CN111231375A - Cfrp/铝合金复合结构热成形共固化一体化成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种CFRP/铝合金复合结构热成形共固化一体化成形方法，包括以下步骤：先将可热处理铝合金板材置于加热炉中完全固溶，取出水淬并进行表面粗糙化处理，之后将预浸料铺设于铝合金表面，通过阶梯式升温方式进行热压共固化成形，最后将CFRP/铝合金制件置于加热炉中人工时效。该方法可以实现CFRP与铝合金的一体化成形，有效提升复合结构的抗冲击性能，同时降低材料和制造成本，缩短成形周期，提高工艺效率。

Description

CFRP/铝合金复合结构热成形共固化一体化成形方法
技术领域
本发明涉及一种CFRP/铝合金复合结构热成形共固化一体化成形方法，属于板材成形技术领域。
背景技术
近年来，随着汽车产量与保有量的不断增加，节能与环保已成为全球汽车工业面临的首要问题，世界各国的排放标准也日益严格。在此背景下，提高汽车的燃油经济型，减少温室气体的排放，对汽车产业的可持续发展具有至关重要的意义。汽车轻量化是降低能耗、减少排放最有效的措施之一。在保证汽车强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车整车质量，不仅能有效降低燃油的消耗，还有利于改善汽车的动力性、安全性和操控稳定性。
在车身结构中采用轻量化材料是实现汽车轻量化的一个有效途径。目前，国内外重点开发应用的汽车轻量化材料主要包括高强钢、铝合金、镁合金和复合材料等。铝合金由于具有密度小、耐冲击、耐腐蚀、价格低廉、可回收再利用等优势，成为车身轻量化的首选材料。目前，应用于汽车车身的铝合金板材主要有不可热处理的5系(Al-Mg)和可热处理的6系(Al-Mg-Si)、7系(Al-Zn-Mg-Cu)。对于不可处理的铝合金通常采用加工硬化的方法来提高其强度，对于可热处理的铝合金通常采用时效强化、沉淀强化等方法来提高其强度。在传统的铝合金冷冲压成形工艺中，往往存在变形抗力大、尺寸精度差、回弹严重以及开裂等问题，严重影响冲压件的成形质量。在铝合金的热冲压成形工艺中，需要对铝合金进行固溶、淬火、人工时效等一系列热处理过程，工艺流程耗时较长，成形效率低，并且铝合金在交变热载荷的作用下易产生热变形及残余应力，影响成形件的尺寸及形状精度。另一方面，受限于铝合金材料本身的特性，经过热处理后的铝合金强度距离传统的高强钢强度仍有很大差距，难以得到进一步提升。
碳纤维复合材料由于具有低密度、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性能，在新能源车及各类高端车型的车身结构中获得广泛应用。另一方面，碳纤维复合材料断裂延伸率低，碰撞吸能性较差，原材料及制造成本较高，这些因素都限制了其在汽车工业的进一步推广和应用。同时，现有的碳纤维复合材料成形工艺无法满足高效率、规模化的生产需求。目前碳纤维复合材料成形工艺主要包括热压罐成形工艺和RTM成形工艺，热压罐成形工艺利用热压罐内部的高温压缩气体对预浸料进行加热加压以完成固化，往往需要配合相应的真空设备以达到良好的贴模效果，工艺流程复杂，制造成本较高；RTM工艺则是将液态树脂注入模具型腔浸渍纤维并固化，树脂的注射及浸渍过程耗时较长，并且通常需要高压环境，生产效率较低，这给碳纤维复合材料的大规模工业化应用造成了很大的困难。
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/铝合金复合结构的热成形共固化一体化的成形方法，以提高复合结构零部件的强度，降低材料及制造成本，同时缩短成形周期，提高工艺效率。
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/铝合金复合结构的热成形共固化一体化的成形方法，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进行水淬，获得淬火态铝合金板材；
S3、将淬火态铝合金板材进行表面粗糙化处理，然后将CFRP预浸料铺设于铝合金板材的粗糙表面上，得到预浸料/铝合金层合板；
