CN104480414B - 一种碳化硅纤维增强金属基复合材料的微波成型方法 - Google Patents
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Abstract
一种碳化硅纤维增强金属基复合材料的微波成型方法，其特征是它采用微波能量穿透加热碳化硅纤维增强金属基复合材料，解决传统烧结工艺成型金属基复合材料存在的受热不均匀、界面结合能力差、能耗高、成型周期长等问题。在大功率微波辐射下，碳化硅纤维增强金属基复合材料中的碳化硅纤维和金属粉末同时吸收微波，不仅可以实现材料快速、均匀的体积加热，还可以在一定程度上提高碳化硅纤维和金属基体材料间的界面结合强度。此外，在电磁场作用下，金属粉末间会因电荷集聚而产生放电打火现象，进一步实现金属粉末的快速熔融。本发明可以快速、均匀的成型碳化硅纤维增强金属基复合材料，降低生产成本，提高材料内部碳化硅纤维和金属基体的界面结合能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合材料热固化成形技术，尤其是一种金属基复合材料的快速加热成型技术，具体地说是一种使用微波技术成型碳化硅纤维增强金属基复合材料的方法。
背景技术
碳化硅纤维增强金属基复合材料不仅具有金属基体的高韧性、高塑性，还保留了碳化硅纤维高硬度、高模量的优点，已在航空航天领域获得了广泛的应用，如用碳化硅颗粒增强铝基复合材料制造的直升机旋翼系统连接用模锻件（浆毂夹板及袖套），已成功地用于Eurocopter公司生产的N4及EC-120新型直升机；普惠公司从PW4084发动机开始，也以DWA公司生产的挤压态碳化硅颗粒增强变形铝合金基复合材料（6092/SiC/17.5p-T6），作为发动机风扇出口导流叶片，用于所有采用PW4000系发动机的波音777上。
目前碳化硅纤维增强金属基复合材料的成型方法主要有粉末冶金技术，铸造技术，共喷射沉积技术和熔渗技术等，但这些工艺方法都存在一些缺点，其中：粉末冶金技术成型周期长，成本较高；铸造技术很难实现比重差大的金属和粒子的复合；共喷射沉积技术设备昂贵，孔隙率高，原材料损失大；熔渗技术易受熔渗温度、环境气体种类及碳化硅纤维颗粒大小等因素影响。
针对传统成型方法的上述缺点，本发明提出一种碳化硅纤维增强金属基复合材料的微波成型方法，利用微波加热效应成型碳化硅纤维增强金属基复合材料。在大功率微波辐射下，碳化硅纤维增强金属基复合材料中的碳化硅纤维和金属粉末同时吸收微波，不仅可以实现材料快速、均匀的体积加热，还可以在一定程度上提高碳化硅纤维和金属基体材料间的界面结合强度。此外，在电磁场作用下，金属粉末间会因电荷集聚而产生放电打火现象，进一步实现金属粉末的快速熔融。此工艺方法可以快速、均匀的成型碳化硅纤维增强金属基复合材料，降低生产成本，提高材料内部碳化硅纤维和金属基体的界面结合性能。
本发明提出采用微波成型碳化硅纤维增强金属基复合材料，可以实现碳化硅纤维增强金属基复合材料的快速成型，并能保证良好的成型后质量。
发明内容
本发明的目的是针对现有的粉末冶金碳化硅纤维增强金属基复合材料成型周期长，成本较高；铸造碳化硅纤维增强金属基复合材料很难实现比重差大的金属和粒子的复合；共喷射沉积碳化硅纤维增强金属基复合材料用设备昂贵，孔隙率高，原材料损失大；熔渗技术易受熔渗温度、环境气体种类及碳化硅纤维颗粒大小等问题，发明一种采用微波加热技术成型碳化硅纤维增强金属基复合材料的方法，它可以快速、均匀的成型碳化硅纤维增强金属基复合材料，降低生产成本，提高材料内部碳化硅纤维和金属基体的界面结合能力。
本发明的技术方案是：
一种碳化硅纤维增强金属基复合材料的微波成型方法，其特征在于：采用微波能量穿透加热碳化硅连续纤维增强金属基复合材料，结合炉体压力，快速成型高性能的碳化硅纤维增强金属基复合材料；它包括以下步骤：
首先，采用静电将金属粉末喷涂到连续碳化硅纤维表面，通过控制静电喷涂时间调节纤维表面金属涂层的厚度；
其次，对静电喷涂后的纤维进行铺层，铺层后将其放入涂刷了脱模剂的模具内，并置于微波腔体内的工作台上，通过带活塞的模具冷压形成碳化硅纤维增强金属基复合材料预制体；
第三，按照碳化硅纤维增强金属基复合材料的加热工艺设置微波炉参数，同时通入保护气体，设置加压工艺，加热成型碳化硅纤维增强金属基复合材料；
最后，待加热和保温完成后，通过带活塞的模具热压碳化硅纤维增强金属基复合材料，抽真空排出气体杂质后，材料随炉冷却。
本发明的工作台和带活塞的模具要求能够被微波穿透，其材料需选择不明显反射微波且耐高温的材料，如高温陶瓷、石英等。
