CN111231366A - Cfrp/铝合金热成形淬火时效共固化一体化成形方法 - Google Patents

Cfrp/铝合金热成形淬火时效共固化一体化成形方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种CFRP/铝合金热成形淬火时效共固化一体化成形方法，包括以下步骤：先将铝合金置于加热炉中进行固溶处理并迅速转移至水冷模具中成形及淬火；之后对铝合金表面进行粗糙化处理并与碳纤维预浸料叠层；最后通过热冲压模具完成CFRP/铝合金的共固化过程及铝合金的时效过程，或者通过热冲压模具完成CFRP/铝合金的共固化过程，再将复合结构转移至加热炉中完成时效过程。该方法可以有效地提升复合结构的强度和成形精度，缩短工艺流程，提高成形效率。

Description

CFRP/铝合金热成形淬火时效共固化一体化成形方法
技术领域
本发明涉及一种CFRP/铝合金热成形淬火时效共固化一体化成形方法，具体涉及一种CFRP/铝合金复合结构热成形-淬火-时效-共固化一体化成形方法，属于板材成形技术领域。
背景技术
安全、环保与节能是当前汽车制造业发展的主题，汽车轻量化是实现节能减排的重要措施之一。相关实验研究表明，汽车质量每减少10％，油耗可降低6％-8％，尾气排放量可减少4％。汽车轻量化主要通过结构优化设计、轻量化材料应用和先进制造技术等方式来实现。其中，采用轻量化材料是降低整车质量的一个重要途径。目前，汽车轻量化材料主要有两类：一类是高强钢等高强度材料，另一类是各种轻质材料，主要包括铝合金、镁合金以及纤维增强复合材料等。
铝合金和碳纤维复合材料是应用最广泛的两种轻量化材料。铝合金具有密度小、成本低、耐冲击、耐磨损、耐腐蚀、可回收再生等优势，能够有效地提升车身的碰撞安全性，在汽车工业和航空航天领域获得了广泛的应用。然而，铝合金在室温下的成形性能较差、回弹严重，利用传统的加工方法很难成形形状复杂的零件。对于可热处理强化铝合金，如Al-Cu(2系)、Al-Mg-Si(6系)、Al-Zn-Mg(7系)，通常在退火态完成零件的成形，然后对成形零件进行热处理以提高其强度。在固溶加热和淬火过程中，零件的热胀冷缩以及不规则的热应力的影响，使得零件的尺寸精度难以保证。
碳纤维复合材料是由环氧树脂基体与碳纤维增强体复合制成的结构材料，具有低密度、高比强度、高比模量、耐疲劳、耐腐蚀、良好的热稳定性与化学稳定性等优异的力学性能，是车身轻量化的理想材料。已有研究表明，在等刚度或等强度的条件下，碳纤维复合材料结构相比低碳钢结构可减重50％以上，相比镁/铝合金结构可减重30％以上，同时可减少70％的装配零件数量。另一方面，碳纤维复合材料具有较低的延伸率和断裂韧性，碰撞吸能性较差，并且成形时间长，固化工艺复杂，制造成本较高，这极大地制约了其在汽车工业的推广和应用。
CFRP/铝合金复合结构是由CFRP与铝合金两种材料交替堆叠而成的混合层状板材结构，综合了CFRP与铝合金两种材料的优点。一方面CFRP可以显著提高复合结构的刚度和强度，另一方面铝合金可以改善复合结构在冲击作用下的吸能特性，同时又保留了两种材料低密度、耐疲劳、耐腐蚀的特点。因此CFRP/铝合金复合结构在车身B柱、前纵梁等关键的车身安全件中具有广阔的应用前景。CFRP与铝合金之间的连接方式是复合结构制备过程中的一个关键问题。目前CFRP/铝合金复合结构的无损连接方式大部分采用胶接工艺，需要分别将铝合金与CFRP单独成形，再利用特定的环氧胶将两者粘合在一起。该方式工艺流程复杂，生产周期长，无法满足车用零部件快速一体化制造的需求；对于复杂形状的零部件，也无法保证铝合金及CFRP表面完全贴合，从而影响成形件的整体性能。因此，亟需发展一种针对CFRP/铝合金复合结构的快速一体化成形工艺。
