CN111136242B - 一种非均质多功能金属基复合材料铸件的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种非均质多功能金属基复合材料铸件的制备方法，属于金属材料加工领域。该方法的步骤包括(1)功能组件和功能熔体的设计；(2)功能组件的制备；(3)功能组件的预热；(4)多功能金属基复合材料铸件的铸造成形；(5)取件，模具清理。本发明能够制备出兼顾各种功能需求的金属基复合材料铸件，满足铸件不同的功能需求。本发明铸造工艺简单，流程少，成本低，符合目前社会节能环保的主题。

Description

一种非均质多功能金属基复合材料铸件的制备方法
技术领域
本发明涉及一种非均质多功能金属基复合材料铸件的制备方法，属于金属材料加工领域。
背景技术
随着科技迅猛发展，对材料的综合性能的要求愈加提高，传统金属材料已渐渐不能满足实际需求，为提升飞行器、汽车等的使用性能，减轻其重量、提高有效载荷、降低能源消耗，具有比强度、比模量高，耐磨性、耐疲劳性、高导热性和低热膨胀系数等特点的金属基复合材料受到极大重视，发展迅速，成为了国内外高新技术领域的重要研究方向之一。
虽然金属基复合材料具有比强度、比模量高，耐磨性、耐疲劳性、高导热性和低热膨胀系数的特点，但是单一的金属基复合材料部件也难以满足宇航、航空、先进动力等高技术领域对材料提出的更严苛的要求，因此兼具各种功能的金属基复合材料的研究和制备显得愈加重要，其非均质的特性在特定环境下相比均质复合材料具有非常优异的性能，可以发挥不同金属或金属基复合材料的优点，又能克服各自的弱点。因此它的出现引起众多领域研究者的重视，并且发展成为当前结构材料研究领域中的重要课题之一，应用前景广阔。
但是目前兼具各种功能的金属基复合材料及其部件的制备方法还远未达到规范化和实用化，大多数情况下的工程实践都是通过批量生产的大量均质材料进行零件设计，然后进行复合而成，而且功能层之间的界面结合差、缺陷多仍然是一个难以克服的问题，造成金属基复合材料部件未达到应有的性能。而且流程长，成本高昂，因此如何高效制备兼具各种功能的金属基复合材料部件成为研究重点。
发明内容
为了避免金属基复合材料各功能层出现的界面结合差，缺陷多、性能不高、生产成本高等问题，本发明提供一种非均质多功能金属基复合材料铸件的制备方法。
一种非均质多功能金属基复合材料铸件的制备方法，该方法包括如下步骤：
(1)功能组件和功能熔体的设计：根据铸件各部分不同功能的需要，设置功能组件和功能熔体；
根据多功能金属基复合材料铸件的功能需求和结构特点，对铸件的各功能组件进行功能设计和结构设计；在功能设计时，根据各组件的性能和功能需求，选择合适的材料、成分与配比；在结构设计时，首先根据各组件的功能需要，优化需要满足的结构设计，同时统筹考虑模具设计的方便及其成形需要；
在对功能熔体进行设计时，选择功能熔体的材料、成分以及配比，以满足铸件具备单一或多种功能的需求；
(2)功能组件的制备：根据功能组件需要满足的功能特点以及选定的材料、成分及配比，制备功能组件；
(3)功能组件的预热：对功能组件进行预热；
(4)多功能金属基复合材料铸件的铸造成形：将预热完毕的功能组件转移输送到已经达到预定温度的模具型腔中，然后将功能熔体倒入模具型腔中，闭合模具，加压保压，使功能熔体与功能组件进行良好的冶金结合，获得界面良好的非均质多功能金属基复合材料铸件；
