CN107177749A - 一种翻转式真空压力近净成型镁基复合材料的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种翻转式真空压力近净成型镁基复合材料的装置及方法,属于镁基复合材料气压浸渗成形技术领域。该装置将预制体通过预制体支架固定在上坩埚内，并在下坩埚内装入镁合金，利用加热体对外坩埚进行加热，使镁合金在Ar气保护气氛中熔化；加热过程中熔融合金液与预制体分离，可避免两者发生界面反应生成脆性相。金属熔化后，转动炉体使其倒置，并通过气体管路向外坩埚内加压，浸渗完成后正置炉体，使多余镁合金流回下坩埚。该装置体积小、操作简便，能实现复杂件的近净成型。由于采用气体加压，制备复合材料的形状不再受到限制；熔炼、浸渗、复合材料脱模在密闭环境下进行，可避免镁合金在整个成形过程中的氧化现象。

Description

一种翻转式真空压力近净成型镁基复合材料的装置及方法

技术领域

本发明涉及镁基复合材料气压浸渗成形技术领域，具体地说，涉及一种翻转式真空压力近净成型镁基复合材料的装置及方法。

背景技术

镁基复合材料因其密度低，比强度、比刚度高，热膨胀系数低，尺寸稳定性好以及阻尼减震性能优越的特点，成为航空、航天、汽车及电子工业等领域最具发展前景的高性能材料之一。

目前制备镁基复合材料的方法有很多，主要有原位法、喷射沉积法、粉末冶金法、液态浸渗法、搅拌铸造法等，其中液态浸渗法是制备镁基复合材料最为理想和成功的方法之一，具体包括无压浸渗、真空浸渗、真空压力浸渗以及挤压浸渗等。由于镁合金对氧有很高的化学亲和力，特别是在熔融状态下其活性更强，需要在保护气氛下进行熔炼和浇注，以避免出现燃烧、爆炸的危险，因此在装置设计方面需要进行特殊考虑。

参见图3，在发明专利CN 101323919A“一种真空压力浸渗制备金属基复合材料的方法”中,公开了该方法制备金属基复合材料的具体过程：首先将欲浸渗的预制体和金属合金放置模具内，然后对真空容器抽真空，使真空容器内的真空度达到1Pa～10^-3Pa，利用加热体加热真空容器至金属合金熔点以上5℃～200℃，并保温10～90分钟，待模具内的合金完全熔化后，启动液压油缸推动压头使密封塞进入模具内，模具内的压强为0.1MPa～200MPa，熔融合金液在压力作用下渗入预制体的孔隙内，之后再保压20～60分钟，停止加热，装置冷却至室温后取出模具，利用车削加工方法将模具去除取出其内的复合材料。该方法实现了合金熔炼与复合材料挤压成形集成于一体，制备装置具有成本低、加压方便、安全性高的特点，但其不足：一是金属熔炼与预制体预热同步进行，高温下金属液与预制体接触时间长，易发生界面反应生成脆性相影响复合材料性能的提高；二是复合材料难于取出，需通过车削方式去除模具，造成模具的不可重复使用；三是必须对镁合金的量进行精确计算，多余合金需通过切削方式去除，难以实现近净成型；四是该方法只能制备形状简单的圆柱形复合材料，复合材料的形状受到限制。

发明内容

为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种翻转式真空压力近净成型镁基复合材料的装置及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种翻转式真空压力近净成型镁基复合材料的装置，其特征在于包括真空泵、真空表、Ar气瓶、A气阀、B气阀、压力表、气体管路、管路接口，加热控制器、加热体、热电偶、上坩埚、下坩埚、预制体、预制体支架、外坩埚盖、外坩埚、炉体、坩埚紧固螺栓、石墨密封圈、紧固螺栓、螺栓、坩埚安装支架、翻转支架、分度盘、定位销、翻转轴、压紧弹簧、翻转手柄、起销杆，所述真空泵与Ar气瓶通过气体管路和管路接口连接在外坩埚上部的外坩埚盖上，真空泵与外坩埚盖之间的气体管路上安装有真空表、B气阀、压力表,Ar气瓶与气体管路上装有A气阀；

