CN104525917B - 一种制备金属基复合材料的模具 - Google Patents

一种制备金属基复合材料的模具 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种制备金属基复合材料的模具，属于加工制造领域。所述模具包括：外模具I、外模具II、定型层和隔热层。定型层位于外模具I内部、挡板下方，定型层与外模具I筒体侧壁间隙配合；外模具II套装于外模具I外部，与外模具I底部固连，隔热层放置于外模具I和外模具II形成的间隙中，将外模具I包裹起来，隔热层的上表面高于非金属相的上表面。所述模具能够确保在浸渗过程中，金属基复合材料的整体温度分布呈现均匀状态，降低温度分布不均匀造成的应力集中，进而降低裂纹产生的可能性，最终保证金属基复合材料的完整性。

Description

一种制备金属基复合材料的模具
技术领域
本发明涉及一种制备金属基复合材料的模具，具体涉及一种采用真空压力浸渗法制备金属基复合材料的模具，属于加工制造领域。
背景技术
金属基复合材料，如颗粒增强碳化硅铝复合材料、双连通碳化硅铝复合材料、颗粒增强双连通铜碳化硅复合材料等具有质量轻，刚度高，比强度高，比模量高，热导率高，热膨胀系数小，兼具一定韧性等多种优点，成为各类多芯片组建和大电流功率模块(如IGBT模块)理想的基底材料，以及各种质量小、强度高的零配件(如航空零件)的理想材料。
目前在制备过程中，金属基复合材料易产生裂纹进而导致失效，失效材料的微观结构观察表明，不同材料之间的界面结合处为裂纹的形核区域与扩散区域。从材料力学角度而言，界面处结合强度低于各相的力学强度是导致界面处裂纹形核与扩散的主要因素。其影响因素包括：(1)金属基复合材料内不同相的热膨胀系数差异，导致在温度非均匀降温过程中，界面两边膨胀量不同，造成界面结合强度降低。(2)降温过程中，金属基复合材料不同宏观区域的温度差导致不同区域的膨胀量差异，造成界面结合强度降低。
而目前制备金属基复合材料的常规模具内部存在一定的温度场差异，特别是在整体温度变化较快的过程中，常规模具扩大了任意时刻的金属基复合材料整体内的温度场差异。从而加剧整体宏观材料中不同区域的膨胀量差异，同时加剧了微观区域界面处不同相的膨胀量差异，最终导致界面处结合强度降低，从而导致裂纹的形核与扩散，最终导致金属基复合材料产生裂纹，从而整体失效。
发明内容
鉴于此，本发明的目的在于提供一种制备金属基复合材料的模具，所述模具能够确保在浸渗过程中，金属基复合材料的整体温度分布呈现均匀状态，降低温度分布不均匀造成的应力集中，进而降低裂纹产生的可能性，最终保证金属基复合材料的完整性。
本发明的目的由以下技术方案实现：
一种制备金属基复合材料的模具，所述模具包括：外模具I、外模具II、定型层和隔热层；
定型层内设有非金属相的放置空间；定型层上设有与外模具I中挡板通孔相对应的浇道；
外模具I为底端封闭、顶端开口的筒状结构，内部设有挡板，挡板外缘与筒体内壁固连，且挡板外缘与筒体之间密封(无间隙)，挡板上设有通孔；
连接关系如下：
定型层位于外模具I内部、挡板下方，定型层与外模具I筒体侧壁间隙配合；外模具II套装于外模具I外部，与外模具I底部固连，隔热层放置于外模具I和外模具II形成的间隙中，将外模具I包裹起来，隔热层的上表面高于非金属相的上表面；
隔热层厚度是实际需要确定，定型层的形状和厚度均根据实际需要确定；
外模具I、外模具II厚度为2mm以上；
定型层与外模具I之间的间隙小于3mm，大于1mm；
定型层与非金属相侧面、上表面之间的间隙小于3mm，大于1mm；
挡板上的通孔为一个以上，通孔为一个时，通孔位于挡板中心，通孔为两个以上时，所有通孔成中心对称分布；
挡板与外模具I通过焊接连接；