(5)取件，模具清理：铸造结束时，打开模具，将铸件从模具型腔中取出，然后清理模具，喷涂脱模剂，重复上述流程，进入下一次铸造。
本发明方法中，功能组件为具有高强度、高韧性、高导热、高导电、高耐磨、高导磁和高屏蔽中一种或多种功能特点的组件；功能组件可采用金属材料功能组件，也可采用金属基复合材料功能组件。
本发明方法中，功能熔体为具有高强度、高韧性、高导热、高导电、高耐磨、高导磁和高屏蔽中一种或多种功能的熔体；功能熔体可为金属熔体，也可为金属基复合材料熔体；所述的功能熔体状态可为液态熔体，也可为半固态熔体；所述的半固态熔体为采用半固态加工技术制备的半固态金属熔体或半固态金属基复合材料熔体。
本发明方法步骤(2)中，金属材料功能组件采用金属半固态成形技术制备，金属基复合材料功能组件采用半固态搅拌熔铸法、粉末冶金法、压力浸渗法，喷射沉积法或原位反应法制备。
本发明方法步骤(3)中，功能组件的预热方式可采用电阻炉加热或电磁感应加热方式。预热温度控制在功能组件材料熔点以下10-200℃，功能组件预热温度均匀性为±5℃之内。预热完毕后，功能组件所处的状态为半固态，可方便夹持、转移输送，预热可使各功能组件和功能熔体形成牢固的界面。
本发明方法步骤(4)中，铸件在铸造成形时，熔体受到的成形压力为20-150MPa，保压压力为50-200MPa，保压时间为5-20秒，模具的预热温度为200-600℃。铸件可采用压力铸造、挤压铸造、差压铸造、低压铸造、半固态铸造或真空铸造制备。
本发明方法中，根据铸件不同功能的需要，设置多个具有不同功能的功能组件，然后采用一种或多种功能熔体将它们焊合在一起。采用多种不同功能组件和功能熔体可以制备出兼具多种功能的金属基复合材料铸件。
本发明的优点：本发明铸造工艺简单，流程少，成本低，符合目前社会节能环保的主题；制备的高耐磨高强韧金属基复合材料兼顾了铸件不同功能的需求。本发明能够制备出兼顾各种功能需求的金属基复合材料铸件，满足铸件不同的功能需求。
附图说明
图1是高耐磨高强韧铝基复合材料制动毂示意图。
图2是高耐磨高强韧铝基复合材料刹车鼓示意图。
图3是制备的高耐磨铝基复合材料组件示意图。
图4是高耐磨高强韧铝基复合材料铸件铸造成形示意图。
图5是高导热高强韧铝基复合材料IGBT基板铸件示意图。
图6是高导热IGBT散热板组件示意图。
主要附图标记说明：
1 制动毂 1-1 轮辋
1-2 轮辐 2 刹车鼓
2-1 刹车壁 2-2 支撑壁
3 功能组件 4 上模具
5 模具型腔 6 下模具
7 散热针脚 8 散热基板
具体实施方式
本发明可以根据以下实例实施，但不限于此，这些实施例只是为了举例说明本发明实施过程，而非以任何方式限制本发明的范围，在以下的实施例中，未详细描述的各种过程和方法是本领域中公知的常规方法。
一种非均质多功能金属基复合材料铸件的制备方法，该方法包括如下步骤：
(1)功能组件和功能熔体的设计
根据多功能金属基复合材料铸件的功能需求和结构特点，对铸件的各功能组件进行功能设计和结构设计；在功能设计时，根据各组件的性能和功能需求，选择合适的材料、成分与配比；在结构设计时，首先根据各组件的功能需要，优化需要满足的结构设计，同时统筹考虑模具设计的方便及其成形需要；
在对功能熔体进行设计时，需要统筹选择功能熔体的材料、成分以及配比，以满足铸件具备单一或多种功能的需求。
(2)功能组件的制备