所述上坩埚与所述下坩埚扣合通过坩埚安装支架固定在外坩埚内，坩埚安装支架的底部设置有坩埚紧固螺栓，外坩埚嵌套在U形炉体内，外坩埚与炉体通过螺栓固连，炉体通过两侧固连的翻转轴安装在翻转支架上,炉体壁内嵌绕加热体，加热体和热电偶与加热控制器相连接，坩埚安装支架与外坩埚盖固连，外坩埚盖位于外坩埚上部通过紧固螺栓固连，且外坩埚盖与外坩埚之间加装石墨密封圈，预制体通过预制体支架固定在上坩埚内，并在下坩埚内装入镁合金，下坩埚侧壁上开有气孔；

分度盘位于翻转支架一侧上部,且与翻转支架固连，定位销位于起销杆顶部，翻转手柄与起销杆铰接，压紧弹簧连接在起销杆与翻转手柄之间；定位销穿过翻转手柄与分度盘上的销孔配合，插入定位。

一种采用翻转式真空压力近净成型镁基复合材料的装置制备镁基复合材料的方法，其特征在于包括以下步骤:

步骤1.将预制体通过预制体支架固定在上坩埚与下坩埚扣合的腔体内部，并在下坩埚内装入镁合金，上下坩埚位于坩埚安装支架上，并通过坩埚紧固螺栓将坩埚安装支架与坩埚夹紧；

步骤2.关闭A气阀，打开B气阀，接通真空泵对外坩埚抽取真空，当真空度达到10KPa～20KPa时，关闭B气阀，并保持60s～100s，检查气密性，压力降低值在10％内符合气密性要求；

步骤3.打开A气阀，通入惰性保护气体，气体压力为0.5MPa时，停止通入Ar气，关闭A气阀，开启加热控制器，利用加热体对外坩埚进行加热，使镁合金在Ar气体保护气氛中熔化；

步骤4.当坩埚内温度达到750℃～850℃时，打开B气阀，开启真空泵对外坩埚抽真空，当真空度达到10KPa～20KPa时，关闭B气阀，并关闭真空泵，按下起销杆转动翻转手柄，使炉体翻转180°，炉体倒置；打开A气阀通入Ar气，保证气压达到0.7MPa～0.8MPa，气体通过气体管路和管路接口进入外坩埚，实现真空气压浸渗过程，并保温8min～10min；

步骤5.关闭A气阀，按下起销杆并转动翻转手柄，使炉体翻转180°，松开起销杆将炉体正置，使多余合金熔液流回下坩埚；

步骤6.通过加热控制器关闭加热体，使装置在空气中冷却；

步骤7.冷却至200℃～250℃后，拆卸紧固螺栓，将上坩埚和下坩埚取出，上坩埚内为镁基复合材料，下坩埚内为剩余的合金熔液。

有益效果

本发明提出的一种翻转式真空压力近净成型镁基复合材料的装置及方法，克服了现有成型装置易发生界面反应、镁基复合材料难于取出、难以实现近净成型以及制备的复合材料形状简单的不足。

本发明翻转式真空压力近净成型镁基复合材料的装置及方法，将预制体通过预制体支架固定在上坩埚内，并在下坩埚内装入镁合金，利用加热体对外坩埚进行加热，通过热电偶进行测量并控制温度，使镁合金在Ar气体保护气氛中熔化；加热过程中熔融合金液与预制体分离，可避免两者发生界面反应生成脆性相。金属熔化后，转动炉体使其倒置，并通过气体管路向外坩埚内加压，浸渗完成后将炉体正置，使多余镁合金熔液流回下坩埚。该装置体积小、操作简便，能实现复杂件的近净成型。由于采用气体加压，制备复合材料的形状不再受到限制；熔炼、浸渗、复合材料脱模在密闭环境下进行，可避免镁合金在整个成形过程中的氧化现象。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种翻转式真空压力近净成型镁基复合材料的装置及方法作进一步详细说明。

图1为本发明翻转式真空压力近净成型镁基复合材料的装置示意图。

图2为本发明翻转式真空压力近净成型镁基复合材料的装置侧视图。

图3为现有技术真空压力浸渗制备金属基复合材料装置结构示意图。

图中:

1.翻转手柄 2.起销杆 3.Ar气瓶 4.压紧弹簧 5.定位销 6.分度盘 7.A气阀 8.真空泵 9.真空表 10.B气阀 11.压力表 12.气体管路 13.管路接口 14.加热控制器 15.外坩埚盖 16.石墨密封圈 17.紧固螺栓 18.外坩埚 19.螺栓 20.热电偶 21.上坩埚 22.翻转轴 23.预制体 24.气孔 25.下坩埚 26.预制体支架 27.加热体 28.合金熔液 29.坩埚安装支架 30.炉体 31.坩埚紧固螺栓 32.翻转支架

