CN109468549A - 一种3d编织纤维增强金属基复合材料的近净成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种3D编织纤维增强金属基复合材料的近净成形方法，属于先进复合材料技术领域。其特征是该方法采用了基于液态粘结剂来辅助精确控制3D编织纤维预制体结构形状和尺寸的真空气压浸渗制备技术。纤维预制体的3D编织过程中采用液态粘结剂准确固定定型3D编织纤维预制体，再通过内嵌纤维预制体的浸渗石墨模具来精确控制3D编织纤维增强金属基复合材料的尺寸精度，防止浸渗过程中的3D编织纤维预制体的变形和局部纤维偏聚。本发明制备的3D编织纤维增强金属基复合材料具有高的尺寸精度和优异的力学性能，实现了3D编织纤维增强金属基复合材料的近净成形，可批量工业化生产，在航空航天及国防军事等领域中具有广泛的应用前景。

Description

一种3D编织纤维增强金属基复合材料的近净成形方法

技术领域

本发明涉及复杂结构的高性能金属基复合材料领域，尤其是涉及一种3D编织纤维增强金属基复合材料的近净成形方法。

背景技术

三维(3D)编织纤维增强金属基复合材料具有高的比刚度和比强度、耐腐蚀性、优良的耐温性、抗冲击及抗损伤性好等优点，同时3D编织结构避免了传统单向复合材料的各向异性以及二维复合材料易开裂分层、层间剪切强度低、抗冲击性能差的问题，是航空、航天及国防等尖端工程技术领域最具发展潜力的结构材料之一。

目前，纤维增强金属基复合材料的制备方法主要分为两大类，即固相成形法和液态成形法。固相成形法是在低于基体合金的熔点温度下，通过施加压力实现成型，包括扩散焊接、粉末冶金、热轧、热拔、热等静压和爆炸焊接等。固相成形法具有纤维体积含量可调、微观组织可控、界面反应不强烈、杂质含量低等优点，但在制备中纤维分布不均匀、复合材料构件容易发生开裂等，而且一些形状复杂的构件制备困难，成本高，质量难以保证。而液态成形法是先将基体金属熔化，再充填到增强体材料中，包括热压扩散法、挤压铸造法、真空吸铸法和真空气压浸渗法等。通过液态成形法制备的纤维增强金属基复合材料可一次成形、二次加工少，对纤维材料的利用率较高，降低了生产成本，且可制备形状复杂的复合材料构件，使其成为近些年来高性能纤维增强金属基复合材料的研究热点。其中，真空气压浸渗法是制备复杂结构的3D编织纤维增强金属基复合材料的理想方法之一，具有制备工艺简单、浸渗压力易控、纤维预制体不易变形、可制备形状复杂结构的复合材料等优点，实现了复合材料制备与成形一体化，避免了二次加工对复合材料整体性破坏和纤维损伤，因此适合于制造性能要求高、复杂精密的3D编织纤维增强金属基复合材料。但目前这类复合材料采用真空气压浸渗成形中的难点之一是：因纤维预制体的3D编织结构和编织参数的差异等原因，不同体积分数、不同结构形状的3D编织纤维预制体，其局部结构形状易发生变形，尺寸会发生收缩，尤其是薄层异形结构、变截面尺寸结构更难以保证其形状和尺寸，从而影响复合材料的形状结构、尺寸精度及力学性能。因此，如何保证纤维预制体3D编织和浸渗过程中的形状和尺寸是制备这类复合材料近净成形的关键技术之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有高的尺寸精度和优异的力学性能、能实现3D编织纤维增强金属基复合材料近净成形的3D编织纤维增强金属基复合材料的近净成形方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种3D编织纤维增强金属基复合材料的近净成形方法，特征是：制备步骤如下：

A、先制备用于编织纤维预制体的定型模具，主要是保证在纤维3D编织过程中纤维预制体的形状和尺寸精度；

B、在制备好定型模具的基础上，再进行纤维预制体的纤维3D编织，待纤维3D编织完成后，用液态粘结剂来固定定型3D编织纤维预制体；待液态粘结剂自然干燥或加热固化后，拆卸用于纤维3D编织的定型模具，即得到已定型的3D编织纤维预制体；