据检索，现有技术中，专利文献CN109986860A中公开了一种纤维金属复合层板及其成形方法，所述纤维金属复合层板包括两个铝合金层，两个所述铝合金层之间设置有至少两个PEEK树脂层，相邻的两个所述PEEK树脂层之间设置有碳纤维预浸料层。利用成形模具对纤维金属复合层板进行热冲压成形。该方法通过交变电流对CFRP/铝合金层合板进行加热，其加热温度及时间范围无法实现铝合金板材中合金元素的充分固溶，在之后的时效及淬火过程中不能使铝合金过饱和固溶体中的强化相析出，从而无法起到强化效果，另外较高的加热温度有可能会导致CFRP预浸料在热载荷的作用下发生损伤或提前固化等行为，通过电加热的方式来加热层合板又会带来额外的能量消耗；另一方面在该方法中层合板的冲压成形与铝合金的时效热处理分两步进行，将层合板在模具中进行时效热处理又会严重降低热成形模具的利用率，无法满足复合结构快速一体化成形的需求。
发明内容
本发明的目的是针对以上困难，提供一种CFRP/铝合金热成形淬火时效共固化一体化成形方法，具体为一种CFRP/铝合金复合结构的热成形-淬火-时效共固化一体化的成形工艺，以提高CFRP/铝合金复合结构零部件的强度和精度，同时缩短CFRP/铝合金复合结构的生产周期，提高生产效率。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明提供了一种CFRP/铝合金热成形淬火时效共固化一体化成形方法，包括以下步骤：
S1、将铝合金板材进行固溶处理；
S2、将固溶后的铝合金板材转移入水冷模具中，并合模成形；
S3、成形完成之后继续保持合模状态，通过水冷将水冷模具的温度稳定为室温，完成铝合金板材的模内淬火；
S4、对淬火后的铝合金板材取出，然后进行表面的粗糙化处理，并将碳纤维预浸料铺放在铝合金板材的粗糙表面，得到预浸料/铝合金预成形件；
S5、将预浸料/铝合金预成形件置于室温模具中，合模；
S6、将室温模具升温至120-180℃并保温；
S7、将CFRP/铝合金制件取出并空冷，即得所述CFRP/铝合金复合结构。
优选地，步骤S1中，所述固溶处理的温度为450-575℃、保温时间为30-180min。
优选地，步骤S2中，在5s之内进行所述合模成形。
优选地，步骤S4中，所述粗糙化处理包括表面喷砂处理、阳极氧化处理中的至少一种。
优选地，步骤S5中，所述合模时保持压力为0.2-0.8MPa。
优选地，采用时效时间为2h的铝合金板材时，所述步骤S4中采用的碳纤维预浸料为常规碳纤维预浸料，所述步骤S6中采用的升温速率为1-2℃/min、保温时间为2-3h。
优选地，采用时效时间为2h以上的铝合金板材时，所述步骤S4中采用的碳纤维预浸料为快速固化碳纤维预浸料，所述步骤S6中采用的升温速率为3-5℃/min、保温时间为10min；且还包括在步骤S6之后，将得到的预浸料/铝合金制件取出，并保持温度为120-180℃，保温2-10h的步骤。
优选地，所述时效时间为2h的铝合金板材包括6063T1、7A19等；所述常规碳纤维预浸料为固化时间1.5-2.5h的碳纤维预浸料，例如威海光威复合材料股份有限公司生产的型号为USN10000的预浸料。
优选地，所述时效时间为2h以上的铝合金板材包括2219、6061、7075等；所述快速固化纤维预浸料为固化时间15min以内的碳纤维预浸料，例如山东江山纤维科技有限公司生产的型号为CFSJ-1000Z的预浸料。
本发明还提供了一种根据前述的成形方法制备的CFRP/铝合金复合结构。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