在功能组件设计完毕后，根据组件需要满足的功能特点以及选定的材料、成分及配比，采用合适的制备方法，进行功能组件的制备。
(3)功能组件的预热
为了使各功能组件和功能熔体形成牢固的界面，需要对功能组件进行预热。预热方式可采用电阻炉加热或电磁感应加热方式。预热温度控制在功能组件材料熔点以下10-200℃，功能组件预热温度均匀性为±5℃之内。预热完毕后，功能组件的状态为半固态，可方便转移输送。
(4)多功能金属基复合材料铸件的铸造成形
如图4所示，将预热完毕的功能组件3转移输送到已经达到预定温度的模具型腔5中，然后将功能熔体倒入模具型腔5中，闭合上模具4和下模具6，使功能熔体与功能组件3在较高的压力下进行良好的冶金结合，获得界面良好的非均质多功能金属基复合材料铸件。熔体受到的成形压力为20-150MPa，保压压力50-200MPa，保压时间为5-20秒，模具预热温度为200-600℃。
(5)取件，模具清理
铸造结束时，打开模具，将铸件从模具型腔中取出，然后清理模具，喷涂脱模剂，重复上述流程，进入下一次铸造。
实施例1
本实施例制备直径450mm规格的复合材料制动毂1铸件，如图1所示，制动毂轮辋1-1壁厚15mm，轮辋1-1外壁需要耐磨，而轮辐1-2需要具有高的强韧性。
采用的制备工艺过程如下：
(1)高耐磨轮辋1-1功能组件和高强韧轮辐1-2用功能熔体的设计
根据制动毂轮辋1-1外壁需要耐磨的要求，在制动毂轮辋1-1外壁采用15％SiCp/A357碳化硅颗粒增强铝基复合材料组件，厚度为6mm，根据铸件的形状要求，可设计成圆环状高耐磨复合材料功能组件3。而根据制动毂轮辋1-1内壁及轮辐1-2需要高强高韧的要求，采用具有高强韧功能的7050铝合金熔体进行铸造而成，这样可使制动毂铸件1兼具高的耐磨性和高的强韧性。
(2)高耐磨复合材料功能组件的制备
为了成本的考虑，采用半固态搅拌熔铸法进行制备高耐磨复合材料圆环功能组件3，如图3所示。
(3)高耐磨复合材料功能组件的预热
为了使高耐磨复合材料功能组件3内壁与后倒入的7050高强韧铝合金熔体进行良好的冶金结合，获得良好的界面，对制备的高耐磨复合材料功能组件3进行预热。预热采用电阻炉加热方式，预热温度为600℃，预热温度均匀性为±3℃，预热完毕后，高耐磨复合材料功能组件3已经达到半固态状态。
(4)高耐磨高强韧铝基复合材料制动毂铸件的铸造成形
如图4所示，将预热完毕的半固态高耐磨复合材料功能组件3转移输送到已经达到预定温度的模具型腔5中，然后将7050高强韧铝合金熔体倒入模具型腔5中，闭合上模具4和下模具6，使高强韧7050铝合金熔体与半固态高耐磨复合材料功能组件3在较高的压力下进行良好的冶金结合，获得界面良好的高耐磨高强韧金属基复合材料铸件1。高强韧7050铝合金熔体温度为720℃，熔体受到的成形压力为120MPa，保压压力150MPa，保压时间为10秒，模具预热温度为450℃。
(5)取件，模具清理
铸造结束时，打开上模具4、下模具6，将铸件从模具型腔5中取出，然后清理模具，喷涂脱模剂，重复上述流程，进入下一次铸造。
实施例2
本实施例制备规格为18英寸的铝基复合材料汽车刹车鼓2，刹车鼓的刹车壁厚度为20mm，如图2所示，该刹车鼓2要求刹车壁2-1耐磨，刹车壁支撑壁2-2需具备较高的强度和韧性。
采用的制备工艺过程如下：
(1)高耐磨刹车壁组件和高强韧支撑壁用功能熔体的设计
