CN110681847A - 一种铝铜复合材料薄壁锥形构件的制备方法 - Google Patents

一种铝铜复合材料薄壁锥形构件的制备方法 Download PDF

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舒大禹
赵祖德
吴洋
詹红
屈俊岑
王长朋
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Abstract

本发明提供了一种铝铜复合材料薄壁锥形构件的制备方法，包括石蜡浇注、装配、石膏灌浆、纯铝液浇注等步骤，保证组织性能、尺寸精度；实现铝层和铜层的冶金结合，提高两者之间的界面结合力，集成两种材料优势，具有高延展性、高燃烧、横向扩孔增益效应。

Description

一种铝铜复合材料薄壁锥形构件的制备方法
技术领域
本发明涉及复合材料制造技术领域，尤其涉及一种铝铜复合材料薄壁锥形构件的制备方法。
背景技术
采用轧制板材、挤制的铜棒材制造的薄壁锥形构件，平均晶粒尺寸在30μm～85μm，可以侵彻穿透6-8倍装药口径厚度的钢质靶标，但是射流出口孔径小于φ20mm，最后的剩余射流质量不到5％(与锥形构件的总质量相比)，没有燃烧、引燃作用，侵彻毁伤后效低。
近年来，钽合金、钨合金、铀合金等高密度功能性材料及其应用技术已成为国外重点发展方向，以钽为例，具有高密度(16.66g/cm3)、高动态延展性(杆式侵彻体长径比5倍以上)和优异的侵彻性能，已成为国内外研究的热点，但钽材料成本居高不下是工程化应用的限制性环节。据公开资料表明，美国开发出侵彻后具有引燃特性的铝铜、钛锆等双金属材料，并应用于水中兵器战斗部，具有引燃特性，由于国外严密的技术封锁，具体材料成分、工艺、性能未公开。
通过查阅相关的文献资料表明，双层金属材料的制备工艺有叠轧、包套挤压、粉末冶金烧结、真空钎焊等，该工艺存在以下缺点：一是叠轧工艺制备的双层金属间属于物理结合，强度低，对于形状复杂构件成形过程易开裂(如锥形、曲面空间结构)；二是包套挤压双层金属产品，适用于棒材加工，不同部位金属之间比例控制难度大；三是粉末冶金低温烧结的材料存在不致密、孔洞等缺陷，高应变速率下易断裂；四是真空钎焊有中间填充层，脆性大。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供一种铝铜复合材料薄壁锥形构件的制备方法，使制备的铝铜复合材料的铝/铜界面结合好，不同部位之间金属比例按设计要求分布，提高综合使用性能。
本发明提供的铝铜复合材料薄壁锥形构件的制备方法，包括以下步骤：
(1)将冷挤压成形的纯铜坯件，按照图纸要求进行外锥形面锥角、长度、端面口径等尺寸的数控切削加工，加工过程控制表面的粗糙度、尺寸精度等，得到的铜锥壳体满足图纸设计要求。
(2)按照纯铜坯件的内形尺寸，将铜棒材加工成与之相匹配的冷铁芯模，并与(1)得到铜锥壳体进行精密装配。
(3)将石蜡融化后，浇注出铝铜复合材料外层纯铝的形状结构，并对表面进行修饰处理，为后续装配作准备。
(4)将石蜡型壳与(2)中的装配体进行装配，并放入石膏型砂箱中，然后注入石膏，最后进行自然干燥处理；
(5)将(4)得到的砂箱体进行脱蜡处理，脱除石蜡，形成空腔体。
(6)将(5)得到的砂箱体进行预热处理，熔化的纯铝液从砂箱体的浇冒口浇入，注满整个空腔体，再进行自然冷却。
(7)将(6)中得到的铝铜复合材料坯件表面的石膏进行清理，从冷铁芯模上取下，获得铝铜复合材料坯件。
(8)将(7)得到铝铜复合材料坯件，按照最终薄壁锥形构件的零件图纸要求，对外形面锥角、口径、长度等进行数控切削加工，达到设计要求。
优选的，所述冷挤压成形的纯铜罩坯件，材料为TU1/T2，经过(280～360)℃×(45～75)分钟的再结晶热处理，平均晶粒尺寸≤15μm。
优选的，加工过程控制表面的粗糙度、尺寸精度等，加工表面粗糙度≤Ra0.8μm，外锥角度偏差≤1.5′。
优选的，所述铜锥壳体与冷铁芯模进行装配，要求装配后两者之间锥面的贴合率≥85％。
优选的，所述自然干燥处理，温度(22～28)℃，干燥时间(5～8)天。