具体实施方式

本实施例是一种翻转式真空压力近净成型镁基复合材料的装置及方法。将预制体通过预制体支架固定在上坩埚内，合金置于下坩埚内，加热过程中熔融合金液与预制体分离，避免两者发生界面反应生成脆性相；金属熔化后，转动炉体使其倒置，并通过气体管路向外坩埚内加压，浸渗完成后正置炉体，使多余镁合金熔液流回下坩埚。该装置体积小、操作简便，能实现复杂件的近净成型。由于采用气体加压，制备复合材料的形状不再受到限制；熔炼、浸渗、复合材料脱模在密闭环境下进行，可避免镁合金在整个成形过程中的氧化现象。

参阅图1、图2，本实施例翻转式真空压力近净成型镁基复合材料的装置，由真空泵8、真空表9、Ar气瓶3、A气阀7、B气阀10、压力表11、气体管路12、管路接口13，加热控制器14、加热体27、热电偶20、上坩埚21、下坩埚25、预制体23、预制体支架26、外坩埚盖15、外坩埚18、炉体30、坩埚紧固螺栓31、石墨密封圈16、紧固螺栓17、螺栓19、坩埚安装支架29、翻转支架32、分度盘6、定位销5、翻转轴22、压紧弹簧4、翻转手柄1、起销杆2组成；其中,真空泵8与Ar气瓶3通过气体管路12和管路接口13连接在外坩埚18上部的外坩埚盖15上，真空泵8与外坩埚盖15之间的气体管路12上安装有真空表9、B气阀10、压力表11，Ar气瓶3与气体管路12上装有A气阀7。上坩埚21与下坩埚25扣合通过坩埚安装支架29固定在外坩埚18内，坩埚安装支架29的底部设置有坩埚紧固螺栓31，外坩埚18嵌套在U形炉体30内,外坩埚18与炉体30通过螺栓19固定连接，炉体30通过两侧固连的翻转轴22安装在翻转支架32上。炉体30壁内嵌绕加热体27,加热体27和热电偶20与加热控制器14相连；坩埚安装支架29与外坩埚盖15固连，外坩埚盖15安装在外坩埚18上部通过紧固螺栓17固连，外坩埚盖15与外坩埚18之间加装石墨密封圈16；预制体23通过预制体支架26固定在上坩埚21内,并在下坩埚内装入镁合金，下坩埚25侧壁开有气孔24。分度盘6位于翻转支架32一侧上部，且与翻转支架32固定连接，定位销5安装在起销杆2顶部，翻转手柄1与起销杆2铰接；压紧弹簧4连接在起销杆2与翻转手柄1之间，定位销5穿过翻转手柄1与分度盘6上的销孔配合，插入定位。

采用翻转式真空压力近净成型镁基复合材料的装置制备镁基复合材料的方法，包括以下步骤:

本实施例中所用基体合金为AZ91D镁合金，预制体23采用分数为10％的Al₂O₃，预制体23制备过程：用MgCl2·MgF2作为粘结剂，采用真空加压湿法成型工艺，制备强度适中、界面优良的预制体。

(1)连接装置的各个部件；将浸渗的预制体23通过预制体支架26固定在上坩埚21的上部，在下坩埚25内装入镁合金，并将上坩埚21和下坩埚25通过坩埚安装支架29固定在外坩埚18内，并用坩埚紧固螺栓31夹紧，外坩埚盖15与外坩埚18通过紧固螺栓17连接，外坩埚盖15与外坩埚18之间加装石墨密封圈16密封。

(2)检查装置的气密性；关闭A气阀7，打开B气阀10，开启真空泵8对外坩埚18抽真空，当真空度达到10KPa时，关闭B气阀10并关闭真空泵8，保持100s检查气密性，压力降低值在10％内符合气密性要求；否则检查漏气源，并重复步骤(1)进行连接。

(3)成形装置加热；打开A气阀7，通入惰性保护气Ar气，气体压力为0.5MPa时，停止通入Ar气，关闭A气阀7，利用加热体27对外坩埚18进行加热，使镁合金能在Ar气体保护气氛中熔化。