S4、将预浸料/铝合金层合板放置入模具中，并使预浸料/铝合金层合板的铝合金下表面与下模的上表面相接触；
S5、对模具进行加热，通过接触传热使预浸料/铝合金层合板的温度达到60-80℃时合模，保温，完成预浸料/铝合金层合板的成形；
S6、继续对模具加热，使预浸料/铝合金层合板的温度达到120-180℃，再保温，以完成CFRP预浸料中树脂的固化过程；
S7、将步骤S6处理后得到的CFRP/铝合金制件从模具中取出，并保温进行时效处理；
S8、将时效处理后的CFRP/铝合金制件空冷，即得所述CFRP/铝合金复合结构。
优选地，步骤S1中，所述铝合金板材为可热处理铝合金板材，具体包括2系铝合金、6系铝合金、7系铝合金。
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S3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。处理后的表面粗糙度范围为Ra1.6μm～Ra6.3μm。
优选地，所述CFRP预浸料为快速固化预浸料，指固化时间在15min以内的预浸料，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。
优选地，步骤S5中，所述预浸料/铝合金层合板的升温速度为3-5℃/min，所述保温时间为3-5min。
优选地，步骤S6中，所述预浸料/铝合金层合板的升温速度为3-5℃/min，所述保温时间为5-10min。
优选地，步骤S7中，所述时效处理的温度为120-180℃，保温时间为2-8h。
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。
本发明的方法可以实现CFRP与铝合金的一体化成形，有效提升复合结构的抗冲击性能，同时降低材料和制造成本，缩短成形周期，提高工艺效率。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
(1)CFRP/铝合金复合结构可以综合CFRP与铝合金两种材料的优点，CFRP可以显著提高复合结构的刚度和强度，铝合金可以改善复合结构在冲击作用下的断裂韧性，同时降低复合结构的材料成本；
(2)铝合金与CFRP的共固化工艺可以实现两者的无损连接，无需引入额外的连接工序；同时一体化的热冲压成形方式可以显著提高成形效率，缩短工艺流程，减小成形周期；
(3)铝合金固溶后水淬可以保证在冷却过程中具有足够的冷却速度，避免铝合金在慢冷时析出粗大的平衡相，导致过饱和度下降而影响其时效强化效果，同时水淬可显著降低铝合金的变形抗力，提升塑性；
(4)铝合金表面进行粗糙化处理可以增大铝合金与树脂之间的接触面积，同时在两者的界面间形成一定的机械啮合作用，有效提升铝合金与树脂之间的结合强度；
(5)通过模具表面的热传递来加热预浸料/铝合金层合板可以保证模具表面与层合板表面始终处于热平衡状态，避免在成形过程中模具与层合板发生剧烈的热交换影响成形质量；
(6)在预浸料/铝合金层合板温度达到60-80℃时合模成形。一方面升高温度可以改善铝合金板材的成形性能，提高铝合金的塑性，减小冲压过程中的变形抗力；另一方面随着温度的升高，预浸料中的树脂分子粘度下降，树脂更容易流入铝合金粗糙表面的凹陷中，使CFRP与铝合金结合更为紧密，同时还可以避免因树脂在成形前固化所导致成形困难等问题；
(7)将升温速度控制为3-5℃，同时采用阶梯升温的方式可以避免树脂的固化反应过于激烈，急剧放热使反应物内部产生较大的热应力，影响CFRP/铝合金复合结构的力学性能；
(8)在固化过程结束后将CFRP/铝合金制件转移至加热炉中进行时效处理，可以有效改善热冲压模具的利用率，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CFRP/铝合金复合结构热成形共固化一体化成形方法的温度变化曲线。
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。