优选的，所述砂箱体进行脱蜡处理，保温温度(100～120)℃，保温时间(4～6)小时。
优选的，所述砂箱体进行预热处理，保温温度(180～200)℃，保温时间(2～4)小时。
优选的，所述熔化的纯铝液从砂箱体的浇冒口浇入，铝液保温温度(670～700)℃，静置时间(10～30)分钟，铝液中间转移时间(10～25)秒，浇注时间(5～15)秒。
优选的，所述对铝铜复合材料坯件表面的石膏进行清理，在(20～28)℃水槽中浸泡(8～12)小时，用铁锹清理掉石膏层，注意保护好外表层不受损伤。
有益效果
本发明提供了一种铝铜复合材料薄壁锥形构件的制备方法，首先将冷挤压铜坯件、铜棒加工出所需的形状，进行表面除油处理，再进行精密装配，保证铜锥体和冷铁芯模之间锥面的贴合率达到设计要求；二是采用石蜡浇注出外层铝的形状结构，并对表面进行修饰处理，去掉少量凹坑等缺陷；三是将石蜡壳体、铜锥体、冷铁芯模三者精密装配一起，石蜡壳体在外层、冷铁芯模在最里层；四是进行石膏灌浆，经过一定时间的自然冷却干燥后，再进行烘干脱蜡处理；五是进行纯铝液的浇注，制备出铝铜复合材料坯件。将制备的铝铜复合材料坯件进行检测分析，评价界面有无裂纹、铝层有无夹杂与疏松等缺陷。
本发明在制备铝铜复合材料薄壁锥形构件过程中，保证组织性能、尺寸精度；实现铝层和铜层的冶金结合，提高两者之间的界面结合力，集成两种材料优势，具有高延展性、高燃烧、横向扩孔增益效应。
附图说明
图1纯铜变壁厚锥体
图2冷铁芯模(T2铜材料)
图3铜锥体与冷铁芯模组合体
图4铝液浇注前的砂型
图5获得的铝铜复合材料锥体
图6获得的铝铜复合材料薄壁锥形构件
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为了进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
实施例1
一种铝铜复合材料薄壁锥形构件的制备方法，采用以下步骤：
(1)将冷挤压成形的纯铜坯件(TU1)，进行320℃×60分钟的再结晶热处理，测得的平均晶粒尺寸为(10～15)μm；在数控加工设备上，按照图1形状结构进行切削加工，以5件产品为样本，外锥型角度偏差-1.2′～0.7′，表面粗糙度(0.42～0.68)μm。
(2)按照纯铝铜复合材料坯件的内形尺寸，将铜棒材加工成与之相匹配的冷铁芯模(图2)，表面粗糙度0.4μm，角度偏差0.2′，并与(1)得到的铜锥壳体进行装配，锥面的贴合率85％～90％(图3)。
(3)将石蜡融化后，浇注出铝铜复合材料坯件外层纯铝的形状结构，并对表面进行修饰处理，为后续装配作准备。
(4)将石蜡型壳与(2)中的装配体进行装配，并放入石膏型砂箱中，然后注入石膏，填满砂箱后进行自然干燥处理，室温温度26℃，时间为8天；
(5)将(4)得到的砂箱体进行脱蜡处理，保温温度110℃，保温时间5小时，石蜡脱除后形成一定尺寸形状的空腔体(图4)。
(6)将(5)得到的砂箱体进行预热处理，保温温度180℃，保温时间4小时；将熔化的纯铝液温度升至670℃，保温静置30分钟，进行浇注，中间转移时间25秒，浇注时间9秒，浇注满整个空腔体，再进行自然冷却。
(7)将(6)中得到的铝铜复合材料坯件的砂箱体在水槽中浸泡10小时，用铁锹清理掉石膏层，得到图5所示的构件。
(8)将(7)得到铝铜复合材料坯件，按照最终零件图纸要求，对外形面锥角、口径、长度等进行数控切削加工，制备出图6所示的铝铜复合材料薄壁锥形构件。
制备的铝铜复合材料薄壁锥形构件口径75mm、内锥角度60°、外锥角度61°30′，经X射线探伤检测，铝铜界面层结合紧密，无裂纹、冷隔等缺陷；采用力学性能试验，铝铜界面结合强度180MPa～210MPa；采用静态爆轰试验，在3～5倍炸高条件下，穿透深度达到6倍口径以上，射流破孔口径0.4倍口径以上，破孔口径比单一铜构件增大30％以上；通过与单一铜构件的毁伤后效对比试验表明(相同结构、炸高与试验条件)，铝铜构件引燃青草概率达到60％以上，单一铜构件完全不能引燃青草。
实施例2
一种铝铜复合材料薄壁锥形构件的制备方法，采用以下步骤：
