CN110076337A - 一种铝基复合材料多向双级约束变形装置及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

一种铝基复合材料多向双级约束变形装置及其使用方法。本发明具体涉及一种铝基复合材料多向双级约束变形装置及其使用方法本发明是要解决铝基复合材料传统挤压成型方法难以实现材料直径方向尺寸增加的问题。它由下压头、上压头和环状约束模具组成。方法：一、准备高度相同圆柱状坯料和圆柱环状包套材料，两者过盈配合，完成坯料准备；二、预热：将坯料、上、下压头、保温底板和环向约束模具预热至指定温度；三、依次将保温底板、下压头、坯料和上压头放置于压力机平台上；四、操控压力机，将坯料压缩变形；五、热处理。本发明经多向双级约束变形后能够有效改善复合材料综合性能，并且增加复合材料径向尺寸15～25％；本发明用于航空航天工业。

Description

一种铝基复合材料多向双级约束变形装置及其使用方法
技术领域
本发明具体涉及一种铝基复合材料多向双级约束变形装置及其使用方法。
背景技术
铝基复合材料综合了铝合金基体和增强体两者的优点，具备了高比强度、高比刚度、优异的物理性能等，因此在航空航天、国防、汽车、运输以及运动器材等领域占据了重要的地位，尤其是航空航天领域，对轻量化提出了更高的要求，因此也进一步提高了对铝基复合材料的质量要求。
挤压变形通常是目前铝基复合材料二次成型的主要方式，通过挤压工艺，是铝基复合材料发生强烈的塑性变形，提高复合材料致密度，最终得到性能优异的铝基复合材料。然而，挤压的过程中通常会降低材料直径方向上的尺寸，因此，在大尺寸铝基复合材料制备难度的基础上，挤压成型无疑会新一步降低成型后材料的直径尺寸，因此对一些大尺寸特殊的结构件需求，如导弹的舱体，大尺寸法兰盘等，传统挤压工艺已经难以满足要求。
支鹏龙研究高体积分数SiC/Al复合材料三向约束变形工艺及组织性能研究中采用了三向约束装置对45％SiC/Al复合材料进行了约束变形，主要过程使利用压力机对复合材料施加上下压力，而侧向则利用钢模具进行约束，该方法可以实现复合材料约束变形行为。然而该方法并未考虑普遍性，主要表现有：一、此方法适合高体积分数，并未考虑到低体积分数复合材料特点，对于低体积分数无法照搬应用；二、装置中下压头、钢模具与压力机平台直接接触，该部分保温效果较差，易造成坯料局部温度分布不均；
因此，对于航空航天等特殊构件轻量化的需求，发明一种新型的铝基复合材料成型工艺，针对低体积分数复合材料，且可实现材料直径尺寸增加的成型技术是十分有必要的。
发明内容
本发明是要解决铝基复合材料传统挤压成型方法难以实现材料直径方向尺寸增加的问题，而提供一种铝基复合材料多向双级约束变形装置及其使用方法。
本发明一种铝基复合材料多向双级约束变形装置由下压头、上压头和环状约束模具组成；所述下压头和上压头相对设置，坯料设置在下压头和上压头之间，所述环状约束模具环套在下压头和上压头的外围，所述下压头、上压头和环状约束模具的中心轴线在同一直线上，且与压力机平台垂直。
本发明一种铝基复合材料多向双级约束变形装置的使用方法是按以下步骤进行：
一、多向双级约束坯料准备，将包套加工成环状圆柱，然后环套在圆柱状的待变形铝基复合材料上；待变形铝基复合材料与包套的高度相同，且待变形铝基复合材料与包套过盈配合，得到坯料；
二、预热：分别对下压头、上压头、环状约束模具、坯料和保温板进行预热；
三、装置组合，将保温板放置于压力机平台上，在保温板上依次放置下压头、坯料和上压头，保证三者中心轴线在同一条直线上；然后将环状约束模具环套在下压头、上压头和坯料的外侧；
四、约束变形，操控压力机对下压头和上压头施加压力进行挤压成型，即完成约束变形过程；
五、热处理：采用机械加工手段将约束变形后的复合材料从包套中取出，进行热处理，最终得到多向双级约束变形的铝基复合材料。
本发明的有益效果是：
本发明通过多向双级约束变形装置设计，显著改善复合材料机械、力学性能的同时实现铝基复合材料直径尺寸增加。本发明中采用包套与复合材料组合的方式，实现了包套的环向约束复合材料变形，有效的保证了变形质量，减少复合材料变形缺陷，保证环向第一级约束控制；利用多向双级约束变形工艺实现铝基复合材料直径尺寸增加15～25％，实现在目前成熟复合材料规格的基础上，进一步扩大了材料尺寸，增加了复合材料可应用领域；本发明约束变形过程中采用将约束模具置于坯料外侧，一方面能够防止缓慢约束变形过程中坯料温度的显著降低；另一方面在坯料变形接触模具时发挥进一步的约束作用，实现环向第二级约束控制，且变形量可控；本发明中多向双级约束变形工艺简单、便于操作、成本低廉。