C、浸渗石墨模具采用高纯石墨材料（石墨的含碳量>99.9%），经机械加工成型后，在200℃-800℃温度下进行烘烤10-60min，待冷却至室温后用丙酮或乙醇清洗干净；

D、将已定型的3D编织纤维预制体内嵌固定在浸渗石墨模具内，并用金属板材和金属管材将内嵌固定有3D编织纤维预制体的浸渗石墨模具进行焊接封装，其结构如图1所示，仅在浸渗升液管的顶部留有开口；浸渗石墨模具焊接封装后进行气密性检测；

E、将已焊接封装好的内嵌有3D编织纤维预制体的浸渗石墨模具装配固定在浸渗设备的上室，其中浸渗升液管的开口朝下，并将已熔炼好的液态合金放置在浸渗设备的下室的坩埚平台上，后用上盖压紧密封圈来密封浸渗设备；其中，已焊接封装好的内嵌固定有3D编织纤维预制体的浸渗石墨模具的放置方式如图2所示；

F、进行3D编织纤维增强金属基复合材料的浸渗成形：先开始对浸渗设备的上室、下室一起抽真空，待真空度小于200Pa后，停止抽真空；再充入高纯氩气（>99.99%），至浸渗设备的上室、下室内高纯氩气的气体压力小于100KPa，停止充气；已焊接封装好的内嵌有3D编织纤维预制体的浸渗石墨模具在负压、高纯氩气保护气氛下进行快速预热；

G、当已焊接封装好的内嵌固定有3D编织纤维预制体的浸渗石墨模具的预热温度达到200-1200℃时，再次开始对浸渗设备的上室、下室抽真空，待真空度小于200Pa，停止抽真空；此时浸渗设备的下室中的坩埚平台上升，浸渗石墨模具的升液管浸入下室的液态金属中；迅速充入氩气或氮气，施加压力至浸渗设备的上室、下室内达到1-12MPa，完成对3D编织纤维预制体的液态金属的真空气压充型；继续保压，保压时间为1-120min,保压完成后进行泄压，直至与外界大气压的压力一致，即浸渗成形了3D编织纤维增强金属基复合材料；

H、待3D编织纤维增强金属基复合材料冷却至室温后，打开浸渗设备的上盖，取出浸渗模具，进行脱模，即获得近净成形的3D编织纤维增强金属基复合材料。

步骤B中的用液态粘结剂固定定型3D编织纤维预制体是指：将3D编织纤维预制体浸入液态粘结剂中，充分浸润后拿出沥干；或用液态粘结剂直接在纤维预制体上喷涂；或用液态粘结剂直接在纤维预制体上涂刷。

步骤B中的液态粘结剂为有机粘结剂或无机粘结剂中的一种，或为有机粘结剂和无机粘结剂中的各一种的组合物；其中有机粘结剂为：硝基漆，或聚酯漆，或油溶性酚醛清漆，或醇溶性酚醛清漆，有机粘结剂的主要成分均为树脂和溶剂，很容易成型；无机粘结剂为磷酸二氢铝溶液，或磷酸铝溶液，加入固化后高温粘结强度高。3D编织纤维预制体用有机粘结剂、无机粘结剂中的一种，或用有机粘结剂和无机粘结剂中的各一种的组合粘结剂固定定型，其中无机粘结剂经高温焙烧后，纤维预制体具有较高的高温粘结强度。无机粘结剂的高温焙烧温度为150-700℃，保温时间为10-30min。