外模具II与外模具I通过焊接连接；
定型层材料为石墨；外模具I、外模具II材料为钢；隔热层材料为硅酸铝保温棉。
工作原理
使用所述模具制备金属基复合材料的方法如下：将非金属相放到定型层中，再将定型层安装到外模具I的筒体底部，将挡板置于定型层上方，并与外模具I筒体内壁焊接在一起；将金属相放置于挡板上，将外模具II焊接到外模具I外，隔热层放置到外模具I和外模具II之间，再将整个模具放入高温炉中，使金属相融化后，通过挡板上的通孔和定型层上的浇道浸渗到非金属相内部和外模具I中所有间隙，完成浸渗，冷却至室温后，进行线切割，得到所述的金属基复合材料。
有益效果
利用本发明所述的模具，定型层可以确保金属基复合材料在浸渗过程位置固定，同时确保非金属相预制体外围没有金属液流动空间，防止金属基复合材料整体受外部金属液体冷却收缩的影响，同时在冷却过程中，由于金属相和非金属相的热膨胀系数存在巨大的差异，该差异会导致两相的变形程度不同，为防止金属相变形导致金属基复合材料失效(破损)，由于定型层的材料为石墨，定型层的脆性高，在承受金属相变形导致的载荷过程中，可以通过自身的失效破坏为金属基复合材料提供弹性变形空间，从而防止了金属基复合材料的失效破坏。外模具I用于保护定型层和确保金属液浇道，同时用于固定隔热层。隔热层依据金属基复合材料、隔热材料不同的热力学性能确定隔热层参数，从而确保在浸渗过程中，金属基复合材料的整体温度分布呈现均匀状态，降低温度分布不均匀造成的应力集中，进而降低裂纹产生的可能性。最终保证金属基复合材料的完整性。
附图说明
图1为本发明所述模具的剖面图。
图2为本发明实施例1的扫描电子显微镜(SEM)图。
图3为本发明实施例2的扫描电子显微镜(SEM)图。
图4为本发明实施例3的扫描电子显微镜(SEM)图。
图中，1—外模具I，2—金属相，3—定型层，4—非金属相，5—隔热层，6—外模具II。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例来详述本发明，但不限于此。
如图1所示一种制备金属基复合材料的模具，所述模具包括：外模具I1、外模具II6、定型层3和隔热层5；
定型层3内设有非金属相4的放置空间；定型层3上设有与外模具I1中挡板通孔相对应的浇道；
外模具I1为底端封闭、顶端开口的筒状结构，内部设有挡板，挡板外缘与筒体内壁固连，且挡板外缘与筒体之间密封(无间隙)，挡板上设有通孔；
连接关系如下：
定型层3位于外模具I1内部、挡板下方，定型层3与外模具I1筒体侧壁间隙配合；外模具II6套装于外模具I1外部，与外模具I1底部固连，隔热层5放置于外模具I1和外模具II6形成的间隙中，将外模具I1包裹起来，隔热层5的上表面高于非金属相4的上表面；
隔热层5厚度是实际需要确定，定型层3的形状和厚度均根据由金属基复合材料的热导率、热膨胀系数确定；
外模具I1、外模具II6厚度为2mm以上；
定型层3与外模具I1之间的间隙小于3mm，大于1mm；
定型层3与非金属相4侧面、上表面之间的间隙小于3mm，大于1mm；
挡板上的通孔为一个以上，通孔为一个时，通孔位于挡板中心，通孔为两个以上时，所有通孔成中心对称分布；
挡板与外模具I1通过焊接连接；
外模具II6与外模具I1通过焊接连接；
定型层3材料为石墨；外模具I1、外模具II6材料为钢；隔热层5材料为硅酸铝保温棉；
工作原理
使用所述模具制备金属基复合材料的方法如下：将非金属相4放到定型层3中，再将定型层3安装到外模具I1的筒体底部，将挡板置于定型层3上方，并与外模具I1筒体内壁焊接在一起；将金属相2放置于挡板上，将外模具II6焊接到外模具I1外，隔热层5放置到外模具I1和外模具II6之间，再将整个模具放入高温炉中，使金属相2融化后，通过挡板上的通孔和定型层3上的浇道浸渗到非金属相4内部和外模具I1中所有间隙，完成浸渗，冷却至室温后，进行线切割，得到所述的金属基复合材料。
