CN104439167A - 自修复铝合金的制备方法及其制备装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自修复铝合金的制备装置，包括铸造模具及其夹具，铸造模具由对称的左右两部分组成，两部分中间形成修复铝合金的铸造区域，夹具由两块平行设置的夹具钢板构成，中间设置左右两部分构成的铸造模具以通过夹具钢板两端部上下对称设置的四颗螺栓夹紧铸造模具对称的左右两部分，铸造模具与夹具的底部放置在底部钢板垫片上，当自修复铝合金铸造完成后通过卸开螺栓，松开夹具，分开模具两边即可将铸件取出。本发明利用自制的铸造模具，采用简单的铸造方法，在基体铝合金材料中均匀封装低熔点合金自修复增强微管，成功制备出具有良好自修复性能的铝合金复合材料，该材料在航空航天、军工及石油化工等领域具有极大的应用前景。

Description

自修复铝合金的制备方法及其制备装置

技术领域

本发明属于航天器空间运动用材料制备技术领域，具体涉及一种自修复铝合金的制备方法以及该铝合金的制备装置。

背景技术

空间碎片是航天器面临的最大危险之一。由于碎片运动的高速性，其实际破坏力巨大。如遭受直径为1mm的空间碎片撞击，撞击坑深度可达2.17mm，其可穿透4.8mm厚的铝板，穿孔直径可达4.7mm。因此，当前航天界对于空间碎片的处理主要靠预警避让等方式，但还有众多的微小碎片既难于探测避让也难于防护，这种情况下，具有优异自修复性能的轻质高强合金材料将发挥巨大的作用,可实现碎片损伤后自主修复,自修复材料作为重要的新材料,有望解决传统方法无法解决的技术难题,在一些重要工程和尖端技术领域具有巨大的发展前景和应用价值。比如金属或合金自修复材料，在微电子、军工、航空航天等行业已显露出极大的应用前景。

美国加州理工学院开发出一种全新的自愈微芯片，像终结者一样，这种芯片能够在激光多次冲击中幸存。该学院的科研人员在一个区域上放置76个芯片组件，组成一块和硬币大小相当的芯片，然后用大功率的激光器对这些组件发射激光进行破坏，这块芯片却能在一秒的时间内迅速恢复运作。

美国五角大楼曾资助开展合金自修复新材料的研究，该材料由镁、铝等轻金属与其他特殊材料复合而成，其内部呈泡沫结构，熔点相对较低。若这类材料用于装甲车或坦克表面铠甲层，当遭到火箭弹等重型武器攻击时，材料中的低熔点合金泡沫便会破裂，裂缝将被气流携带的金属液体迅速填补愈合凝固，将使装甲表面恢复如初。

自修复材料由于其特殊的自愈合性能受到了国内外智能材料界的极大关注。自从20世纪八十年代自修复概念提出之后，液芯纤维自修复材料和微胶囊自修复材料的成功制备，标志着自修复材料从概念阶段发展到实验阶段。从那以后，聚合物基自修复材料、自修复混凝土、自修复结构陶瓷、自修复耐腐蚀涂层等新型材料相继出现。

自修复的核心是能量补给和物质补给、模仿生物体损伤愈合的原理，使复合材料对内部或者外部损伤能够进行自修复自愈合，从而消除隐患、增强材料的强度和延长使用寿命。修复过程的物质补给由流体(或流体与固体粉末)提供，能量补给由化学作用完成。相对来说，自修复聚合物基复合材料的制备最为简单可控，因此其发展也最为迅速，先后发明了液芯纤维法、微胶囊法及热可逆交联反应法，对其自修复机制的研究也最为透彻。由于成本及技术难度，对于合金的自修复国内外均还处于实验室探索和研究阶段。

自修复合金的修复机理当前主要有三类：第一类利用过饱和固溶体合金中的沉淀相粒子的扩散来抑制孔洞等缺陷的形成，Van Der Zwaag等将此机理称为“损伤预防”机制(Damage Prevention)。该类方法适用性较窄，需要特定的合金体系。第二类是利用形状记忆合金(SMA,shape-memory alloy，如NiTi)纤维或丝作为合金的增强相。形状记忆合金具有在临界温度以上加热时恢复原始形状的能力，因此当合金中的裂纹形成时，可以在临界温度以上加热合金，激活形状记忆合金的形状记忆收缩特性，在裂纹处产生压应力从而使裂纹闭合。第三类与聚合物基自修复复合材料相似，在金属基体中内嵌修复剂(如低熔点合金)。当然，在金属中封装修复剂比聚合物中难度大很多，需要考虑修复剂的可控引入，并且当裂纹扩展时能有效破裂并流出填充裂纹或孔洞。为此，提供一种可工业化生产且成本低廉的自修复铝合金的制备方法非常必要，同时也需要提供该材料的制备装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种自修复铝合金的制备方法，该方法能够简单地，低成本低制造出自修复铝合金。

此外，本发明的另一目的在于提供一种制造该自修复铝合金的装置，该装置结构简单，使用方便，能够高效低成本实现自修复铝合金的生产。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：