步骤D中，金属板材和金属管材为不锈钢板材、管材；或碳钢板材、管材。

本发明与高性能复杂结构的纤维增强铝基复合材料的传统制备方法相比，本发明所采用方法的特点在于：

（1）、实现了纤维预制体3D编织过程中的形状和尺寸的精确控制和定型；

（2）、采用了液态粘结剂及浸渗石墨模具对3D编织纤维预制体的形状和尺寸的精确控制；

（3）、实现了浸渗石墨模具的后处理；

（4）、实现了高性能3D编织纤维增强金属基复合材料的近净成形。

本发明解决了纤维预制体在3D编织、液态金属浸渗成形过程中易发生尺寸收缩、局部纤维束内团聚、乃至扭曲变形等难题，减少了这类复合材料中存在的尺寸精度差、纤维偏聚和纤维预制体变形等缺陷，具有高的尺寸精度和优异的力学性能，实现了具有复杂结构的高性能3D编织纤维增强金属基复合材料的近净成形，可批量工业化生产，在航空航天及国防军事等领域中具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明的已焊接封装的内嵌固定有3D编织纤维预制体的浸渗石墨模具的示意图；

图2为本发明的液态金属、已焊接封装的内嵌固定有3D编织纤维预制体的浸渗石墨模具在真空气压浸渗设备的上、下室的放置位置的示意图。

具体实施方式

下面对照实施例并结合附图对本发明作进一步的说明。

实施例1：

一种3D正交编织结构的碳纤维增强铝基复合材料的近净成形方法，其制备步骤如下：

A、先制备用于3D正交编织碳纤维预制体的定型模具；

B、进行体积分数45%的碳纤维预制体的3D正交编织，待碳纤维编织完成后，将3D正交编织结构的碳纤维预制体整体浸入醇溶性酚醛清漆中，充分浸润后拿出沥干；待醇溶性酚醛清漆完全干燥固化后，拆卸用于纤维3D编织的定型模具，即得到已定型的3D正交编织结构的碳纤维预制体；

C、待浸渗石墨模具机械加工成型后，在300℃温度下进行烘烤30min，待冷却至室温后用丙酮清洗干净；

D、然后，将已定型的3D正交编织结构的碳纤维预制体内嵌固定在浸渗石墨模具内，并用不锈钢板材对浸渗石墨模具进行焊接封装，仅在浸渗升液管的顶部留有开口；浸渗石墨模具焊接封装后进行气密性检测；

E、将已焊接封装好的内嵌固定有3D正交碳纤维预制体的浸渗石墨模具装配固定在浸渗设备的上室，其中浸渗升液管的开口朝下，并将已熔炼好的液态铝合金放置在浸渗设备的下室的坩埚平台上，然后用上盖压紧密封圈来密封浸渗设备；

F、进行3D正交编织结构的碳纤维增强铝基复合材料的浸渗成形：先开始对浸渗设备的上室、下室一起抽真空，待真空度到100Pa时，停止抽真空；再充入高纯氩气（>99.99%），至浸渗设备的上室、下室内的高纯氩气的气体压力为80KPa，停止充气；已焊接封装好的内嵌固定有3D正交碳纤维预制体的浸渗石墨模具在负压、高纯氩气保护气氛下进行快速预热；

G、当浸渗石墨模具的预热温度达到600℃，再次开始抽真空，待真空度为30Pa，停止抽真空；此时浸渗设备的下室中的坩埚平台上升，浸渗石墨模具的升液管浸入下室的液态铝合金中；迅速充入氮气施加压力至浸渗上室、下室内达到7MPa，完成对3D正交碳纤维预制体的液态铝合金的真空气压充型；继续保压，保压时间为25min,保压完成后进行泄压，直至与外界大气压的压力一致，即浸渗成形了3D正交编织结构的碳纤维增强铝基复合材料；

H、待3D正交碳编织结构的纤维增强铝基复合材料冷却至室温后，打开浸渗设备的上盖，取出浸渗模具，进行脱模，即获得近净成形的3D正交编织结构的碳纤维增强铝基复合材料。

实施例2：

一种3D五向编织结构的碳纤维增强镁基复合材料的近净成形方法，其制备步骤如下：

A、先制备用于3D五向碳纤维预制体的定型模具；

B、进行体积分数50%的3D五向碳纤维预制体的3D编织，待碳纤维编织完成后，用调配好的硝基漆直接在3D五向碳纤维预制体上喷涂；待硝基漆完全干燥固化后，拆卸用于纤维3D编织的定型模具，即得到已定型的3D五向编织结构的碳纤维预制体；