模具各部分的意义如下：所述定型层3的意义在于，石墨热导率高，相比钢等材料而言易于机械加工，相比金属基复合材料而言据有更低强度，为此定型层3在浸渗过程由于热导率高，故不影响金属基复合材料内温度场分布，其易于加工的特点使得针对不同形状的复合材料都能保证完全包裹，进而定型金属基复合材料的同时控制金属液体流动，在冷却过程中一旦发生模具与金属基复合材料热不匹配现象时，由于石墨据有更低的强度，故定型层3通过自身失效破坏为金属基复合材料提供更多的空间用于变形，进而保护金属基复合材料。从而能保证即不影响金属基复合材料的温度场，又不影响金属基复合材料的应力场。外模具1的意义在于：保护并定型定型层3，钢具有相比定型层3更高的强度。虽然相比定型层3更高的热导率，但厚度远低于定型层3，故不会影响复合材料的温度场，同时在定型层3失效破坏的情况下，能保证金属液体不进入浸渗炉体内部，从而保护炉体。隔热层5的意义在于：相比金属基复合材料而言，具有更低的热导率，故通过不同位置，不同厚度的隔热层5的隔热效果，可以影响金属基复合材料内部的温度场，从而降低温度场内部不同区域之间的差异，降低裂纹形成，扩展的可能。外模具II6的意义在于：针对不同形状，厚度要求的隔热层5，通过与外模具I1的焊接定型隔热层5，保证隔热层5的隔热效果。
实施例1
矩形双连通碳化硅/铝金属基复合材料的模具设计。
第一步：金属基复合材料预制体骨架为孔隙率15％的矩形双连通碳化硅，尺寸为100×100×10mm(长×宽×高，下同)，石墨定型层3由两块组成，定型层3内部的凹槽形状确定为104×104×8mm，外部尺寸为110×110×12mm，浇道直径Φ10mm。
第二步：不锈钢外模具I1为六个不锈钢钢板，尺寸分别为2块114×114×2mm(长×宽×高，下同)，分别作为底板和挡板，4块114×16×2mm，分别作为侧板，其中，挡板与定型层3浇道对应部位要开口，尺寸与定型层3浇道相同。
第三步：将金属基复合材料预制体骨架(非金属相4)放入定型层3，将定型层3组装后放入外模具I1，将外模具I1组装好后按照GB/Tl2468.3—1998标准焊接。
第四步：考虑浸渗金属种类为铝，其热膨胀系数为：23.6×10-6/K，热导率为：217.7W/mk，通过有限元计算，确定外模具II6尺寸，在尖角处增加厚度以降低热量损失，从而降低整体温度场内部差异。
第五步：按照GB/Tl2468.3—1998焊接标准焊接外模具II6与外模具I1，在外模具II6和外模具I1的间隙填充硅酸铝保温棉作为隔热层5。
采用真空压力浸渗法制备材料，浸渗完成后取出模具，线切割模具，取出双连通碳化硅/铝块体。其SEM图如图2所示：由图可看出采用所述模具制备得到的金属基复合材料无宏观裂纹，微观组织完整。
实施例2
矩形双连通碳化硅/铜金属基复合材料的模具设计。
第一步：金属基复合材料预制体骨架为孔隙率15％的矩形双连通碳化硅，尺寸为100×100×10mm(长×宽×高，下同)，石墨定型层3由两块组成，定型层3内部的凹槽形状确定为104×104×8mm，外部尺寸为110×110×12mm，浇道直径Φ10mm。
第二步：不锈钢外模具I1为六个不锈钢钢板，尺寸分别为2块114×114×2mm(长×宽×高，下同)，分别作为底板和挡板，4块114×16×2mm，分别作为侧板，其中，挡板与定型层3浇道对应部位要开口，尺寸与定型层3浇道相同。
第三步：将金属基复合材料预制体骨架(非金属相4)放入定型层3，将定型层3组装后放入外模具I1，将外模具I1组装好后按照GB/Tl2468.3—1998标准焊接。
