CN103862228A

CN103862228A - 一种铝基复合材料大型薄壁壳体的制备加工方法

Info

Publication number: CN103862228A
Application number: CN201210526398.3A
Authority: CN
Inventors: 郭胜利
Original assignee: Beijing General Research Institute for Non Ferrous Metals
Current assignee: Youyan metal composite technology Co.,Ltd.
Priority date: 2012-12-07
Filing date: 2012-12-07
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2032-12-07
Also published as: CN103862228B

Abstract

本发明特别涉及一种铝基复合材料大型薄壁壳体的制备加工方法，属于难变形材料薄壁复杂构件的制备加工领域。本发明采用搅拌铸造和粉末冶金工艺制备锭坯，开坯锻造；然后将锻棒下料后，冲孔预制成空心坯料，再对预制空心坯料进行等温复合挤压，制备出颗粒分布均匀、基体组织细小均匀的管坯；然后将挤压管坯进行多道次热强力变薄旋压，得到复合旋压管坯；再将管坯进行多道次热-温复合旋压成形，得到复合材料薄壁壳体；然后对所得的壳体进行酸洗和清洗后，再进行成品热处理。采用本发明制备加工铝基复合材料大型薄壁壳体，有效改善复合材料颗粒分布的均匀，提高其塑性和成形能力，所制备加工的复合材料壳体综合性能高，成形省力、附加值高。

Description

一种铝基复合材料大型薄壁壳体的制备加工方法

技术领域

本发明特别涉及一种铝基复合材料大型薄壁壳体的制备加工方法，属于难变形材料薄壁复杂构件的制备加工领域。

背景技术

铝基复合材料具有高比强度、高比模量，良好的耐磨性和尺寸稳定性等优点，在空天技术、汽车制造、先进装备等领域被广泛地应用。铝基复合材料大型薄壁壳体属于轻质高强、高模量的复杂构件，可以进一步减轻装备重量，在先进武器方面具有良好的应用前景。中国专利（ZL 200910242479.9）公开了采用粉末冶金或搅拌铸造（制备管坯）+强旋的短流程方法制备加工铝基复合材料薄壁管材，利用DMM（动态材料模型）和FEM（有限元数值模拟）相结合的方法优化设计铝基复合材料强旋工艺，并利用先进测试手段透射电镜（TEM）或扫描电镜（SEM）分析薄壁管材中是否存在微观缺陷，实现了复合材料薄壁管材成形成性一体化制造。该方法具有工序流程短，成形省力，成本低等优点，但采用粉末冶金或铸造制备管坯颗粒团聚严重，颗粒分布的均匀性差，复合材料的塑性低，后续旋压成形困难，且颗粒分布的不均匀性，影响产品的综合性能。

经对现有技术文献的检索发现，中国专利中涉及铝基复合材料大型薄壁壳体制备加工的报道较少。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，为克服难变形材料大型薄壁壳体制备加工的技术瓶颈，提供了一种铝基复合材料大型薄壁壳体的制备加工方法。

一种铝基复合材料大型薄壁壳体的制备加工方法，其具体步骤如下：

（1）采用粉末冶金或搅拌铸造工艺制备铝基复合材料锭坯，并开坯锻造成锻棒；

（2）将步骤（1）所得的锻棒下料，冲孔预制成空心坯料；

（3）将步骤（2）所得的空心坯料进行等温复合挤压，制备出管坯；

（4）对步骤（3）所得管坯，进行多道次热强旋变薄旋压，得到后续复合旋压管坯；

（5）对步骤（4）所得后续复合旋压管坯，进行热-温复合旋压成形，获得复合材料大型薄壁壳体；

（6）将步骤（5）所得复合材料大型薄壁壳体进行固溶热处理和时效热处理，得到成品。

所述铝基复合材料中，增强体颗粒为A1₂O₃、SiC、B₄C、TiB₂、TiC陶瓷颗粒，颗粒的体积分数为5%~15%，颗粒的平均尺寸为0.5 μm~l0μm，基体合金为2×××系和6×××系变形铝合金。

