CN110935852A - 一种连续纤维增强金属基复合材料板带制备设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于金属基复合材料技术领域，具体涉及一种连续纤维增强金属基复合材料板带制备设备及方法，目的是解决现有连续纤维增强金属基复合材料板带制备生产效率低、纤维强度损伤大、制造成本高等技术问题。包括：纤维送丝机构、浇注前箱、铸轧机构、冷却系统，所述纤维送丝机构设置有前压板、后压板和纤维保护气体循环系统，具备纤维气体保护和张紧功能，实现了连续纤维增强金属基复合材料板带的短流程铸轧制备，具有结构紧凑、工艺简单、纤维强度损伤小、易于维修的优点。

Description

一种连续纤维增强金属基复合材料板带制备设备及方法

技术领域

本发明属于金属基复合材料技术领域，具体涉及一种连续纤维增强金属基复合材料板带制备设备及方法。

背景技术

金属基复合材料自问世以来就以其优异的性能受到广泛的关注，其中又以纤维增强金属基复合材料的研究开发和应用最早, 力学性能最好。连续纤维增强金属基复合材料是一种以连续纤维（如碳纤维、玻璃纤维等）作为增强相，轻金属（如铝、镁、钛等）为基体相制备而成的复合材料，它具有轻质，比强度、比模量高，耐磨性强，耐高温性能好，导电、导热性好，抗疲劳，抗老化等优良的综合性能。

目前，经过近几十年的努力和探索，连续纤维增强金属基复合材料在基础理论、制备工艺、性能水平等方面都有了很大的进步，在宇航、航空和兵器中得到较多应用，但在民用工业中的应用还较少。究其原因主要是由于连续纤维在与熔融金属液接触过程中容易氧化致使增强纤维强度大幅度下降，因此成型过程必须抽真空或气体保护，导致连续纤维增强金属基复合材料制造成本过高，极大的限制了它的推广和应用。为了推广连续纤维增强金属基复合材料的应用，必须努力降低制造成本。

经对现有技术的文献检索发现，中国发明专利“一种连续纤维增强金属基复合材料的制备方法”（申请号201010588882.X）公布了一种用层叠技术制备连续纤维增强金属基复合材料的方法，即在惰性气体保护下将熔融状态的金属反复喷吹到连续纤维表面，并通过碾压制造高性能复合材料。中国发明专利“纤维增强金属间化合物复合材料及其制备成型的方法”（申请号200810003625.8）公布了一种纤维增强金属间化合物复合材料制备方法，即先用钛粉和纤维混合制成预制体，再利用压力浸渗方法将熔融的铝合金浸渗到预制体间隙中，制成复合材料。中国发明专利“连续纤维增强金属基复合材料板带铸轧成型工艺及设备”（申请号201310078417.5）公布了一种连续纤维增强金属基复合材料板带铸轧成型工艺及设备，连续纤维在惰性气体保护下与金属液混合并浸润，经冷却后利用双辊轧机进行轧制成板材。这些技术所涉及金属基复合材料制备工艺都能生产出连续纤维增强的金属基复合材料板材，但工艺和设备较复杂，制备效率较低，因而不能解决制造成本高的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种连续纤维增强金属基复合材料板带制备设备及方法，解决现有技术制备连续纤维增强金属基复合材料板工艺复杂、生产效率低、制造成本高的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种连续纤维增强金属基复合材料板带制备设备，包括：纤维送丝机构、浇注前箱、铸轧机构、冷却系统，其特征在于，所述纤维送丝机构设置有前压板、后压板和纤维保护气体循环系统；所述的纤维保护气体循环系统包括：进气口，进气道，过气孔，排气道，溢流口，溢流口装有溢流阀；所述前压板和后压板与纤维送丝机构主体采用带扭力弹簧的铰链连接，把纤维压紧在纤维送丝机构主体上；所述纤维送丝机构的出丝口直接插入浇注前箱熔融的金属液中，避免纤维从出丝口出来后与空气接触；所述浇注前箱底板紧靠在下轧辊辊面上，以防金属液漏液；浇注前箱内金属液液面高于纤维送丝机构出丝口，以使纤维与熔融金属液充分浸润，并避免高温纤维与空气接触造成氧化；所述纤维送丝机构出丝口靠近轧辊辊缝，保证纤维与金属液浸润后快速进行铸轧冷却。