碳化硅纤维增强金属基复合材料预制体的制作部分即在连续的碳化硅纤维表面静电喷涂一层金属粉末,并通过控制喷涂时间调节纤维表面金属涂层的厚度。对静电喷涂后的碳化硅纤维进行铺层和模具冷压形成碳化硅纤维增强金属基复合材料预制体。
所述的碳化硅纤维增强金属基复合材料微波加热成型工艺是由微波炉在谐振腔内形成大功率(≥1KW)电磁场，从而使碳化硅纤维增强金属基复合材料吸收微波而均匀加热。同时，利用金属粉末在大功率(≥1KW)微波作用下的放电打火现象，实现碳化硅纤维增强金属基复合材料的快速成型。成型过程中采用红外热像仪实时测量碳化硅纤维增强金属基复合材料的温度，并根据测量到的温度和设置的加热温度自动调节微波功率均匀加热碳化硅纤维增强金属基复合材料。保持此状态直至加热完成，材料随炉冷却，完成碳化硅纤维增强金属基复合材料成型。
碳化硅纤维增强金属基复合材料的温度在大功率微波作用下开始迅速升高时，炉内压力维持在标准大气压或较低压力，并保持此状态到加热和保温结束，以保证碳化硅纤维增强金属基复合材料在熔化成型过程中空隙和气泡的排出。加热和保温结束后，通过带活塞模具热压复合材料使其致密均匀，同时对腔体抽真空(≤-0.98MPa)及时排出杂质气体。材料随炉冷却时，增加炉体压力，并维持炉体高压(≥1MPa)直至碳化硅纤维增强金属基复合材料冷却至室温，以保证材料具有较好的成型后性能，如致密性，均匀性等。所述压力系统在成型过程中加压速率和时机可控。
考虑到碳化硅纤维增强金属基复合材料在大功率微波作用下会快速升温并伴随着金属颗粒间放电打火，为了避免金属基体在成型过程中被氧化，始终向炉体内充入惰性气体保护（抽真空除外），如氩气（Ar）。所述惰性气体保护系统在成型过程中充气速率和时机可控。
本发明的有益效果是：
本发明基于微波加热的原理，相比于碳化硅纤维增强金属基复合材料的传统成型工艺，微波加热成型能耗低、时间短且微波均匀性好、易于控制。
本发明基于微波加热的原理，碳化硅纤维增强金属基复合材料中的碳化硅纤维和金属基体同时吸收微波而均匀升温，可以提高碳化硅纤维与金属基体的界面结合性能。
本发明利用基体金属粉末在大功率微波场中会因电荷集聚而产生放电打火现象，进一步实现金属粉末的快速熔融。
本发明的微波能选择性地加热碳化硅纤维增强金属基复合材料而不加热材料的周围环境，能源利用率高，生产成本较低。
本发明在材料升温过程中采用低压工艺，有利于成型过程中空隙和气泡的排出；材料降温过程中采用高压工艺，以保证材料均匀致密；使碳化硅纤维增强金属基复合材料具有较好的成型后性能。
附图说明
图1碳化硅纤维增强金属基复合材料的微波成型流程图。
图2碳化硅纤维增强金属基复合材料的微波成型简图。
图中：1为微波加热炉腔，2为活塞，3为模具，4为工作台，5为碳化硅纤维增强金属基复合材料预制体，6为排气孔。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但本发明不限于该实施例。
如图1-2所示。
一种碳化硅纤维增强铝基复合材料的微波成型方法，它包括以下步骤：
首先，采用静电将纳米铝粉喷涂到连续碳化硅纤维表面，通过控制静电喷涂时间可实现调节纤维表面金属涂层的厚度的目的；
其次，对静电喷涂后的纤维进行铺层，铺层后将其放入涂刷了脱模剂的模具3内，并置于微波加热炉腔1内的工作台4上，通过带活塞2的模具3冷压形成碳化硅纤维增强铝基复合材料5的预制体；
最后，按照碳化硅纤维增强铝基复合材料的加热工艺设置微波炉参数：升温速率为5℃/min，在665℃保温30min；在升温的同时通入保护气体，此实施例采用氩气；升温过程中炉腔压力维持在标准大气压；保温结束后通过带活塞2的模具3热压碳化硅纤维增强铝基复合材料5，在压实复合材料的同时抽真空排出气体杂质；最后材料随炉冷却时，调节炉腔内压力为1MPa，并维持此状态直至结束。
工作台4和带活塞2的模具3要求能够被微波穿透，其材料需选择不明显反射微波且耐高温的材料，此实施例采用高温陶瓷。碳化硅纤维增强铝基复合材料预制体的制作部分上在连续的碳化硅纤维表面静电喷涂一层铝粉,并通过控制喷涂时间调节纤维表面铝层的厚度。对静电喷涂后的碳化硅纤维进行铺层和模具3冷压形成碳化硅纤维增强铝基复合材料预制体。碳化硅纤维增强铝基复合材料微波加热成型工艺的关键是在微波加热炉腔1内形成功率为1.5KW的电磁场，从而使碳化硅纤维增强铝基复合材料吸收微波而均匀加热。同时，利用铝粉在大功率（1.5KW）微波作用下的放电打火现象，实现碳化硅纤维增强铝基复合材料的快速成型。成型过程中采用红外热像仪实时测量碳化硅纤维增强铝基复合材料的温度，并根据测量到的温度和设置的加热温度自动调节微波功率均匀加热碳化硅纤维增强铝基复合材料。保持此状态直至加热完成，材料随炉冷却，完成碳化硅纤维增强铝基复合材料成型。