(4)真空气压浸渗；当坩埚内温度达到850℃时，打开B气阀10，开启真空泵8对外坩埚18抽真空；当真空度达到10KPa时，关闭B气阀10并关闭真空泵8，按下起销杆2并转动翻转手柄1，使炉体30翻转180°，松开起销杆2，使炉体30倒置；然后打开A气阀7，通入Ar气，保证气压达到0.8MPa，使气体通过气体管路12和管路接口13进入外坩埚18，实现真空气压浸渗过程，并保温10min。

(5)回收剩余合金熔液；关闭A气阀7，按下起销杆2并转动翻转手柄1，使炉体30翻转180°，松开起销杆2，将炉体30正置，使多余合金熔液流回下坩埚25。

(6)装置冷却；关闭加热体27，使整个装置在空气中冷却。

(7)冷却至200℃后，拆卸紧固螺栓17，将上坩埚21和下坩埚25取出，上坩埚21内为镁基复合材料，下坩埚25内为剩余的合金熔液28。

Claims (2)

1.一种翻转式真空压力近净成型镁基复合材料的装置，其特征在于:包括真空泵、真空表、Ar气瓶、A气阀、B气阀、压力表、气体管路、管路接口，加热控制器、加热体、热电偶、上坩埚、下坩埚、预制体、预制体支架、外坩埚盖、外坩埚、炉体、坩埚紧固螺栓、石墨密封圈、紧固螺栓、螺栓、坩埚安装支架、翻转支架、分度盘、定位销、翻转轴、压紧弹簧、翻转手柄、起销杆，所述真空泵与Ar气瓶通过气体管路和管路接口连接在外坩埚上部的外坩埚盖上，真空泵与外坩埚盖之间的气体管路上安装有真空表、B气阀、压力表,Ar气瓶与气体管路上装有A气阀；

所述上坩埚与所述下坩埚扣合通过坩埚安装支架固定在外坩埚内，坩埚安装支架的底部设置有坩埚紧固螺栓，外坩埚嵌套在U形炉体内，外坩埚与炉体通过螺栓固连，炉体通过两侧固连的翻转轴安装在翻转支架上,炉体壁内嵌绕加热体，加热体和热电偶与加热控制器相连接，坩埚安装支架与外坩埚盖固连，外坩埚盖位于外坩埚上部通过紧固螺栓固连，且外坩埚盖与外坩埚之间加装石墨密封圈，预制体通过预制体支架固定在上坩埚内，并在下坩埚内装入镁合金，下坩埚侧壁上开有气孔；

分度盘位于翻转支架一侧上部,且与翻转支架固连，定位销位于起销杆顶部，翻转手柄与起销杆铰接，压紧弹簧连接在起销杆与翻转手柄之间；定位销穿过翻转手柄与分度盘上的销孔配合，插入定位。

2.一种采用权利要求1所述的翻转式真空压力近净成型镁基复合材料的装置制备镁基复合材料的方法，其特征在于包括以下步骤:

步骤1.将预制体通过预制体支架固定在上坩埚与下坩埚扣合的腔体内部，并在下坩埚内装入镁合金，上下坩埚位于坩埚安装支架上，并通过坩埚紧固螺栓将坩埚安装支架与坩埚夹紧；

步骤2.关闭A气阀，打开B气阀，接通真空泵对外坩埚抽取真空，当真空度达到10KPa～20KPa时，关闭B气阀，并保持60s～100s，检查气密性，压力降低值在10％内符合气密性要求；

步骤3.打开A气阀，通入惰性保护气体，气体压力为0.5MPa时，停止通入Ar气，关闭A气阀，开启加热控制器，利用加热体对外坩埚进行加热，使镁合金在Ar气体保护气氛中熔化；

步骤4.当坩埚内温度达到750℃～850℃时，打开B气阀，开启真空泵对外坩埚抽真空，当真空度达到10KPa～20KPa时，关闭B气阀，并关闭真空泵，按下起销杆转动翻转手柄，使炉体翻转180°，炉体倒置；打开A气阀通入Ar气体，保证气压达到0.7MPa～0.8MPa，气体通过气体管路和管路接口进入外坩埚，实现真空气压浸渗过程，并保温8min～10min；

步骤5.关闭A气阀，按下起销杆并转动翻转手柄，使炉体翻转180°，松开起销杆将炉体正置，使多余合金熔液流回下坩埚；

步骤6.通过加热控制器关闭加热体，使装置在空气中冷却；

步骤7.冷却至200℃～250℃后，拆卸紧固螺栓，将上坩埚和下坩埚取出，上坩埚内为镁基复合材料，下坩埚内为剩余的合金熔液。