(1)将冷挤压成形的纯铜坯件(T2)，进行350℃×60分钟的再结晶热处理，测得的平均晶粒尺寸为(5～8)μm；在数控加工设备上，按照图纸要求进行切削加工，以5件产品为样本，外锥形角度偏差-0.9′～1′，表面粗糙度(0.34～0.52)μm。
(2)按照纯铝铜复合材料坯件的内形尺寸，将铜棒材加工成与之相匹配的冷铁芯模，表面粗糙度0.4μm，角度偏差0.2′，并与(1)得到铜锥壳体进行装配，两锥面的贴合率80％～85％。
(3)将石蜡融化后，浇注出铝铜复合材料外层纯铝的形状结构，并对表面进行修饰处理，为后续装配作准备。
(4)将石蜡型壳与(2)中的装配体进行装配，并放入石膏型砂箱中，然后注入石膏，填满砂箱后进行自然干燥处理，室温温度28℃，时间为5天；
(5)将(4)得到的砂箱体进行脱蜡处理，保温温度120℃，保温时间4小时，石蜡脱除后形成一定尺寸形状的空腔体。
(6)将(5)得到的砂箱体进行预热处理，保温温度200℃，保温时间2小时；将熔化的纯铝液温度升至700℃，保温静置10分钟，进行浇注，中间转移时间22秒，浇注时间6秒，浇注满整个空腔体，再进行自然冷却。
(7)将(6)中得到的铝铜复合材料坯件的砂箱体在水槽中浸泡12小时，用铁锹清理掉石膏层，得到铝铜复合材料坯件。
(8)将(7)得到铝铜复合材料坯件，按照最终的零件图纸要求，对外形面锥角、口径、长度等进行数控切削加工，制备出铝铜复合材料薄壁锥形构件。
制备的铝铜复合材料薄壁锥形构件口径98mm、内锥角度100°、等壁厚3.2mm，经X射线探伤检测，铝铜界面层结合紧密，无裂纹、冷隔等缺陷；采用力学性能试验，铝铜界面结合强度190MPa～230MPa；采用静态爆轰试验，在80～100倍炸高条件下，穿透深度达到1.5倍口径以上，射流破孔口径0.7倍口径以上，破孔口径比单一铜构件增大20％以上；通过与单一铜构件的毁伤后效对比试验表明(相同结构、炸高与试验条件)，铝铜构件引燃青草概率达到80％以上，单一铜构件完全不能引燃青草。
实施例3
一种铝铜复合材料薄壁锥形构件的制备方法，采用以下步骤：
(1)将冷挤压成形的纯铜坯件(TU1)，进行300℃×75分钟的再结晶热处理，测得的平均晶粒尺寸为(5～8)μm；在数控加工设备上，按照图纸要求进行切削加工，以5件产品为样本，外锥型角度偏差-1.2′～0.3′，表面粗糙度(0.52～0.73)μm。
(2)按照纯铝铜复合材料的内形尺寸，将铜棒材加工成与之相匹配的冷铁芯模，表面粗糙度0.4μm，角度偏差0.2′，并与(1)得到铜锥壳体进行装配，两锥面的贴合率88％～92％。
(3)将石蜡融化后，浇注出铝铜复合材料外层纯铝的形状结构，并对表面进行修饰处理，为后续装配作准备。
(4)将石蜡型壳与(2)中的装配体进行装配，并放入石膏型砂箱中，然后注入石膏，填满砂箱后进行自然干燥处理，室温温度22℃，时间为8天；
(5)将(4)得到的砂箱体进行脱蜡处理，保温温度110℃，保温时间5小时，石蜡脱除后形成一定尺寸形状的空腔体。
(6)将(5)得到的砂箱体进行预热处理，保温温度190℃，保温时间3小时；将熔化的纯铝液温度升至690℃，保温静置20分钟，进行浇注，中间转移时间20秒，浇注时间12秒，浇注满整个空腔体，再进行自然冷却。
(7)将(6)中得到的铝铜复合材料坯件的砂箱体在水槽中浸泡10小时，用铁锹清理掉石膏层，得到铜复合材料坯件。
(8)将(7)得到铝铜复合材料坯件，按照最终零件图纸要求，对外形面锥角、口径、长度等进行数控切削加工，制备出铝铜复合材料薄壁锥形构件。
制备的铝铜复合材料药型罩口径104mm、锥角度90°、等壁厚2.8mm，经超声波探伤检测，铝铜界面层结合紧密，无裂纹、冷隔等缺陷；采用拉伸试验，铝铜界面结合强度190MPa～235MPa。
制备的铝铜复合材料薄壁锥形构件口径120mm、内锥角度90°、等壁厚2.8mm，经X射线探伤检测，铝铜界面层结合紧密，无裂纹、冷隔等缺陷；采用力学性能试验，铝铜界面结合强度190MPa～240MPa；采用静态爆轰试验，在100～120倍炸高条件下，穿透深度达到1.2倍口径以上，射流破孔口径0.7倍口径以上，破孔口径比单一铜构件增大25％以上；通过与单一铜构件的毁伤后效对比试验表明(相同结构、炸高与试验条件)，铝铜构件引燃青草概率达到70％以上，单一铜构件完全不能引燃青草。