附图说明
图1为铝基复合材料多向双级约束变形装置的结构示意图；
图2为铝基复合材料多向双级约束变形装置的俯视结构示意图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合，结合图1和图2说明以下具体实施方式。
具体实施方式一：本实施方式一种铝基复合材料多向双级约束变形装置由下压头1、上压头2和环状约束模具3组成；所述下压头1和上压头2相对设置，坯料4设置在下压头1和上压头2之间，所述环状约束模具3环套在下压头1和上压头2的外围，所述下压头1、上压头2和环状约束模具3的中心轴线在同一直线上，且与压力机平台垂直。
本实施方式中所述包套是保证复合材料形变强化效果的重要因素之一。采用传统的复合材料形变强化过程非常易导致复合材料产生裂纹，导致变形失败；而加入包套后，包套的变形速度显著低于复合材料本身，因此有效的约束铝合金径向方向上的变形，此外包套和复合材料之间的过盈配合更是可以有效的防止变形初期减低复合材料变形失败的几率。
本实施方式中加入环向约束模具也是保证复合材料形变强化效果的重要因素之一。约束变形初期环形约束模具可以起到良好的保温作用，是坯料处于适宜变形温度区间；另一方面，当约束变形至后期时，坯料的直径扩大到一定的阶段时，包套的约束变形效果已经弱化，而此时环状约束模具恰好可以继续发挥约束作用，有效控制径向变形速度，实现二级约束控制。
具体实施方式二：本实施方式铝基复合材料多向双级约束变形装置的使用方法是按以下步骤进行：
一、多向双级约束坯料准备，将包套加工成环状圆柱，然后环套在圆柱状的待变形铝基复合材料上；待变形铝基复合材料与包套的高度相同，且待变形铝基复合材料与包套过盈配合，得到坯料4；
二、预热：分别对下压头1、上压头2、环状约束模具3、坯料4和保温板进行预热；
三、装置组合，将保温板放置于压力机平台上，在保温板上依次放置下压头1、坯料4和上压头2，保证三者中心轴线在同一条直线上；然后将环状约束模具3环套在下压头1、上压头2和坯料4的外侧；
四、约束变形，操控压力机对下压头1和上压头2施加压力进行挤压成型，即完成约束变形过程；
五、热处理：采用机械加工手段将约束变形后的复合材料从包套中取出，进行热处理，最终得到多向双级约束变形的铝基复合材料。
本实施方式所述铝基复合材料由铝粉末和陶瓷颗粒粉末均匀混合后，通过粉末冶金法复合而成；所述铝粉末主要包括纯铝粉和铝合金粉末；所述陶瓷颗粒主要是碳化硅颗粒，碳化硼颗粒以及氮化铝颗粒等；所述铝粉末的粒径为5～15μm；所述陶瓷颗粒的粒径为1-20μm；所述铝基复合材料中陶瓷颗粒的体积含量为1～30％。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是：步骤一中所述包套由铝合金加工而成，且该铝合金的种类与铝基复合材料基体的合金种类相同。其他与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式二或三不同的是：步骤一中包套加工成环状圆柱，环状圆柱的厚度为20～50mm；所述过盈配合量为0.05～0.2mm。其他与具体实施方式二或三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式二至四之一不同的是：步骤二中对坯料4进行预热的预热温度为300～500℃，保温时间为2～5h，升温速率为1～6℃/min。其他与具体实施方式二至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式二至五之一不同的是：步骤二中所述环状约束模具3为钢模具，所述环状约束模具3的内径尺寸比坯料4的外径大10～20％，环状约束模具3的厚度为20～30mm。其他与具体实施方式二至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式二至六之一不同的是：步骤二中对环状约束模具3进行预热的预热温度为310～520℃，保温时间为2～5h，升温速率为1～6℃/min；且环状约束模具3的预热温度比坯料4的预热温度高10～20℃。其他与具体实施方式二至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式二至七之一不同的是：步骤二中对下压头1和上压头2进行预热的预热温度为300～500℃，保温时间为2～5h，升温速率为1～6℃/min；所述下压头1和上压头2的厚度均不低于30mm。其他与具体实施方式二至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式二至八之一不同的是：步骤四中所述挤压成型中压力机行进速度控制在0.2～1mm/s，压至指定位置后控制压力机保压5～10min，变形量为30％～60％。其他与具体实施方式二至八之一相同。