根据刹车鼓刹车壁2-1需要耐磨的要求，在刹车壁2-1采用25％SiCp/A357碳化硅颗粒增强铝基复合材料组件，厚度为8mm，根据铸件的形状要求，设计成高耐磨复合材料圆环功能组件3。而根据支撑壁2-2需要高强度高韧性的要求，采用具有较高强韧性功能的A357铝合金熔体进行铸造成形，这样可使刹车鼓2铸件兼具高的耐磨性和高的强韧性。
(2)高耐磨复合材料功能组件的制备
采用粉末冶金法进行制备高耐磨复合材料圆环功能组件3，如图3所示。
(3)高耐磨复合材料组件的预热
为了使高耐磨圆环功能组件3外壁与后倒入的A357铝合金熔体进行冶金结合，获得良好的界面，对制备的高耐磨的复合材料圆环功能组件3进行预热。预热采用电阻炉加热方式，预热温度为580℃，预热温度均匀性为±3℃，此时圆环功能组件3已经达到半固态状态。
(4)高耐磨高强韧铝基复合材料刹车鼓铸件的铸造成形
如图4所示，将预热完毕的半固态高耐磨复合材料功能组件3转移输送到已经达到预定温度的模具型腔5中，然后将具有较高强度和韧性的A357铝合金熔体倒入模具型腔5中，闭合上模具4和下模具6，使A357铝合金熔体与半固态高耐磨复合材料功能组件3在较高的压力下进行良好的冶金结合，获得界面良好的高耐磨高强韧金属基复合材料刹车鼓2铸件。A357铝合金熔体温度为720℃，成形压力为100MPa，保压压力130MPa，保压时间为8秒，模具预热温度为400℃。
(5)取件，模具清理
铸造结束时，打开上模具4、下模具6，将铸件从模具型腔5中取出，然后清理模具，喷涂脱模剂，重复上述流程，进入下一次铸造。
实施例3
本实施例制备一种IGBT针脚基板，如图5所示，该基板由散热基板8与散热针脚7组成，散热基板8要求高导热，散热针脚7除具有一定的散热效果外，还需具有一定的强度和韧性。
采用的制备工艺过程如下：
(1)高导热散热基板功能组件和高强韧性散热针脚功能熔体的设计
根据基板散热基板8需要高导热的要求，采用高导热的体积含量为60％的SiCp/Al10Si8Mg铝基复合材料散热基板8作为功能组件。而根据散热针脚7需具有一定的强度和韧性的要求，采用Al10Si8Mg铝合金，这样可使针脚具有较高的强度和韧性。
(2)高导热复合材料功能组件的制备
采用浸渗法制备高导热复合材料散热基板8，如图6所示。
(3)高导热复合材料功能组件的预热
为了使高导热功能组件散热基板8与后倒入的Al10Si8Mg铝合金熔体进行冶金结合，获得良好的界面，对制备的高导热功能组件散热基板8进行预热。预热采用电阻炉加热方式，预热温度为570℃，预热温度均匀性为±3℃，此时功能组件散热基板8已经达到半固态状态。
(4)高导热高强韧铝基复合材料IGBT针脚基板的铸造成形
将预热完毕的半固态高导热复合材料功能组件散热基板8转移输送到已经达到预定温度的模具型腔5中，然后将具有较高强度和韧性的Al10Si8Mg铝合金熔体倒入模具型腔5中，闭合上模具4、下模具6，使Al10Si8Mg铝合金熔体与半固态高导热复合材料功能组件散热基板8在较高的压力下进行良好的冶金结合，获得界面良好的高导热高强韧金属基复合材料IGBT基板。Al10Si8Mg铝合金熔体温度为700℃，成形压力为110MPa，保压压力140MPa，保压时间为10秒，模具预热温度为420℃。
(5)取件，模具清理
铸造结束时，打开上模具4、下模具6，将铸件从模具型腔5中取出，然后清理模具，喷涂脱模剂，重复上述流程，进入下一次铸造。
本发明上述非均质多功能金属基复合材料铸件，铸件可采用压力铸造、挤压铸造、差压铸造、半固态铸造、真空铸造制备。