进一步，所述的纤维送丝机构，可以由陶瓷、石英或金属制成。

进一步，所述前压板的前端设置有滚轮，以降低摩擦力，避免损伤纤维。

进一步，所述的纤维送丝机构、浇注前箱和铸轧机构都可以单独调整倾斜角度。

进一步，所述的纤维，可以是纤维布，也可以是纤维丝。

进一步，所述的冷却系统布置在铸轧机构出板一侧，对铸轧板进行快速冷却，冷却方式可以是鼓风冷却，也可以是喷水冷却。

本发明还提供了一种连续纤维增强金属基复合材料板带制备方法，包括以下步骤：

①按工艺要求调整好辊缝间隙，即调整好上下两个轧辊之间的缝隙尺寸；

②打开纤维送丝机构的前压板和后压板，将连续纤维从前压板开口穿入，从后压板开口穿出，然后闭合前压板和后压板，调整前压板和后压板的压力，使前压板的压力小于后压板的压力，保证气压过大时气体从前压板溢出，避免气体从后压板溢出形成铸造气孔缺陷；

③调整纤维送丝机构的角度和位置，使纤维出丝口靠近轧辊辊缝并与辊缝对中，把从后压板露头的纤维穿过辊缝；

④开启轧机，使轧辊按设定转速开始转动，对轧辊外表面进行预热；

⑤将金属加热熔融至预定温度；

⑥调整好溢流阀压力，给纤维送丝机构通入保护气；

⑦开启冷却系统；

⑧把熔融的金属液倒入前箱，开始铸轧，铸轧过程中，保证金属液液面高于纤维送丝机构出丝口，避免高温纤维与空气接触造成氧化。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：本发明采用具有纤维气体保护和纤维张力控制功能的纤维送丝机构，实现了连续纤维增强金属基复合材料板带的短流程铸轧制备，具有结构紧凑、工艺简单、纤维强度损伤小、易于维修的优点，解决了现有连续纤维增强金属基复合材料板带制备工艺复杂、生产效率低、纤维强度损伤大、制造成本高的技术问题。

附图说明

图1为本发明连续纤维增强金属基复合材料板带制备设备的结构示意图（剖面图）。

图2为实施例制备的连续碳纤维增强5052铝合金基复合材料铸轧板的照片。

具体实施方式

体现本发明特征与优点的典型实施例，将结合附图在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施例上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的保护范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。

如图1所示，一种连续纤维增强金属基复合材料板带制备设备，包括：纤维送丝机构1、浇注前箱2、铸轧机构3、冷却系统4，其特征在于，所述纤维送丝机构1设置有前压板10、后压板11和纤维保护气体循环系统；所述的纤维保护气体循环系统包括：进气口14，进气道15，过气孔16，排气道17，溢流口18，溢流口18装有溢流阀19；所述前压板10和后压板11与纤维送丝机构1主体采用带扭力弹簧的铰链12连接，把纤维5压紧在纤维送丝机构1主体上；所述纤维送丝机构1的出丝口13直接插入浇注前箱2熔融的金属液21中，避免纤维5从出丝口13出来后与空气接触；所述浇注前箱底板22紧靠在下轧辊31辊面上，以防金属液21漏液；浇注前箱2内金属液21液面高于纤维送丝机构出丝口13，以使纤维5与熔融金属液21充分浸润，并避免纤维5与空气接触；所述纤维送丝机构出丝口13靠近轧辊辊缝，以保证纤维5与金属液21浸润后快速进行铸轧冷却。

所述的纤维送丝机构1由耐热钢制成。

所述前压板10的前端设置有滚轮9，以降低摩擦力，避免损伤纤维5。

所述的纤维送丝机构1主轴与水平面夹角40°，浇注前箱底板22与水平面夹角0°，铸轧机构3的两个轧辊圆心连线与水平面垂直。

所述的纤维5为T700碳纤维布。

所述的金属液21为5052铝合金。

所述的冷却系统4布置在铸轧机构3出板一侧，对铸轧板6进行快速冷却，冷却方式采用喷水冷却。

本发明还公开了一种连续纤维增强金属基复合材料板带制备方法，包括以下步骤：

①按工艺要求调整好辊缝间隙为1mm，即调整好上下两个轧辊之间的缝隙尺寸为1mm；

②打开纤维送丝机构1的前压板10和后压板11，将连续纤维布5从前压板10开口穿入，从后压板11开口穿出，然后闭合前压板10和后压板11，通过调整扭力弹簧的角度，设定前压板10的压力为0.5公斤，后压板11的压力为0.8公斤，前压板10的压力小于后压板11的压力，目的是保证保护气气压过大时气体从前压板10溢出，避免气体从后压板11溢出形成铸造气孔缺陷；