步骤（1）中，所述复合材料开坯锻造为包套锻造，锻造火次为两次或三次，每火次锻造变形量不小于70%，通过锻造大变形改善颗粒分布的均匀性，锻棒的直径为Ф100 mm～Ф500 mm。

步骤（2）中，所述空心坯料的外径为Ф100 mm～Ф500 mm，内径为Ф40 mm～Ф200 mm。

步骤（3）中，所述等温复合挤压的挤压温度为400 ℃～550 ℃，挤压比为1.5～10，挤压速度为0.01 mm/s～5 mm/s。

步骤（4）中，所述的多道次热强旋变薄旋压的旋压温度为450 ℃～540 ℃，工模具预热温度为300 ℃～350 ℃，并采用氧-乙炔火焰喷枪补热，进给比为0. 5 mm/r～1.5 mm/r。

步骤（5）中，所述热-温复合旋压分为强旋和普旋。

步骤（5）中，所述热复合旋压的旋压温度、工模具预热温度和补热方式分别与步骤（4）中多道次热强旋变薄旋压的旋压温度、工模具预热温度和补热方式相同，进给比为1 mm/r～2 mm/r；成品前两道次采用温旋压，温旋压的旋压温度为200 ℃～350 ℃，工模具预热温度为200 ℃～350 ℃，并采用氧-乙炔火焰喷枪补热，进给比为0.5mm/r～1.5 mm/r。

步骤（6）中所述固溶处理的温度为500 ℃～545 ℃，保温时间50min～150 min；所述时效热处理温度为140 ℃～185 ℃，保温8h～36 h。

本发明的有益效果为：

利用DMM（动态材料模型）和FEM（有限元数值模拟）相结合的方法优化步骤（1）~步骤（5）中塑性加工工艺参数。通过透射电镜（TEM）或扫描电镜（SEM）进行微观组织分析，薄壁壳体中增强体颗粒未发现断裂，增强体颗粒与基体之间的界面处未发现开裂等微观缺陷，颗粒和基体之间的界面结合良好。

本发明有效地改善了颗粒分布的均匀性，提高了复合材料的可旋性，成品综合性能高，主要优点有：

通过锻造大变形改善颗粒分布的均匀性，提高铝基复合材料的成形能力；采用空心坯料等温复合挤压，减少所施加载荷的作用面积，显著降低挤压力，成形省力；等温挤压变形温度均匀，变形均匀，制备的管坯颗粒分布均匀，组织均匀，提高复合材料的塑性，进而提高可旋性，有利于旋压成形；解决了铝基复合材料（低塑性难变形材料）复杂构件制备加工中增强体颗粒出现断裂和界面处开裂等微观缺陷和宏观裂纹等缺陷产生问题。

本发明为高性能、高质量、轻质大型薄壁壳体制备加工提供了新途径，可用于航空、航天和核工业等高科技领域，具有良好的应用推广。

附图说明

图1为本发明方法的工艺流程图；

图2为实施例1中铝基复合材料壳体结构示意图；

图3为实施例2中铝基复合材料壳体结构示意图；

图4为实施例3中铝基复合材料壳体结构示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种铝基复合材料大型薄壁壳体的制备加工方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

本发明的工艺流程图如图1所示，本发明铝基复合材料大型薄壁壳体的制备加工的工艺流程，包括：锭坯制备，开坯锻造，冲孔预制空心坯料，等温复合挤压，强力变薄旋压，复合旋压，成品热处理。

（1）采用粉末冶金或搅拌铸造工艺制备复合材料锭坯，开坯锻造采用包套锻造工艺，多道次墩拔后，滚圆成棒材；锻造温度可为400 ℃～550 ℃；锻造火次为2次或3次，每火次锻造变形量不小于70%，改善颗粒分布的均匀性，细化组织。