以上实例仅用于说明本发明制备方法的技术方案而非限制，本发明也可制备兼具高导热和高强韧的铸件，也可制备兼具高屏蔽和高强韧的铸件，也可制备兼具高导磁和高耐磨的铸件。总之，可根据铸件不同功能的需要，制备出兼具不同功能的金属基复合材料铸件。

Claims (6)

1.一种非均质多功能金属基复合材料铸件的制备方法，包括如下步骤：
（1）功能组件和功能熔体的设计：根据铸件各部分不同功能的需要，设置功能组件和功能熔体；
根据多功能金属基复合材料铸件的功能需求和结构特点，对铸件的各功能组件进行功能设计和结构设计；在功能设计时，根据各组件的性能和功能需求，选择合适的材料、成分与配比；在结构设计时，首先根据各组件的功能需要，优化需要满足的结构设计，同时统筹考虑模具设计的方便及其成形需要；
在对功能熔体进行设计时，选择功能熔体的材料、成分以及配比，以满足铸件具备单一或多种功能的需求；
（2）功能组件的制备：根据功能组件需要满足的功能特点以及选定的材料、成分及配比，制备功能组件；所述的功能组件为具有高强度、高韧性、高导热、高导电、高耐磨、高导磁和高屏蔽中一种或多种功能的组件；所述的功能组件为金属材料功能组件，或金属基复合材料功能组件；
（3）功能组件的预热：对功能组件进行预热；所述预热的温度控制在功能组件材料熔点以下10-200℃，功能组件预热温度均匀性为±5℃之内；预热后，功能组件的状态为半固态；
（4）多功能金属基复合材料铸件的铸造成形：将预热完毕的功能组件转移输送到已经达到预定温度的模具型腔中，然后将功能熔体倒入模具型腔中，闭合模具，加压保压，使功能熔体与功能组件进行良好的冶金结合，获得界面良好的非均质多功能金属基复合材料铸件；所述的铸件在铸造成形时，熔体受到的成形压力为20-150MPa，保压压力为50-200MPa，保压时间为5-20秒，模具的预热温度为200-600℃；所述的功能熔体为具有高强度、高韧性、高导热、高导电、高耐磨、高导磁和高屏蔽中一种或多种功能的熔体；所述的功能熔体为金属熔体或金属基复合材料熔体；
（5）取件，模具清理：铸造结束时，打开模具，将铸件从模具型腔中取出，然后清理模具，喷涂脱模剂，重复上述流程，进入下一次铸造。
2.根据权利要求1所述的非均质多功能金属基复合材料铸件的制备方法，其特征在于：所述的金属材料功能组件采用金属半固态成形技术制备，所述的金属基复合材料功能组件采用半固态搅拌熔铸法、粉末冶金法、压力浸渗法，喷射沉积法或原位反应法制备。
3.根据权利要求1所述的非均质多功能金属基复合材料铸件的制备方法，其特征在于：所述的功能熔体状态为液态熔体或半固态熔体；所述的半固态熔体为采用半固态加工技术制备的半固态金属熔体或半固态金属基复合材料熔体。
4.根据权利要求1所述的非均质多功能金属基复合材料铸件的制备方法，其特征在于：所述的功能组件的预热方式为采用电阻炉加热或电磁感应加热方式。
5.根据权利要求1所述的非均质多功能金属基复合材料铸件的制备方法，其特征在于：所述的铸件采用压力铸造、挤压铸造、差压铸造、低压铸造、半固态铸造或真空铸造制备。
6.根据权利要求1所述的非均质多功能金属基复合材料铸件的制备方法，其特征在于：根据铸件不同功能的需要，设置多个具有不同功能的功能组件，然后采用一种或多种功能熔体将它们焊合在一起。
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