(1)固溶处理后将铝合金板坯快速转移到成形模具上完成成形，成形温度接近固溶温度，铝合金具有良好的成形性能，变形抗力和回弹小；
(2)水冷模具可以实现成形零件的快速淬火，保证获得过饱和固溶体；
(3)成形后在模内淬火，可有效避免热畸变，成形件尺寸精度高；
(4)热成形和淬火几乎同时完成，缩短了工艺流程；
(5)铝合金表面进行粗糙化处理可有效增大树脂与铝合金的有效接触面积，同时形成一定的机械啮合作用，从而显著改善两者的界面结合强度；
(6)共固化成形中预浸料中的树脂可同时作为基体和粘接剂，在基体树脂固化的同时即可完成CFRP与铝合金制件的连接，省略了粘接工序，工艺流程简单，制备周期短。
(7)对于时效时间在2h左右的铝合金，选用常规预浸料，使预浸料的固化和铝合金的时效在同一道工序中完成，能够有效缩短工艺流程，减小生产周期；
(8)对于时效时间在2h以上的铝合金，选用快速固化预浸料，在固化过程完成后将复合结构制件转移到加热炉中进行时效，能够显著改善热成形模具利用率，提高生产效率。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为常规固化CFRP/2h时效铝合金复合结构成形温度变化曲线；
图2为快速固化CFRP/2h以上时效铝合金复合结构成形温度变化曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
本实施例提供了一种时效时间在2h左右的铝合金6063T1和常规固化预浸料USN10000(威海光威复合材料股份有限公司生产)所组成的CFRP/铝合金复合结构，其热成形-淬火-时效-共固化一体化成形方法采用的温度变化曲线如图1所示，工艺过程主要包括以下几个阶段：
(1)A-B段为固溶阶段，将铝合金置于加热炉中，在450℃(T1)的条件下加热180min，使合金中的沉淀相充分固溶；
(2)B-C段为转移阶段，将铝合金板材迅速转移至水冷模具上，避免板材温度大幅下降而影响其成形性能；
(3)C-D段为成形阶段，在5s以内进行合模成形，铝合金板材在高温下变形抗力和回弹小，可一次成形具有复杂形状的零件；
(4)D-E段为模内淬火阶段，通过水冷保持模具温度稳定在20-30℃(室温)，保压10-15s，使铝合金板材的冷却速率大于其临界冷却速率，以获得过饱和固溶体，同时避免在淬火敏感温度区间内析出第二相而影响时效强化效果；
(5)E-F段为预处理阶段，通过表面喷砂对铝合金板材表面进行粗糙化处理，以提升共固化过程中CFRP与铝合金的结合强度，并将CFRP预浸料USN10000铺设于铝合金板材的粗糙表面，获得预浸料/铝合金预成形件；
(6)F-G段为升温阶段，将CFRP/铝合金预成形件置于另一套室温状态下的模具中，合模并保持压力为0.5MPa，将模具温度从室温以1-2℃/min的速度升高至160℃，使预浸料中的树脂分子开始发生交联反应固化；
(7)G-H段为预浸料固化及铝合金时效阶段，将模具温度稳定在160℃(T2)保温2h，使预浸料中的树脂分子充分固化，将CFRP与铝合金结合在一起，同时完成铝合金的时效强化过程，使过饱和固溶体中的强化相弥散析出；
(8)H-I段为脱模阶段，将CFRP/铝合金复合结构制件脱模空冷至室温。
本实施例制备的CFRP/铝合金复合结构的界面形貌发现CFRP与铝合金的结合良好，经测试其界面强度可达15-17MPa，证明该方法具有良好的可行性。
实施例2
本实施例提供了一种时效时间在2h以上的铝合金2219和快速固化预浸料CFSJ-1000Z(山东江山纤维科技有限公司生产)所组成的CFRP/铝合金复合结构，其热成形-淬火-时效-共固化一体化成形方法采用的温度变化曲线如图2所示，工艺过程主要包括以下几个阶段：