一种自修复铝合金的制备装置，包括方形的铸造模具及其夹具，铸造模具由对称的左右两部分组成，两部分中间形成修复铝合金的铸造区域，夹具由两块平行设置的夹具钢板构成，夹具钢板中间设置左右两部分构成的铸造模具以通过夹具钢板两端部上下对称设置的四颗螺栓夹紧铸造模具对称的左右两部分，铸造模具与夹具的底部放置在底部钢板垫片上，当自修复铝合金铸造完成后通过卸开螺栓，松开夹具，分开模具两边即可将铸件取出。

其中，铸造模具采用45号钢或模具钢加工而成。

其中，模具沿轴线方向对称且模具夹具采用普通钢材加工。

其中，螺栓与夹具钢板之间设置垫片。

一种利用上述装置制造自修复铝合金的方法，包括如下步骤：

1)预先将铝微管或氧化铝微管的微管内壁进行粗糙化处理，利用泡沫铝作为微管的支撑体，按铝微管或氧化铝微管的外径大小，将两片尺寸一致的泡沫铝片利用冲子打孔，然后均匀布置铝微管或氧化铝微管，铝微管或氧化铝微管两端对称插入泡沫铝片的孔中，然后将此带微管的泡沫铝组合放入铸造模具的铸造区域中；

2)将设置微管的模具烘干、预热到温度200℃-550℃,保温10min-30min；在670℃-750℃熔化基体铝合金，保温10min-30min，然后按铝合金的铸造方法进行铸造凝固脱模，得到内嵌空管的铝合金；

3)将与微管内径尺寸相当的低熔点合金丝穿入微管，加热铝合金至低熔点合金熔点以上，待合金丝在微管中熔化、凝固即得到完整的自修复合金样品。

其中，步骤1)中粗糙化处理为酸洗。

其中，铝微管的外径为2mm，内径为1mm,壁厚为0.5mm。

其中，铝微管与模具铸造区域的长度一致，为90mm。

其中，低熔点合金丝选自以下的组中：Sn60Pb40、Bi45Pb23Sn8Cd5In19、Sn42Bi58、Pb87Sb13。

本发明工艺及装置具有以下优点：

1、采用中轴线分模铸造模具制备自修复铝合金。该铸造模具沿中轴线剖开成两部分，区别于普通整体模具和上下分模模具，主要是可在铸造铝合金时中间便于布置微管，模具并采用螺栓夹具固定，拆卸脱模便捷。模具尺寸可根据需要铸造的合金尺寸灵活变化，其是自修复铝合金制造必不可少的装置，该装置可有效避免传统整体模具和上下分模模具的不方便性和无法良好地布置自修复微管的缺点，在自修复铝合金的制备方面具有良好的方便性和特点。

2、微管内壁预先进行预处理，提高其内表面的金属润湿性。微管材质采用纯铝管或氧化铝管，支撑体采用泡沫铝，利于微管与基体的之间的结合，可有效避免引入杂质，并且便于微管的均匀分布。同时可以根据微管分布的密度来调整低熔点合金修复剂在整个合金中的含量，可在1％～30％之间变化。

3、采用低熔点合金(如Sn60Pb40、Sn42Bi58等)作为修复剂，修复可在50℃至250℃之间进行。如采用Bi45Pb23Sn8Cd5In19作为修复剂，修复温度在47℃左右；采用Sn42Bi58作为修复剂，修复温度在139℃左右；采用Sn60Pb40作为修复剂，修复温度在183℃左右；采用Pb87Sb13作为修复剂，修复温度在247℃左右。

4、基体金属采用便于铸造加工的纯铝或轻质铝合金。

本发明利用自制的铸造模具，采用简单的铸造方法，在基体铝合金材料中均匀封装低熔点合金(如Pb-Sn\Sn-Bi等)自修复增强微管，成功制备出具有良好自修复性能的铝合金复合材料，该材料在航空航天、军工及石油化工等领域具有极大的应用前景。

合金尺寸可以根据模具灵活变化，同时修自复温度可根据低熔点合金熔点自由调整，修复可在50℃至250℃之间进行。修复剂含量可由微管分布密度调整。该自修复合金可修复的空洞或裂纹的尺寸≧1mm。

附图说明

图1为本发明的自修复铝合金的制造装置的正视图；其中1为螺栓，2为垫片，3为夹具钢板，4为铸造模具，5为底部钢板垫片。

图2为本发明的自修复铝合金的制造装置俯视图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的自修复铝合金装置进行进一步说明，该说明仅仅是示例性的，并不旨在限制本发明的保护范围。

图1显示的是本发明的自修复铝合金的制造装置示意图。其中，本发明的自修复铝合金的制备装置，包括方形的铸造模具4及其夹具，铸造模具4由对称的左右两部分组成，两部分中间形成修复铝合金的铸造区域，夹具由两块平行设置的夹具钢板3构成，夹具钢板3中间设置左右两部分构成的铸造模具4以通过夹具钢板4两端部上下对称设置的四颗螺栓1夹紧铸造模具对称的左右两部分，铸造模具4与夹具的底部放置在底部钢板垫片5上，当自修复铝合金铸造完成后通过卸开螺栓，松开夹具，分开模具两边即可将铸件取出。螺栓1与夹具钢板3之间设置垫片2。