（2）将步骤（1）所得的锻棒下料，加热后，冲孔预制成空心坯料；冲孔预制空心坯料的外径为Ф100 mm～Ф500 mm，内径为Ф40 mm～Ф200 mm。

（3）将步骤（2）预制的坯料加热后，放入挤压筒中进行等温复合挤压，挤压旋压管坯；复合挤压坯料为空心坯料，减少所施加载荷的作用面积，显著降低挤压成形力；挤压比为1.5～10，挤压速度为0.01 mm/s～5 mm/s，挤压温度为400 ℃～550 ℃，挤压管坯直径为Ф100mm～Ф500 mm，壁厚为5 mm～40 mm。采用等温复合挤压；等温挤压几乎没有模冷效应，材料的流动应力较小，极大地降低挤压成形力，且挤压大变形有助于进一步改善颗粒分布的均匀性，提高复合材料的塑性和成形能力。

（4）将步骤（3）所得管坯，进行多道次热强力变薄旋压，旋压温度为450 ℃～540 ℃，工模具预热温度为300 ℃～350 ℃，并采用氧-乙炔火焰喷枪补热，进给比为0. 5 mm/r～1.5 mm/r，得到复合旋压管坯。

（5）将步骤（4）所得管坯，进行多道次热/温复合旋压，热旋进给比为1 mm/r～2 mm/r，温旋进给比为0.5 mm/r～1.5 mm/r，温旋压的旋压温度为200 ℃～350 ℃，工模具预热温度为200 ℃～350℃，并采用氧-乙炔火焰喷枪补热。

（6）对步骤（5）所得的壳体，酸洗和清洗后热处理，固溶处理的温度为500 ℃～545 ℃，保温时间50 min～150 min；所述的时效温度为140 ℃～185 ℃，保温8 h～36 h。

实施例1

加工对象为A1₂0₃/2124复合材料壳体（见附件图2），采用粉末冶金工艺制备A1₂0₃/2124复合材料，复合材料中A1₂0₃颗粒的体积分数为5%，平均尺寸为5 μm，复合材料锭坯的直径为Ф500 mm。利用普炭钢对复合材料锭坯进行包套，包套锻造温度为400 ℃，进行两火次墩拔锻造，每火次的变形量不小于70%，并滚圆成棒材，将锻棒下料后进行冲孔锻造和机加工，预制成外径为400 mm和内径为200 mm的空心坯料。然后进行等温复合挤压，挤压温度为445℃，挤压速度为0.1 mm/s，挤压比为5.2；机加工后，管坯外径为Ф396 mm，壁厚为10 mm。对复合材料管坯进行热强力旋压，旋压温度为500 ℃，工模具预热温度为350 ℃，并采用氧-乙炔火焰喷枪补热，进给比为0.85 mm/r，道次减薄率为25%，旋压四道次后，进行一道次温旋压成形，旋压温度为300 ℃，工模具预热温度为300 ℃，并采用氧-乙炔火焰喷枪补热，进给比为1 mm/r，减薄率为25%。然后进行三道次缩径旋压（普旋），缩径旋压温度、补热方式、工模具预热温度同热强力旋压，进给比为1.2 mm/r，最后一道次贴膜旋压精整外形，采用温旋压，旋压温度、补热方式、工模具预热温度同温强力旋压，进给比为1.5 mm/r。最后，对壳体缩径端进行热收口旋压，旋压温度、补热方式、工模具预热温度同热缩径旋压。壳体固溶温度为540 ℃，在此温度下保温60 min，然后室温水淬，时效温度为165 ℃，在此温度下保温12 h。

实施例2

加工对象为A1₂0₃/2124复合材料壳体（见附件图3），复合材料管坯制备和热-温强力变薄旋压及热处理同实施例1，热强力旋压管坯壁厚为5mm时，采用剪切旋压成形锥面，剪切旋压温度、补热方式和工模具预热温度分别与热强力变薄旋压的剪切旋压温度、补热方式和工模具预热温度相同，进给比为0.9 mm/r，变薄率为20%；锥面成形后，对壳体的两端进行热强力变薄旋压，成品最后一道次采用温旋成形。