C、浸渗石墨模具机械加工成型后，在500℃温度下进行烘烤60min，待冷却至室温后用丙酮清洗干净；

D、然后，将已定型的3D五向编织结构的碳纤维预制体内嵌固定在浸渗石墨模具内，并用不锈钢板材将浸渗石墨模具焊接封装，仅在浸渗升液管的顶部留有开口；浸渗石墨模具焊接封装后进行气密性检测；

E、将已焊接封装好的内嵌固定有3D五向碳纤维预制体的浸渗石墨模具装配固定在浸渗设备的上室，其中浸渗升液管开口朝下，并将已熔炼好的液态镁合金放置在浸渗设备的下室的坩埚平台上，然后用上盖压紧密封圈来密封浸渗设备；

F、进行3D五向编织结构的碳纤维增强镁基复合材料的浸渗成形：先开始对浸渗设备的上室、下室一起抽真空，待真空度到150Pa，停止抽真空；再充入高纯氩气（>99.99%），至浸渗设备的上室、下室内的高纯氩气气体压力为90KPa，停止充气；已焊接封装好的内嵌固定有3D五向碳纤维预制体的浸渗石墨模具在负压、高纯氩气保护气氛下进行快速预热；

G、当浸渗模具的预热温度达到500℃，再次开始抽真空，待真空度为120Pa，停止抽真空；此时浸渗设备的下室中的坩埚平台上升，浸渗石墨模具的升液管浸入下室的液态镁合金中；迅速充入氩气施加压力至浸渗设备的上室、下室内达到10MPa，完成3D五向碳纤维预制体的液态镁合金的真空气压充型；继续保压，保压时间为20min,保压完成后进行泄压，直至与外界大气压的压力一致，即浸渗成形了3D五向编织结构的碳纤维增强镁基复合材料；

H、待3D五向编织结构的碳纤维增强镁基复合材料冷却至室温后，打开浸渗设备的上盖，取出浸渗模具，进行脱模，即获得近净成形的3D五向编织结构的碳纤维增强镁基复合材料。

实施例3：

一种3D正交编织结构的碳化硅（SiC）纤维增强铝基复合材料的近净成形方法，其制备步骤如下：

A、先制备用于3D编织SiC纤维预制体的定型模具；

B、进行体积分数50%的SiC纤维预制体的3D正交编织，待SiC纤维编织完成后，将3D正交编织结构的SiC纤维预制体整体浸入磷酸二氢铝溶液中，充分浸润后拿出沥干，加热至400℃；待磷酸二氢铝溶液完全冷却固化后，拆卸用于纤维3D编织的定型模具，即得到已定型的3D正交编织结构的SiC纤维预制体；

C、浸渗石墨模具机械加工成型后，在600℃温度下进行烘烤40min，待冷却至室温后用乙醇清洗干净；

D、然后，将已定型的3D正交编织结构的SiC纤维预制体内嵌固定在浸渗石墨模具内，并用不锈钢板材进行焊接封装，仅在浸渗升液管的顶部留有开口；浸渗石墨模具焊接封装后进行气密性检测；

E、将已焊接封装好的内嵌固定有SiC纤维预制体的浸渗石墨模具装配固定在浸渗设备的上室，其中浸渗升液管开口朝下，并将已熔炼好的液态铝合金放置在浸渗设备的下室的坩埚平台上，然后用上盖压紧密封圈来密封浸渗设备；

F、进行3D正交编织结构的SiC纤维增强铝基复合材料的浸渗成形：先开始对浸渗设备的上室、下室一起抽真空，待真空度为100Pa，停止抽真空；再充入高纯氩气（>99.99%），至浸渗设备的上室、下室内的高纯氩气气体压力为60KPa，停止充气；已焊接封装好的内嵌固定有3D正交SiC纤维预制体的浸渗石墨模具在负压、高纯氩气保护气氛下进行快速预热；