Claims (9)

1.一种铝铜复合材料薄壁锥形构件的制备方法，包括以下步骤：
（1）将冷挤压成形的纯铜坯件进行外锥形面锥角、长度、端面口径等尺寸的数控切削加工；
（2）按照纯铜构件的内形尺寸，将铜棒材加工成与之相匹配的冷铁芯模，并与（1）得到铜锥壳体进行精密装配；
（3）将石蜡融化后，浇注出铝铜复合材料构件外层纯铝的形状结构，并对表面进行修饰处理；
（4）将石蜡型壳与（2）中的装配体进行精密装配，并放入石膏型砂箱中，然后注入石膏，最后进行自然干燥处理；
（5）将（4）得到的砂箱体进行脱蜡处理，脱除石蜡，形成空腔体；
（6）将（5）得到的砂箱体进行预热处理，熔化的纯铝液从砂箱体的浇冒口浇入，注满整个空腔体，再进行自然冷却；
（7）将（6）中得到的铝铜复合材料坯件表面的石膏进行清理，从冷铁芯模上取下，获得铝铜复合材料坯件；
（8）将（7）得到铝铜复合材料坯件对外形面锥角、口径、长度等进行数控切削加工。
2.如权利要求1所述的铝铜复合材料薄壁锥形构件的制备方法，所述冷挤压成形的纯铜坯件，材料为TU1/T2，经过（280～360）℃×（45～75）分钟的再结晶热处理，平均晶粒尺寸≤15μm。
3.如权利要求1所述的铝铜复合材料薄壁锥形构件的制备方法，加工表面粗糙度≤Ra0.8μm，外锥角度偏差≤1.5′。
4.如权利要求1所述的铝铜复合材料薄壁锥形构件的制备方法，所述铜锥壳体与冷铁芯模进行装配，要求装配后两者之间锥面的贴合率≥85%。
5.如权利要求1所述的铝铜复合材料薄壁锥形构件的制备方法，所述自然干燥处理，干燥温度（22～28）℃，干燥时间（5～8）天。
6.如权利要求1所述的铝铜复合材料薄壁锥形构件的制备方法，所述砂箱体进行脱蜡处理，保温温度（100～120）℃，保温时间（4～6）小时。
7.如权利要求1所述的铝铜复合材料薄壁锥形构件的制备方法，所述砂箱体进行预热处理，保温温度（180～200）℃，保温时间（2～4）小时。
8.如权利要求1所述的铝铜复合材料薄壁锥形构件的制备方法，所述熔化的纯铝液从砂箱体的浇冒口浇入，铝液保温温度（670～700）℃，静置时间（10～30）分钟，铝液中间转移时间（10～25）秒，浇注时间（5～15）秒。
9.如权利要求1所述的铝铜复合材料薄壁锥形构件的制备方法，所述对铝铜复合材料坯件表面的石膏进行清理，在（20～28）℃水槽中浸泡（8～12）小时，用铁锹清理掉石膏层。
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