实施例3

加工对象为A1₂0₃/6061复合材料壳体（见附件图4），采用搅拌铸造工艺制备A1₂0₃/6061复合材料，复合材料中A1₂0₃颗粒的体积分数为8%，平均尺寸为7μm，复合材料锭坯的直径为Ф380 mm。利用普炭钢对复合材料锭坯进行包套，包套锻造温度为450 ℃，进行两火次墩拔锻造，每火次的变形量大于70%，并滚圆成棒，将锻棒下料后进行冲孔锻造和机加工，预制成外径为300 mm和内径为140 mm的空心坯料。然后进行等温复合挤压，挤压温度为500 ℃，挤压速度为0.05 mm/s，挤压比为4.7；机加工后，管坯外径为Ф296 mm，壁厚为9 mm。对复合材料管坯进行热强力旋压，旋压温度为520 ℃，工模具预热温度为350 ℃，并采用氧-乙炔火焰喷枪补热，进给比为0.7 mm/r，道次减薄率为25%，旋压三道次后，进行两道次旋压带出台阶，然后对壳体两端进行翻边和收口旋压成形，旋压温度、补热方式、工模具预热温度同热强力旋压，进给比为1.1 mm/r。壳体固溶温度510 ℃，在此温度下保温60 min，室温水淬，时效温度为165 ℃，在此温度下保温28 h。

利用DMM（动态材料模型）和FEM（有限元数值模拟）相结合的方法优化实施例1~3中塑性加工工艺参数。透射电镜（TEM）或扫描电镜（SEM）微观组织分析表明，实施例1~3制备加工的薄壁壳体中增强体颗粒未发现断裂，增强体颗粒与基体Al之间的界面处未发现开裂等微观缺陷，颗粒和基体之间的界面结合良好。

Claims

1.一种铝基复合材料大型薄壁壳体的制备加工方法，其特征在于，具体步骤如下：

（2）将步骤（1）所得的锻棒下料，冲孔预制成空心坯料；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述铝基复合材料中，增强体颗粒为A1₂O₃、SiC、B₄C、TiB₂、TiC陶瓷颗粒，颗粒的体积分数为5%~15%，颗粒的平均尺寸为0.5 μm~l0 μm，基体合金为2×××系和6×××系变形铝合金。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（1）中，所述复合材料开坯锻造为包套锻造，锻造火次为两次或三次，每火次锻造变形量不小于70%，通过锻造大变形改善颗粒分布的均匀性，锻棒的直径为Ф100 mm～Ф500 mm。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（2）中，所述空心坯料的外径为Ф100 mm～Ф500 mm，内径为Ф40 mm～Ф200 mm。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（3）中，所述等温复合挤压的挤压温度为400 ℃～550 ℃，挤压比为1.5～10，挤压速度为0.01 mm/s～5 mm/s。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（4）中，所述的多道次热强旋变薄旋压的旋压温度为450 ℃～540 ℃，工模具预热温度为300 ℃～350 ℃，并采用氧-乙炔火焰喷枪补热，进给比为0. 5mm/r～1.5 mm/r。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（5）中，所述热-温复合旋压分为强旋和普旋。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（5）中，所述热复合旋压的旋压温度、工模具预热温度和补热方式分别与步骤（4）中多道次热强旋变薄旋压的旋压温度、工模具预热温度和补热方式相同，进给比为1 mm/r～2 mm/r；成品前两道次采用温旋压，温旋压的旋压温度为200 ℃～350 ℃，工模具预热温度为200 ℃～350 ℃，并采用氧-乙炔火焰喷枪补热，进给比为0.5 mm/r～1.5 mm/r。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（6）中所述固溶热处理的温度为500 ℃～545 ℃，保温时间为50 min～150 min；所述时效热处理温度为140 ℃～185 ℃，保温为8 h～36 h。