本实施方式所述变形量＝下压高度/原始高度。
本实施方式依据变形量来控制坯料的变形位置。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式二至九之一不同的是：步骤五中所述热处理为固溶、淬火和时效，时效处理的工艺参数为先在温度为130～150℃的条件下处理1～2h，再将温度从130～150℃升温至190～220℃，然后在温度为190～220℃的条件下处理3～5h。其他与具体实施方式二至九之一相同。
通过以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：一种铝基复合材料多向双级约束变形装置的使用方法是按以下步骤进行：
一、多向双级约束坯料准备，将包套加工成环状圆柱，然后环套在圆柱状的待变形铝基复合材料上；待变形铝基复合材料与包套的高度相同，且待变形铝基复合材料与包套过盈配合，得到坯料；待变形铝基复合材料为体积分数为15％碳化硼增强铝基复合材料；包套为2024铝合金；铝基复合材料形状为圆柱状，规格为Φ50mm，将2024铝合金包套材料加工成圆柱环状，高度为50mm，铝合金圆柱环包套内径为Φ79.9mm，外径尺寸为115mm；
二、预热：分别对下压头、上压头、环状约束模具、坯料和保温板进行预热；所述环状约束模具的内径为130mm，外径为160mm，高度为100mm；所述坯料预热至350℃，保温时间为2～5h，升温速率严格控制为5℃/min；环向约束模具预热至360℃，保温时间为2h；保温底板、上压头、下压头与坯料一起预热即可，上压头和下丫头的高度均为50mm；
三、装置组合，将保温板放置于压力机平台上，在保温板上依次放置下压头、坯料和上压头，保证三者中心轴线在同一条直线上；然后将环状约束模具环套在下压头、上压头和坯料的外侧；
四、约束变形，操控压力机，控制压力机行进速度为0.3mm/s，对步骤三中上下压头施加压力，保证变形量为50％，保压5min，即完成约束变形过程；
五、热处理：采用机械加工手段将约束变形后的复合材料从包套中取出，进行热处理，最终得到多向双级约束变形的铝基复合材料；所述热处理为T6热处理过程，其中固溶温度为495℃，时间为1h；淬火为水淬火；时效工艺为先在温度为130℃的条件下处理1h，再将温度从130℃升温至190℃，然后在温度为190℃的条件下处理3h。
实施例二：一种铝基复合材料多向双级约束变形装置的使用方法是按以下步骤进行：
一、多向双级约束坯料准备，将包套加工成环状圆柱，然后环套在圆柱状的待变形铝基复合材料上；待变形铝基复合材料与包套的高度相同，且待变形铝基复合材料与包套过盈配合，得到坯料；待变形铝基复合材料为体积分数为25％碳化硅增强铝基复合材料；包套为7075铝合金；铝基复合材料形状为圆柱状，规格为Φ50mm，将7075铝合金包套材料加工成圆柱环状，高度为50mm，铝合金圆柱环包套内径为Φ79.9mm，外径尺寸为130mm；
二、预热：分别对下压头、上压头、环状约束模具、坯料和保温板进行预热；所述环状约束模具的内径为145mm，外径为185mm，高度为100mm；所述坯料预热至400℃，保温时间为2h，升温速率严格控制为5℃/min；环向约束模具预热至410℃，保温时间为2h；保温底板、上压头、下压头与坯料一起预热即可，上压头和下丫头的高度均为50mm；
三、装置组合，将保温板放置于压力机平台上，在保温板上依次放置下压头、坯料和上压头，保证三者中心轴线在同一条直线上；然后将环状约束模具环套在下压头、上压头和坯料的外侧；
四、约束变形，操控压力机，控制压力机行进速度为0.2mm/s，对步骤三中上下压头施加压力，保证变形量为50％，保压5min，即完成约束变形过程；
五、热处理：采用机械加工手段将约束变形后的复合材料从包套中取出，进行热处理，最终得到多向双级约束变形的铝基复合材料；所述热处理为T6热处理过程，其中固溶温度为475℃，时间为1h；淬火为水淬火；时效工艺为先在温度为150℃的条件下处理1h，再将温度从150℃升温至200℃，然后在温度为200℃的条件下处理5h。
