：该装置包括预制体预热腔、挤压筒、挤压筒预热炉、预制体预热炉和底座；挤压筒固定在底座上，同时置于挤压筒预热炉之内；预制体预热腔固定于挤压筒之上，同时置于预制体预热炉内，预制体预热腔与挤压筒内径相等且同轴。本发明将模具与预制体分开预热，可以提高预制体预热温度，以提高液态合金在预制体内的流动性，减缓浸渗时预制体纤维之间的毛细现象以及液态合金与纤维之间的摩擦力，降低浸渗难度，保证制备质量，同时降低模具的预热温度，减少能耗节约成本，并降低模具对高温性能的要求，提高了模具的经济性和安全性；本发明整个制备过程在完全密闭的环境中进行，并且坩埚内安装了过滤网，防止碳纤维和镁合金的氧化，降低了杂质含量，提高复合材料性能；本发明可以实现自动脱模，不需要等待复合材料胚料降至室温就能取出，提高了制备效率，并且减少了碳纤维在高温下与镁合金的反应时间，能有效减缓不良界面反应发生。本发明集浸渗、挤压、近净成型于一体，浸渗挤压后可以得到近净成型的复合材料胚料，避免了复合材料加工给构件带来的性能损失，利于得到高性能的复合材料构件。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

附图说明

图1是本发明镁基复合材料分体预热一次浸渗挤压成形装置的结构示意图。

图中，1-真空泵，2-真空泵控制阀，3-上密封块，4-预制体预热腔，5-预制体，6-密封垫片，7-挤压筒，8-挤压筒预热炉，9-下密封块，10-顶杆，11-凸模，12-预制体预热炉，13-底座，14-合金管控制阀，15-块状合金，16-过滤网，17-熔炼炉，18-坩埚。

图2是背景技术真空压力浸渗装置的结构示意图。

图中，1-液压油缸，2-压头，3-密封塞，4-真空容器，5-加热体，6-金属合金，7-预制体，8-模具，9-底座。

具体实施方式

以下实施例参照图1。

装置实施例：本发明镁基复合材料分体预热一次浸渗挤压成形装置，包括真空泵1、真空泵控制阀2、上密封块3、预制体预热腔4、密封垫片6、挤压筒7、挤压筒预热炉8、下密封块9、顶杆10、凸模11、预制体预热炉12、底座13、合金管控制阀14、过滤网16、熔炼炉17和坩埚18。挤压筒7固定在底座13上，同时置于挤压筒预热炉8之内；底座13的中心有通孔，并与挤压筒7同轴，通孔直径略大于挤压筒7的内径；挤压筒7下部装有下密封块9，与挤压筒7形成过渡配合，以达到密封作用，顶杆10支撑下密封块9；预制体预热腔4固定于挤压筒7之上，同时置于预制体预热炉12内，预制体预热腔4与挤压筒7内径相等且同轴，预制体预热腔4与挤压筒7之间有密封垫片6，预制体预热腔4上部有上密封块3，两者之间为过盈配合，以达到密封作用。预制体预热腔4下部有通孔，通过管道与控制阀分别与真空泵1和坩埚18相连；坩埚18底部通过合金管与挤压筒7相连；坩埚18置于熔炼炉17之内，且坩埚18要求密封性好，坩埚18内部有过滤网16，块状合金15置于过滤网16之上，坩埚18密封前通过氩气以排除坩埚18内部氧气防止合金氧化。

方法实施例1：本实施例所用的基体金属为AZ91D镁合金，液相线为596℃，预制体3采用T300短切碳纤维，体积分数为15～20%，采用湿法制备，即将碳纤维、造孔剂、分散剂、粘接剂及蒸馏水按一定比例混合搅拌，纤维分散均匀后注入模具中滤除水分压制成型，再经低温烘干后得到预制体。预制体通过化学气相沉积法在碳纤维表面沉积热解碳涂层，沉积参数为：N2通入量为0.2m³/h，CH4通入量为20L/h，沉积温度为1000℃，沉积时间为1.5小时。

首先将下密封块9压入挤压筒7底部，并将挤压筒7固定于底座13之上，将预制体预热腔4固定到挤压筒7上，保持预热腔4与挤压筒7同轴；将预制体5固定于上密封块3下部并置于预制体预热腔4内，并安装挤压筒预热炉8与预制体预热炉12；上密封块3与预制体预热腔4形成过盈配合，上密封块3为高强石墨制作；将过滤网16置于坩埚18之内，放入块状合金15，密封坩埚18置入熔炼炉17之内，接好管路；关闭合金管控制阀14，开启真空泵1抽真空至1～5Kpa，然后关闭控制阀2；打开熔炼炉17将坩埚18温度加热到合金液相线以上50～100℃，并保温30～60分钟；开启挤压筒预热炉8，将挤压筒7预热至300～500℃；开启预制体预热炉12将预制体5预热至合金液相线以上50～150℃，本实施例中，合金重量约为260g，真空度抽至1Kpa，坩埚18加热至650℃，保温45分钟；挤压筒7预热至450℃；预制体5预热至700℃；然后开启控制阀14，在真空和重力的作用下将基体合金吸入挤压筒7；合金注入后凸模11下行将预制体5压入液态合金，实现浸渗并使复合材料致密化。凸模11压力保持在10～60Mpa；构件冷却至需要温度后，顶杆10回程，凸模11下行压出构件。本实施例中构件冷却至350℃时顶杆回程，凸模压出构件，构件取出后放入氩气保护气氛内防止氧化。