第四步：考虑浸渗金属种类为铜，其热膨胀系数为：17.7×10-6/K，热导率为：400W/m.K，通过有限元计算，确定外模具II6尺寸，在尖角处增加厚度以降低热量损失，从而降低整体温度场内部差异。
第五步：按照GB/Tl2468.3—1998焊接标准焊接外模具II6与外模具I1，在外模具II6和外模具I1的间隙填充硅酸铝保温棉作为隔热层5。
采用真空压力浸渗法制备材料，浸渗完成后取出模具，线切割模具，取出双连通碳化硅铜块体。其SEM图如图3所示：由图可看出采用所述模具制备得到的金属基复合材料无宏观裂纹，微观组织完整。
实施例3
圆形双连通碳化硅/铝金属基复合材料的模具设计。
第一步：金属基复合材料预制体骨架为孔隙率15％的圆形双连通碳化硅，尺寸为Φ100×10mm(直径×高，下同)，石墨定型层3由两块组成，内部的凹槽形状确定为Φ104×8mm，外部尺寸为110×110×12mm(长×宽×高)，浇道直径Φ10mm。
第二步：不锈钢外模具1为六个不锈钢钢板，尺寸分别为2块114×114×2mm，4块114×16×2mm，其中与定型层3浇道接触部位要开口，尺寸与定型层3浇道相同。
第三步：将金属基复合材料预制体骨架(非金属相4)放入定型层3，将定型层3组装后放入外模具I1，将外模具I1组装好后按照GB/Tl2468.3—1998标准焊接。
第四步：考虑浸渗金属种类为铝，其热膨胀系数为：23.6×10-6/K，热导率为：217.7W/mk，通过有限元计算，确定外模具II6尺寸，
第五步：按照GB/Tl2468.3—1998焊接标准焊接外模具II6与外模具I1，在外模具II6和外模具I1的间隙填充硅酸铝保温棉作为隔热层5。
采用真空压力浸渗法制备该材料，浸渗完成后取出模具，线切割模具，取出双连通碳化硅铝块体。其SEM图如图4所示：由图可看出采用所述模具制备得到的金属基复合材料无宏观裂纹，微观组织完整。
本发明包括但不限于以上实施例，凡是在本发明精神的原则之下进行的任何等同替换或局部改进，都将视为在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种制备金属基复合材料的模具，其特征在于，所述模具包括：外模具I(1)、外模具II(6)、定型层(3)和隔热层(5)；
定型层(3)内设有非金属相(4)的放置空间；定型层(3)上设有与外模具I(1)中挡板通孔相对应的浇道；
外模具I(1)为底端封闭、顶端开口的筒状结构，内部设有挡板，挡板外缘与筒体内壁固连，且挡板外缘与筒体之间无间隙，挡板上设有通孔；
连接关系如下：
定型层(3)位于外模具I(1)内部、挡板下方，定型层(3)与外模具I(1)筒体侧壁间隙配合；外模具II(6)套装于外模具I(1)外部，与外模具I(1)底部固连，隔热层(5)放置于外模具I(1)和外模具II(6)形成的间隙中，将外模具I(1)包裹起来，隔热层(5)的上表面高于非金属相(4)的上表面；
外模具I(1)、外模具II(6)厚度为2mm以上；
定型层(3)与外模具I(1)之间的间隙小于3mm，大于1mm；
定型层(3)与非金属相(4)侧面、上表面之间的间隙小于3mm，大于1mm；
挡板上的通孔为一个以上；通孔为一个时，通孔位于挡板中心；通孔为两个以上时，所有通孔成中心对称分布；
定型层(3)材料为石墨；外模具I(1)、外模具II(6)材料为钢；隔热层(5)材料为硅酸铝保温棉。
2.根据权利要求1所述的一种制备金属基复合材料的模具，其特征在于，挡板与外模具I(1)通过焊接连接；外模具II(6)与外模具I(1)通过焊接连接。
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