(1)A-B段为固溶阶段，将铝合金置于加热炉中，在575℃(T1)的条件下加热30min，使合金中的沉淀相充分固溶；
(2)B-C段为转移阶段，将铝合金板材迅速转移至水冷模具上，避免板材温度大幅下降而影响其成形性能；
(3)C-D段为成形阶段，5s以内进行合模成形，铝合金板材在高温下变形抗力和回弹小，可一次成形具有复杂形状的零件；
(4)D-E段为模内淬火阶段，通过水冷保持模具温度稳定在20-30℃(室温)，保压10-15s，使铝合金板材的冷却速率大于其临界冷却速率，以获得过饱和固溶体，同时避免在淬火敏感温度区间内析出第二相而影响时效强化效果；
(5)E-F段为预处理阶段，采用阳极氧化处理对铝合金板材表面进行粗糙化处理，以提升共固化过程中CFRP与铝合金的结合强度，并将CFRP预浸料CFSJ-1000Z铺设于铝合金板材的粗糙表面，获得预浸料/铝合金预成形件；
(6)F-G段为升温阶段，将CFRP/铝合金预成形件置于另一套室温状态下的模具中，合模并保持压力为0.5MPa，将模具温度从室温以3-5℃/min的速度升高至160℃(T2)，使预浸料中的树脂分子开始发生交联反应固化；
(7)G-H段为固化阶段，将模具温度稳定在160℃保温10min，使预浸料中的树脂分子充分固化，将CFRP与铝合金结合在一起；
(8)H-I段为转移阶段，将CFRP/铝合金复合结构制件转移到加热炉中进行时效强化，以提高热成形模具的利用率；
(9)I-J阶段为时效阶段，将CFRP/铝合金复合结构制件在160℃的条件下保温2h，完成铝合金的时效强化过程，使过饱和固溶体中的强化相弥散析出；
(10)J-K阶段为冷却阶段，将CFRP/铝合金复合结构制件从加热炉中取出空冷。
本实施例制备的CFRP/铝合金复合结构的界面形貌发现CFRP与铝合金的结合良好，经测试其界面强度可达15-17MPa，证明该方法具有良好的可行性。
实施例3
本实施例提供了一种时效时间在2h以上的铝合金6061和快速固化预浸料CFSJ-1000Z(山东江山纤维科技有限公司生产)所组成的CFRP/铝合金复合结构，其热成形-淬火-时效-共固化一体化成形方法采用的温度变化曲线如图2所示，工艺过程主要包括以下几个阶段：
(1)A-B段为固溶阶段，将铝合金置于加热炉中，在525℃的条件下加热60min，使合金中的沉淀相充分固溶；
(2)B-C段为转移阶段，将铝合金板材迅速转移至水冷模具上，避免板材温度大幅下降而影响其成形性能；
(3)C-D段为成形阶段，5s以内进行合模成形，铝合金板材在高温下变形抗力和回弹小，可一次成形具有复杂形状的零件；
(4)D-E段为模内淬火阶段，通过水冷保持模具温度稳定在20-30℃，保压10-15s，使铝合金板材的冷却速率大于其临界冷却速率，以获得过饱和固溶体，同时避免在淬火敏感温度区间内析出第二相而影响时效强化效果；
(5)E-F段为预处理阶段，采用阳极氧化处理对铝合金板材表面进行粗糙化处理，以提升共固化过程中CFRP与铝合金的结合强度，并将CFRP预浸料CFSJ-1000Z铺设于铝合金板材的粗糙表面，获得预浸料/铝合金预成形件；
(6)F-G段为升温阶段，将CFRP/铝合金预成形件置于另一套室温状态下的模具中，合模并保持压力为0.5MPa，将模具温度从室温以3-5℃/min的速度升高至160℃，使预浸料中的树脂分子开始发生交联反应固化；
(7)G-H段为固化阶段，将模具温度稳定在160℃保温10min，使预浸料中的树脂分子充分固化，将CFRP与铝合金结合在一起；