实施方式1

1、自修复铝合金的铸造模具加工

采用45#钢加工铸造模具，尺寸如图1示意，该模具长宽高分别为130mm×45mm×60mm，模具内部腔体尺寸为90mm×20mm×40mm。同时，模具沿轴线方向剖开。模具夹具采用普通钢材加工，采用上下四颗螺栓固定。利用夹具将剖开的模具夹紧组装。组装好的模具如图2所示。当铸造完成后可以卸开螺栓，松开夹具，分开模具两边即可将铸件取出。

2、低熔点合金微管的布置

预先将微管内壁进行粗糙化处理，如酸洗，以提高低熔点合金与基体金属之间的润湿性，从而增强结合力。利用泡沫铝作为微管的支撑体(铝微管的外径为2mm，内径为1mm,壁厚为0.5mm)，采用直径为2mm的冲子在2片长宽尺寸为40mm×20mm泡沫铝片上分别均匀打8个孔，然后均匀布置8根铝微管(铝微管与模具内腔长度一致，为90mm)。铝微管两端对称插入泡沫铝片的孔中。然后将此带微管的泡沫铝组合放入模具腔体中。

3、自修复铝合金的铸造

首先将带微管的模具烘干，并在马弗炉中预热至250℃，保温20分钟待用；采用石墨坩埚在670℃温度熔化基体纯铝，搅拌均匀，保温20分钟，然后采用按传统铝合金的铸造方法进行铸造、凝固、脱模，得到内嵌空管的铝合金。

4、低熔点合金的封装

将与微管内径尺寸1mm一致的8根低熔点合金丝Sn60Pb40穿入微管，加热铝合金至低熔点合金Sn60Pb40熔点183℃左右，待合金丝在微管中熔化、凝固即得到完整的自修复合金样品。样品尺寸为90mm×20mm×40mm，将样品切割即可进行测试分析和应用。该自修复合金可修复的空洞或裂纹的尺寸≧1mm。

实例2

自修复铝合金的铸造模具尺寸如实例1。低熔点合金微管采用氧化铝管，布置依然如实例1。基体合金采用2系铝铜镁Al-Cu-Mg合金，熔化温度720℃,保温20min,铸造工艺与低熔点合金封装同实例1。该自修复合金也可修复的空洞或裂纹的尺寸≧1mm。

尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种自修复铝合金的制备装置，包括方形的铸造模具及其夹具，铸造模具由对称的左右两部分组成，两部分中间形成修复铝合金的铸造区域，夹具由两块平行设置的夹具钢板构成，夹具钢板中间设置左右两部分构成的铸造模具以通过夹具钢板两端部上下对称设置的四颗螺栓夹紧铸造模具对称的左右两部分，铸造模具与夹具的底部放置在底部钢板垫片上，当自修复铝合金铸造完成后通过卸开螺栓，松开夹具，分开模具两边即可将铸件取出。

2.如权利要求1所述的制备装置，其中，铸造模具采用45号钢或模具钢加工而成。

3.如权利要求1所述的制备装置，其中，模具沿轴线方向对称且模具夹具采用普通钢材加工。

4.如权利要求1-3任一项所述的制备装置，其中，螺栓与夹具钢板之间设置垫片。

5.一种利用权利要求1-4任一项所述的制备装置制造自修复铝合金的方法，包括如下步骤：

1)预先将铝微管或氧化铝微管的微管内壁进行粗糙化处理，利用泡沫铝作为微管的支撑体，按铝微管或氧化铝微管的外径大小，将两片尺寸一致的泡沫铝片利用冲子打孔，然后均匀布置铝微管或氧化铝微管，铝微管或氧化铝微管两端对称插入泡沫铝片的孔中，然后将此带微管的泡沫铝组合放入铸造模具的铸造区域中；

2)将设置微管的模具烘干、预热到温度200℃-550℃,保温10min-30min；在670℃-750℃熔化基体铝合金，保温10min-30min，然后按铝合金的铸造方法进行铸造凝固脱模，得到内嵌空管的铝合金；

3)将与微管内径尺寸相当的低熔点合金丝穿入微管，加热铝合金至低熔点合金熔点以上，待合金丝在微管中熔化、凝固即得到完整的自修复合金样品。

6.如权利要求5所述的方法，其中，步骤1)中粗糙化处理为酸洗。

7.如权利要求5所述的方法，其中，铝微管的外径为2mm，内径为1mm,壁厚为0.5mm。

8.如权利要求5所述的方法，其中，铝微管与模具铸造区域的长度一致，为90mm。

9.如权利要求5-8任一项所述的方法，其中，低熔点合金丝选自以下的组中：Sn60Pb40、Bi45Pb23Sn8Cd5In19、Sn42Bi58、Pb87Sb13。