碳化硅纤维增强铝基复合材料的温度在大功率（1.5KW）微波作用下开始迅速升高时，微波加热炉腔1压力应维持在标准大气压，并保持此状态到665℃，以保证碳化硅纤维增强铝基复合材料在熔化成型过程中空隙和气泡的排出。保温结束后，通过带活塞2的模具3热压复合材料使其致密均匀。热压完成后将活塞2抬起，对腔体抽真空（≤-0.98MPa），使杂质气体及时从排气孔6排出。杂质气体排出后材料随炉冷却时，调节炉腔内压力为1MPa，并维持此压力直至碳化硅纤维增强铝基复合材料冷却至室温，以保证材料具有较好的成型后性能，如致密性，均匀性等。所述抽真空和加压系统在成型过程中的加压速率和时机可控。
考虑到碳化硅纤维增强铝基复合材料在大功率微波作用下会快速升温并伴随着金属颗粒间放电打火，为了避免金属基体在成型过程中被氧化，始终向微波加热炉腔1内充入氩气保护（抽真空除外）。所述惰性气体保护系统在成型过程中充气速率和时机可控。
实施例二。
一种碳化硅纤维增强镍基复合材料的微波成型方法，其步骤除了用纳米镍粉喷涂到连续碳化硅纤维表面外，其余与实施例一相同。本实施例的碳化硅纤维增强镍基复合材料还可用铜基、钛基等其它金属基粉末代替铝基粉末制备特种用途的复合材料。
以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或是等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。
本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (5)
1.一种碳化硅纤维增强金属基复合材料的微波成型方法，其特征在于：采用微波能量穿透加热碳化硅连续纤维增强金属基复合材料，结合炉体压力，快速成型高性能的碳化硅纤维增强金属基复合材料；它包括以下步骤：
首先，采用静电将金属粉末喷涂到连续碳化硅纤维表面，通过控制静电喷涂时间调节纤维表面金属涂层的厚度；
其次，对静电喷涂后的纤维进行铺层，铺层后将其放入涂刷了脱模剂的模具内，并置于微波腔体内的工作台上，通过带活塞的模具冷压形成碳化硅纤维增强金属基复合材料预制体；
第三，按照碳化硅纤维增强金属基复合材料的加热工艺设置微波炉参数，同时通入保护气体，设置加压工艺，加热成型碳化硅纤维增强金属基复合材料；
最后，待加热和保温完成后，通过带活塞的模具热压碳化硅纤维增强金属基复合材料，抽真空排出气体杂质后，材料随炉冷却。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：工作台和带活塞的模具要求能够被微波穿透，其材料需选择不明显反射微波且耐高温的材料。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的碳化硅纤维增强金属基复合材料微波加热成型工艺是由微波炉在谐振腔内形成≥1kW的大功率电磁场，从而使碳化硅纤维增强金属基复合材料吸收微波而均匀加热；同时，利用金属粉末在≥1kW的大功率微波作用下的放电打火现象，实现碳化硅纤维增强金属基复合材料的快速成型；成型过程中采用红外热像仪实时测量碳化硅纤维增强金属基复合材料的温度，并根据测量到的温度和设置的加热温度自动调节微波功率均匀加热碳化硅纤维增强金属基复合材料；保持此状态直至加热完成，材料随炉冷却，完成碳化硅纤维增强金属基复合材料成型。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：碳化硅纤维增强金属基复合材料的温度在大功率微波作用下开始迅速升高时，炉内压力维持在标准大气压或较低压力，并保持此状态到加热和保温结束，以保证碳化硅纤维增强金属基复合材料在熔化成型过程中空隙和气泡的排出；加热和保温结束后，通过带活塞的模具热压复合材料使其致密均匀，同时对腔体抽真空≤-0.98MPa并及时排出杂质气体；材料随炉冷却时，增加炉体压力，并维持炉体≥1MPa的高压直至碳化硅纤维增强金属基复合材料冷却至室温，以保证材料具有较好的成型后性能，所述控制炉内压力的压力系统在成型过程中的加压速率和时机可控。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：碳化硅纤维增强金属基复合材料在大功率微波作用下会快速升温并伴随着金属颗粒间放电打火，为了避免金属基体在成型过程中被氧化，除抽真空期间外应在材料成型期间始终向炉体内充入惰性气体保护，所述惰性气体在材料成型过程中的充气速率和时机可控。
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