③调整纤维送丝机构1的角度和位置，使纤维送丝机构1主轴与水平面夹角40°，使纤维出丝口13靠近轧辊辊缝并与辊缝对中，把从后压板11露头的纤维5穿过辊缝；

④开启轧机，使轧辊按设定转速2.5转/分钟开始转动（即线速度为2.4米/分钟），对轧辊外表面采用火焰喷射的方法预热至80～90℃；

⑤将5052铝合金加热熔融至720℃；

⑥调整好溢流阀19的压力为0.08MPa，给纤维送丝机构1通入保护气氮气，设置保护气气体压力为0.02～0.05MPa；

⑦开启喷水冷却系统4；

⑧把熔融的5052铝合金倒入前箱2，开始铸轧，铸轧过程中，保证熔融金属液21液面高于纤维送丝机构出丝口13，避免高温的T700碳纤维布与空气接触造成氧化。

如图2所示为本实施例制备的连续碳纤维增强5052铝合金基复合材料铸轧板的照片。

本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于前述的细节，而应在权利要求所限定的范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的变化和改型都应为权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种连续纤维增强金属基复合材料板带制备设备，包括：纤维送丝机构（1）、浇注前箱（2）、铸轧机构（3）、冷却系统（4），其特征在于，所述纤维送丝机构（1）设置有前压板（10）、后压板（11）和纤维保护气体循环系统；所述的纤维保护气体循环系统包括：进气口（14），进气道（15），过气孔（16），排气道（17），溢流口（18），溢流口（18）装有溢流阀（19）；所述前压板（10）和后压板（11）与纤维送丝机构（1）主体采用带扭力弹簧的铰链（12）连接，把纤维（5）压紧在纤维送丝机构（1）主体上；所述纤维送丝机构（1）的出丝口（13）直接插入浇注前箱（2）熔融的金属液（21）中，避免纤维（5）从出丝口（13）出来后与空气接触；所述浇注前箱底板（22）紧靠在下轧辊（31）辊面上，以防金属液（21）漏液；浇注前箱（2）内金属液（21）液面高于纤维送丝机构出丝口（13），以使纤维（5）与熔融金属液（21）充分浸润，并避免高温纤维（5）与空气接触造成氧化；所述纤维送丝机构出丝口（13）靠近轧辊辊缝，保证纤维（5）与金属液（21）浸润后快速进行铸轧冷却。

2.根据权利要求1所述的一种连续纤维增强金属基复合材料板带制备设备，其特征是：所述的纤维送丝机构（1），可以由陶瓷、石英或金属制成。

3.根据权利要求1所述的一种连续纤维增强金属基复合材料板带制备设备，其特征是：所述的前压板（10）的前端设置有滚轮（9），以降低摩擦力，避免损伤纤维（5）。

4.根据权利要求1所述的一种连续纤维增强金属基复合材料板带制备设备，其特征是：所述的纤维送丝机构（1）、浇注前箱（2）和铸轧机构（3）都可以单独调整倾斜角度。

5.根据权利要求1所述的一种连续纤维增强金属基复合材料板带制备设备，其特征是：所述的纤维（5），可以是纤维布，也可以是纤维丝。

6.根据权利要求1所述的一种连续纤维增强金属基复合材料板带制备设备，其特征是：所述的冷却系统（4）布置在铸轧机构（3）出板一侧，对铸轧板（6）进行快速冷却，冷却方式可以是鼓风冷却，也可以是喷水冷却。

7.一种连续纤维增强金属基复合材料板带制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

①按工艺要求调整好辊缝间隙，即调整好上下两个轧辊之间的缝隙尺寸；

②打开纤维送丝机构（1）的前压板（10）和后压板（11），将连续纤维（5）从前压板（10）开口穿入，从后压板（11）开口穿出，然后闭合前压板（10）和后压板（11），调整前压板（10）和后压板（11）的压力，使前压板（10）的压力小于后压板（11）的压力，保证气压过大时气体从前压板（10）溢出，避免气体从后压板（11）溢出形成铸造气孔缺陷；

③调整纤维送丝机构（1）的角度和位置，使纤维出丝口（13）靠近轧辊辊缝并与辊缝对中，把从后压板（11）露头的纤维（5）穿过辊缝；

④开启轧机，使轧辊按设定转速开始转动，对轧辊外表面进行预热；

⑤将金属加热熔融至预定温度；

⑥调整好溢流阀（19）的压力，给纤维送丝机构（1）通入保护气；

⑦开启冷却系统（4）；

⑧把熔融的金属液（21）倒入前箱（2），开始铸轧，铸轧过程中，保证金属液（21）液面高于纤维送丝机构出丝口（13），避免高温纤维（5）与空气接触造成氧化。

8.根据权利要求7所述的一种连续纤维增强金属基复合材料板带制备方法，其特征在于，所述步骤④对轧辊外表面进行预热，预热方法可以是火焰喷射加热，电阻丝辐射加热，也可以是电磁感应加热。

9.根据权利要求7所述的一种连续纤维增强金属基复合材料板带制备方法，其特征在于，所述步骤⑥给纤维送丝机构（1）通入保护气，保护气可以是氮气、氦气或氩气，可以是单一气体也可以是混合气体。

Images