(8)H-I段为转移阶段，将CFRP/铝合金复合结构制件转移到加热炉中进行时效强化，以提高热成形模具的利用率；
(9)I-J阶段为时效阶段，将CFRP/铝合金复合结构制件在160℃的条件下保温10h，完成铝合金的时效强化过程，使过饱和固溶体中的强化相弥散析出；
(10)J-K阶段为冷却阶段，将CFRP/铝合金复合结构制件从加热炉中取出空冷。
本实施例制备的CFRP/铝合金复合结构的界面形貌发现CFRP与铝合金的结合良好，经测试其界面强度可达15-17MPa，证明该方法具有良好的可行性。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种CFRP/铝合金热成形淬火时效共固化一体化成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将铝合金板材进行固溶处理；
S2、将固溶后的铝合金板材转移入水冷模具中，并合模成形；
S3、成形完成之后继续保持合模状态，通过水冷将水冷模具的温度稳定为室温，完成铝合金板材的模内淬火；
S4、对淬火后的铝合金板材取出，然后进行表面的粗糙化处理，并将碳纤维预浸料铺放在铝合金板材的粗糙表面，得到预浸料/铝合金预成形件；
S5、将预浸料/铝合金预成形件置于室温模具中，合模；
S6、将室温模具升温至120-180℃并保温；
S7、将CFRP/铝合金制件取出并空冷，即得所述CFRP/铝合金复合结构。
2.根据权利要求1所述的CFRP/铝合金热成形淬火时效共固化一体化成形方法，其特征在于，步骤S1中，所述固溶处理的温度为450-575℃、保温时间为30-180min。
3.根据权利要求1所述的CFRP/铝合金热成形淬火时效共固化一体化成形方法，其特征在于，步骤S2中，在5s之内进行所述合模成形。
4.根据权利要求1所述的CFRP/铝合金热成形淬火时效共固化一体化成形方法，其特征在于，步骤S4中，所述粗糙化处理包括表面喷砂处理、阳极氧化处理中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的CFRP/铝合金热成形淬火时效共固化一体化成形方法，其特征在于，步骤S5中，所述合模时保持压力为0.2-0.8MPa。
6.根据权利要求1所述的CFRP/铝合金热成形淬火时效共固化一体化成形方法，其特征在于，采用时效时间为2h的铝合金板材时，所述步骤S4中采用的碳纤维预浸料为常规碳纤维预浸料，所述步骤S6中采用的升温速率为1-2℃/min、保温时间为2-3h。
7.根据权利要求1所述的CFRP/铝合金热成形淬火时效共固化一体化成形方法，其特征在于，采用时效时间为2h以上的铝合金板材时，所述步骤S4中采用的碳纤维预浸料为快速固化碳纤维预浸料，所述步骤S6中采用的升温速率为3-5℃/min、保温时间为5-10min；且还包括在步骤S6之后，将得到的预浸料/铝合金制件取出，并保持温度为120-180℃，保温2-10h的步骤。
8.根据权利要求6所述的CFRP/铝合金热成形淬火时效共固化一体化成形方法，其特征在于，所述时效时间为2h的铝合金板材包括6063T1、7A19；所述常规碳纤维预浸料为固化时间1.5-2.5h的碳纤维预浸料。
9.根据权利要求7所述的CFRP/铝合金热成形淬火时效共固化一体化成形方法，其特征在于，所述时效时间为2h以上的铝合金板材包括2219、6061、7075；所述快速固化纤维预浸料为固化时间15min以内的碳纤维预浸料。
10.一种根据权利要求1-9任一项所述的成形方法制备的CFRP/铝合金复合结构。
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