G、当浸渗石墨模具的预热温度达到700℃，再次开始抽真空，待真空度为50Pa，停止抽真空；此时浸渗设备的下室中的坩埚平台上升，浸渗石墨模具的升液管浸入下室的液态铝合金中；迅速充入氮气施加压力至浸渗设备的上室、下室内达到5MPa，完成3D正交编织结构SiC纤维预制体的液态铝合金的真空气压充型；继续保压，保压时间为20min,保压完成后进行泄压，直至与外界大气压的压力一致，即浸渗成形了3D正交编织结构的SiC纤维增强铝基复合材料；

H、待3D正交编织结构的SiC纤维增强铝基复合材料冷却至室温后，打开浸渗设备的上盖，取出浸渗石墨模具，进行脱模，即获得近净成形的3D正交编织结构的SiC纤维增强铝基复合材料。

实施例4：

一种3D四向编织结构的氧化铝纤维增强铝基复合材料的近净成形方法，其制备步骤如下：

A、先制备用于3D四向Al₂O₃纤维预制体的定型模具；

B、进行体积分数50%的3D四向Al₂O₃纤维预制体的3D编织，待Al₂O₃纤维编织完成后，用调配好的硝基漆直接在3D四向编织结构的Al₂O₃纤维预制体上涂刷；待硝基漆完全干燥固化后，拆卸用于纤维3D编织的定型模具，即得到已定型的3D四向Al₂O₃纤维预制体；

C、浸渗石墨模具机械加工成型后，在600℃温度下进行烘烤60min，待冷却至室温后用丙酮清洗干净；

D、然后，将已定型的3D四向编织结构的Al₂O₃纤维预制体内嵌固定在浸渗石墨模具内，并用不锈钢板材进行焊接封装，仅在浸渗升液管的顶部留有开口；浸渗石墨模具焊接封装后进行气密性检测；

E、将已焊接封装好的内嵌Al₂O₃纤维预制体的浸渗石墨模具装配固定在浸渗设备的上室，其中浸渗升液管开口朝下，并将已熔炼好的液态铝合金放置在浸渗设备下室的坩埚平台上，然后用上盖压紧密封圈来密封浸渗设备；

F、进行3D四向编织结构的Al₂O₃纤维增强铝基复合材料的浸渗成形：先开始对浸渗设备的上室、下室一起抽真空，待真空度为150Pa，停止抽真空；再充入高纯氩气（>99.99%），至浸渗设备的上室、下室内的高纯氩气气体压力为50KPa，停止充气；已焊接封装好的内嵌固定有3D四向编织结构Al₂O₃纤维预制体的石墨模具在负压、高纯氩气保护气氛下进行快速预热；

G、当浸渗石墨模具的预热温度达到450℃，再次开始抽真空，待真空度为70Pa，停止抽真空；此时浸渗设备的下室中的坩埚平台上升，浸渗石墨模具的升液管浸入下室的液态铝合金中；迅速充入氮气施加压力至浸渗设备的上室、下室内达到9MPa，完成3D四向编织结构的Al₂O₃纤维预制体的液态铝合金的真空气压充型；继续保压，保压时间为50min,保压完成后进行泄压，直至与外界大气压的压力一致，即浸渗成形了3D四向编织结构的Al₂O₃纤维增强铝基复合材料；

H、待3D四向编织结构的Al₂O₃纤维增强铝基复合材料冷却至室温后，打开浸渗设备的上盖，取出浸渗模具，进行脱模，即获得近净成形的3D四向编织结构的Al₂O₃纤维增强铝基复合材料。

Claims (7)

1.一种3D编织纤维增强金属基复合材料的近净成形方法，其特征在于：制备步骤如下：

A、先制备用于编织纤维预制体的定型模具，主要是保证在纤维3D编织过程中纤维预制体的形状和尺寸精度；

B、在制备好定型模具的基础上，再进行纤维预制体的纤维3D编织，待纤维3D编织完成后，用液态粘结剂来固定定型3D编织纤维预制体；待液态粘结剂自然干燥或加热固化后，拆卸用于纤维3D编织的定型模具，即得到已定型的3D编织纤维预制体；

C、浸渗石墨模具采用高纯石墨材料，石墨的含碳量>99.9%，经机械加工成型后，在200℃-800℃温度下进行烘烤10-60min，待冷却至室温后用丙酮或乙醇清洗干净；