方法实施例2：本实施例所用的基体金属为AZ91D镁合金，液相线为596℃，预制体5采用T700碳纤维无纬布，将无纬布剪成与挤压筒内径相等的圆片，采用现有技术的穿刺碳布正交铺层制作，厚度为15mm，预制体体积分数为40～55%。预制体通过化学气相沉积法在碳纤维表面沉积热解碳涂层，沉积参数为：N2通入量为0.2m³/h，CH4通入量为20L/h，沉积温度为950℃，沉积时间为2小时。

首先将下密封块9压入挤压筒7底部，并将挤压筒7固定于底座13之上，将预制体预热腔固4定到挤压筒7上，保持预热腔4与挤压筒7同轴；将预制体5固定于上密封块3下部并置于预制体预热腔4内，并安装挤压筒预热炉8与预制体预热炉12；上密封块3与预制体预热腔4形成过盈配合，上密封块3为高强石墨制作；将过滤网16置于坩埚18之内，放入块状合金15，密封坩埚18置入熔炼炉17之内，接好管路；关闭合金管控制阀14，开启真空泵1抽真空至1～5Kpa，然后关闭控制阀2；打开熔炼炉17将坩埚18温度加热到合金液相线以上50～100℃，并保温30～60分钟；开启挤压筒预热炉8，将挤压筒7预热300～500℃；开启预制体预热炉12将预制体5预热至合金液相线以上50～150℃，本实施例中合金重量约为260g，真空度抽至1Kpa坩埚18加热至650℃，保温45分钟；挤压筒7预热至500℃；预制体5预热至750℃；然后开启控制阀14，在真空和重力的作用下将合金吸入挤压筒7，合金注入后凸模11下行将预制体5压入液态合金，实现浸渗并使复合材料致密化；凸模11压力保持在10～60Mpa；构件冷却至需要温度后，顶杆10回程，用凸模11压出构件。本实施例中构件冷却至350℃时撤掉顶杆凸模11下行压出构件，构件取出后放入氩气保护气氛内防止氧化。

Claims

1.一种镁基复合材料分体预热一次浸渗挤压成形装置，其特征在于：包括真空泵（1）、真空泵控制阀（2）、上密封块（3）、预制体预热腔（4）、密封垫片（6）、挤压筒（7）、挤压筒预热炉（8）、下密封块（9）、顶杆（10）、凸模（11）、预制体预热炉（12）、底座（13）、合金管控制阀（14）、过滤网（16）、熔炼炉（17）和坩埚（18）；挤压筒（7）固定在底座(13)上，同时置于挤压筒预热炉(8)之内；底座(13)的中心有通孔，并与挤压筒（7）同轴，通孔直径略大于挤压筒(7)的内径；挤压筒（7）下部装有下密封块(9)，与挤压筒（7）形成过渡配合，顶杆(10)支撑下密封块(9)；预制体预热腔(4)固定于挤压筒（7）之上，同时置于预制体预热炉(12)内，预制体预热腔(4)与挤压筒（7）内径相等且同轴，预制体预热腔(4)与挤压筒（7）之间有密封垫片(6)，预制体预热腔(4)上部有上密封块(3)，两者之间为过盈配合；预制体预热腔(4)下部有通孔，通过管道与控制阀分别与真空泵（1）和坩埚（18）相连；坩埚(18)底部通过合金管与挤压筒(7)相连；坩埚(18)置于熔炼炉(17)之内，且坩埚(18)要求密封性好，坩埚(18)内部有过滤网(16)，块状合金（15）置于过滤网(16)之上。

2.根据权利要求1所述的镁基复合材料分体预热一次浸渗挤压成形装置，其特征在于：所述上密封块(3)由高强石墨制作。

3.根据权利要求1所述的镁基复合材料分体预热一次浸渗挤压成形装置，其特征在于：所述过滤网(16)的材料是不锈钢。

4.根据权利要求1或3所述的镁基复合材料分体预热一次浸渗挤压成形装置，其特征在于：所述过滤网(16)的网孔是10～40目。

5.一种采用权利要求1所述装置的镁基复合材料分体预热一次浸渗挤压成形方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：下密封块（9）压入挤压筒（7）底部，并将挤压筒（7）固定于底座（13）之上，将预制体预热腔（4）固定于挤压筒（7）之上，保持预热腔（4）与挤压筒（7）同轴，并安装挤压筒预热炉（8）与预制体预热炉（12）；

步骤2：将预制体（5）固定于上密封块（3）底端并压入预制体预热腔（4）之内，上密封块(3)与预制体预热腔（4）形成过盈配合；

步骤3：将过滤网（16）置于坩埚（18）之内，然后放入块状合金（15），通入氩气密封坩埚（18），放入熔炼炉（17）内，接好接好合金管控制阀(16)与管路；真空泵（1）通过真空泵控制阀(2)与管路与预制体预热腔(4)相连；

步骤4：关闭合金管控制阀（14），打开真空泵控制阀(2)，开启真空泵（1）抽真空至1～5Kpa，然后关闭真空泵(1)与真空泵控制阀(2)；打开熔炼炉（17），将坩埚(18)温度加热到镁合金液相线以上50～100℃，并保温30～60分钟；开启挤压筒预热炉（12），将挤压筒（7）预热至300～500℃；开启预制体预热炉（12）将预制体（5）预热至镁合金液相线以上50～200℃；

步骤5：开启合金管控制阀（14），在重力与真空的作用下将镁合金基体吸入挤压筒（7）；

步骤6：镁合金注入后凸模（11）下行将预制体（5）压入液态镁合金并保压，实现浸渗并使复合材料致密化，凸模（11）压力保持在10～60Mpa；

步骤7：构件冷却至所需温度后，顶杆回程，凸模（11）下行压出构件。