下表给出的是实施例一和实施例二处理后复合材料与原始复合材料性能的对比结果，从表中可以明显的看出，经过多向多级约束处理后复合材料的性能几乎保持不变或有所提高，可见这种多向多级约束变形不仅可以保持或者提高低体积分数复合材料的力学，同时还能够有效的改善复合材料的横向尺寸，这对于扩大复合材料的应用具有重要的意义。
抗拉强度(MPa) 延伸率％ 弹性模量(GPa)
原始15％B<sub>4</sub>C/Al 420 5 105
实施例一 418 4.8 107
原始25％B<sub>4</sub>C/Al 450 3.5 125
实施例二 460 3.9 124

Claims (10)

1.一种铝基复合材料多向双级约束变形装置，其特征在于铝基复合材料多向双级约束变形装置由下压头(1)、上压头(2)和环状约束模具(3)组成；所述下压头(1)和上压头(2)相对设置，坯料(4)设置在下压头(1)和上压头(2)之间，所述环状约束模具(3)环套在下压头(1)和上压头(2)的外围，所述下压头(1)、上压头(2)和环状约束模具(3)的中心轴线在同一直线上，且与压力机平台垂直。
2.如权利要求1所述的一种铝基复合材料多向双级约束变形装置的使用方法，其特征在于铝基复合材料多向双级约束变形装置的使用方法是按以下步骤进行：
一、多向双级约束坯料准备，将包套加工成环状圆柱，然后环套在圆柱状的待变形铝基复合材料上；待变形铝基复合材料与包套的高度相同，且待变形铝基复合材料与包套过盈配合，得到坯料(4)；
二、预热：分别对下压头(1)、上压头(2)、环状约束模具(3)、坯料(4)和保温板进行预热；
三、装置组合，将保温板放置于压力机平台上，在保温板上依次放置下压头(1)、坯料(4)和上压头(2)，保证三者中心轴线在同一条直线上；然后将环状约束模具(3)环套在下压头(1)、上压头(2)和坯料(4)的外侧；
四、约束变形，操控压力机对下压头(1)和上压头(2)施加压力进行挤压成型，即完成约束变形过程；
五、热处理：采用机械加工手段将约束变形后的复合材料从包套中取出，进行热处理，最终得到多向双级约束变形的铝基复合材料。
3.根据权利要求2所述的一种铝基复合材料多向双级约束变形装置的使用方法，其特征在于步骤一中所述包套由铝合金加工而成，且该铝合金的种类与铝基复合材料基体的合金种类相同。
4.根据权利要求3所述的一种铝基复合材料多向双级约束变形装置的使用方法，其特征在于步骤一中包套加工成环状圆柱，环状圆柱的厚度为20～50mm；所述过盈配合量为0.05～0.2mm。
5.根据权利要求2所述的一种铝基复合材料多向双级约束变形装置的使用方法，其特征在于步骤二中对坯料(4)进行预热的预热温度为300～500℃，保温时间为2～5h，升温速率为1～6℃/min。
6.根据权利要求2所述的一种铝基复合材料多向双级约束变形装置的使用方法，其特征在于步骤二中所述环状约束模具(3)为钢模具，所述环状约束模具(3)的内径尺寸比坯料(4)的外径大10～20％，环状约束模具(3)的厚度为20～30mm。
7.根据权利要求5所述的一种铝基复合材料多向双级约束变形装置的使用方法，其特征在于步骤二中对环状约束模具(3)进行预热的预热温度为310～520℃，保温时间为2～5h，升温速率为1～6℃/min；且环状约束模具(3)的预热温度比坯料(4)的预热温度高10～20℃。
8.根据权利要求2所述的一种铝基复合材料多向双级约束变形装置的使用方法，其特征在于步骤二中对下压头(1)和上压头(2)进行预热的预热温度为300～500℃，保温时间为2～5h，升温速率为1～6℃/min；所述下压头(1)和上压头(2)的厚度均不低于30mm。
9.根据权利要求2所述的一种铝基复合材料多向双级约束变形装置的使用方法，其特征在于步骤四中所述挤压成型中压力机行进速度控制在0.2～1mm/s，压至指定位置后控制压力机保压5～10min，变形量为30％～60％。
10.根据权利要求2所述的一种铝基复合材料多向双级约束变形装置的使用方法，其特征在于步骤五中所述热处理为固溶、淬火和时效，时效处理的工艺参数为先在温度为130～150℃的条件下处理1～2h，再将温度从130～150℃升温至190～220℃，然后在温度为190～220℃的条件下处理3～5h。
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