D、将已定型的3D编织纤维预制体内嵌固定在浸渗石墨模具内，并用金属板材和金属管材将内嵌固定有3D编织纤维预制体的浸渗石墨模具进行焊接封装，仅在浸渗升液管的顶部留有开口；浸渗石墨模具焊接封装后进行气密性检测；

E、将已焊接封装好的内嵌有3D编织纤维预制体的浸渗石墨模具装配固定在浸渗设备的上室，其中浸渗升液管的开口朝下，并将已熔炼好的液态合金放置在浸渗设备的下室的坩埚平台上，后用上盖压紧密封圈来密封浸渗设备；

F、进行3D编织纤维增强金属基复合材料的浸渗成形：先开始对浸渗设备的上室、下室一起抽真空，待真空度小于200Pa后，停止抽真空；再充入高纯氩气，氩气的含量>99.99%，至浸渗设备的上室、下室内高纯氩气的气体压力小于100KPa，停止充气；已焊接封装好的内嵌有3D编织纤维预制体的浸渗石墨模具在负压、高纯氩气保护气氛下进行快速预热；

G、当已焊接封装好的内嵌固定有3D编织纤维预制体的浸渗石墨模具的预热温度达到200-1200℃时，再次开始对浸渗设备的上室、下室抽真空，待真空度小于200Pa，停止抽真空；此时浸渗设备的下室中的坩埚平台上升，浸渗石墨模具的升液管浸入下室的液态金属中；迅速充入氩气或氮气，施加压力至浸渗设备的上室、下室内达到1-12MPa，完成对3D编织纤维预制体的液态金属的真空气压充型；继续保压，保压时间为1-120min,保压完成后进行泄压，直至与外界大气压的压力一致，即浸渗成形了3D编织纤维增强金属基复合材料；

H、待3D编织纤维增强金属基复合材料冷却至室温后，打开浸渗设备的上盖，取出浸渗模具，进行脱模，即获得近净成形的3D编织纤维增强金属基复合材料。

2.根据权利要求1所述的3D编织纤维增强金属基复合材料的近净成形方法，其特征在于：步骤B中的用液态粘结剂固定定型3D编织纤维预制体是指：将3D编织纤维预制体浸入液态粘结剂中，充分浸润后拿出沥干。

3.根据权利要求1所述的3D编织纤维增强金属基复合材料的近净成形方法，其特征在于：步骤B中的用液态粘结剂固定定型3D编织纤维预制体是指：用液态粘结剂直接在纤维预制体上喷涂。

4.根据权利要求1所述的3D编织纤维增强金属基复合材料的近净成形方法，其特征在于：步骤B中的用液态粘结剂固定定型3D编织纤维预制体是指：用液态粘结剂直接在纤维预制体上涂刷。

5.根据权利要求1所述的3D编织纤维增强金属基复合材料的近净成形方法，其特征在于：步骤B中的液态粘结剂为有机粘结剂或无机粘结剂中的一种，或为有机粘结剂和无机粘结剂中的各一种的组合物； 3D编织纤维预制体用有机粘结剂、无机粘结剂中的一种，或用有机粘结剂和无机粘结剂中的各一种的组合粘结剂固定定型，其中无机粘结剂经高温焙烧后，纤维预制体具有较高的高温粘结强度；无机粘结剂的高温焙烧温度为150-700℃，保温时间为10-30min。

6.根据权利要求５所述的3D编织纤维增强金属基复合材料的近净成形方法，其特征在于：有机粘结剂为：硝基漆，或聚酯漆，或油溶性酚醛清漆，或醇溶性酚醛清漆，有机粘结剂的主要成分均为树脂和溶剂，很容易成型；无机粘结剂为磷酸二氢铝溶液，或磷酸铝溶液，加入固化后高温粘结强度高。

7.根据权利要求1所述的3D编织纤维增强金属基复合材料的近净成形方法，其特征在于：步骤D中，金属板材和金属管材为不锈钢板材、管材；或碳钢板材、管材。