以下实施例提供了一种CFRP/铝合金复合结构热成形共固化一体化成形方法，其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450-575℃(T1)的条件下保温30-180min，使合金中的沉淀相充分固溶；
(2)B-C段为淬火阶段，将铝合金板材取出水淬，以获得过饱和固溶体；
(3)C-D段为预处理阶段，通过表面喷砂、阳极氧化等方式对铝合金表面进行粗糙化处理，并将碳纤维(CFRP)预浸料铺设于铝合金板材的粗糙表面，获得预浸料/铝合金层合板；
(4)D-E段为第一次升温阶段，将预浸料/铝合金层合板置于室温状态下的模具上，使铝合金下表面与下模上表面相接触，之后利用加热棒加热模具，通过接触传热使预浸料/铝合金层合板的温度以3-5℃/min的升温速率升高至60-80℃(T3)；
(5)E-F段为等温成形阶段，闭合模具将预浸料/铝合金层合板冲压成形并在60-80℃(T3)的条件下保温3-5min，使层合板达到热平衡状态，同时避免固化反应活性太大急剧放热影响成形质量；
(6)F-G段为第二次升温阶段，继续加热模具，使预浸料/铝合金层合板的温度以3-5℃/min的升温速率升高至120-180℃(T2)，使预浸料中的树脂分子开始发生交联反应固化；
(7)G-H段为保温阶段，将预浸料/铝合金层合板在120-180℃(T2)的温度下保温5-10min，使预浸料中的树脂分子完全固化，同时将CFRP与铝合金结合在一起，获得CFRP/铝合金制件；
(8)H-I段为转移阶段，将CFRP/铝合金制件从模具中取出并转移到加热炉中进行时效；
(9)I-J段为时效阶段，将CFRP/铝合金制件在120-180℃的温度下时效2-8h，使铝合金过饱和固溶体中的强化相弥散析出，以获得良好的时效强化效果；
(10)J-K段为冷却阶段，将CFRP/铝合金制件从加热炉中取出空冷至室温，得到最终的CFRP/铝合金复合结构。
具体实施例如下所示。
实施例1
本实施例采用前述的方法进行，具体步骤如下：
(1)A-B段为固溶阶段，将铝合金6069置于加热炉中，在520℃的条件下保温50min，使合金中的沉淀相充分固溶；
(2)B-C段为淬火阶段，将铝合金板材取出水淬，以获得过饱和固溶体；
(3)C-D段为预处理阶段，通过表面喷砂方式对铝合金表面进行粗糙化处理，并将碳纤维预浸料(CFSJ-1000Z，山东江山纤维科技有限公司)铺设于铝合金板材的粗糙表面，获得预浸料/铝合金层合板；
(4)D-E段为第一次升温阶段，将预浸料/铝合金层合板置于室温状态下的模具上，使铝合金下表面与下模上表面相接触，之后利用加热棒加热模具，通过接触传热使预浸料/铝合金层合板的温度以3℃/min的升温速率升高至60℃；
(5)E-F段为等温成形阶段，闭合模具将预浸料/铝合金层合板冲压成形并在60℃的条件下保温5min，使层合板达到热平衡状态，同时避免固化反应活性太大急剧放热影响成形质量；
(6)F-G段为第二次升温阶段，继续加热模具，使预浸料/铝合金层合板的温度以3℃/min的升温速率升高至160℃，使预浸料中的树脂分子开始发生交联反应固化；
(7)G-H段为保温阶段，将预浸料/铝合金层合板在160℃的温度下保温5min，使预浸料中的树脂分子完全固化，同时将CFRP与铝合金结合在一起，获得CFRP/铝合金制件；
(8)H-I段为转移阶段，将CFRP/铝合金制件从模具中取出并转移到加热炉中进行时效；
(9)I-J段为时效阶段，将CFRP/铝合金制件在160℃的温度下时效4h，使铝合金过饱和固溶体中的强化相弥散析出，以获得良好的时效强化效果；
(10)J-K段为冷却阶段，将CFRP/铝合金制件从加热炉中取出空冷至室温，得到最终的CFRP/铝合金复合结构。
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
本实施例采用前述的方法进行，具体步骤如下：
(1)A-B段为固溶阶段，将铝合金置于加热炉中，在450℃的条件下保温180min，使合金中的沉淀相充分固溶；
(2)B-C段为淬火阶段，将铝合金板2024材取出水淬，以获得过饱和固溶体；
(3)C-D段为预处理阶段，通过表面喷砂方式对铝合金表面进行粗糙化处理，并将碳纤维预浸料(CFSJ-1000Z，山东江山纤维科技有限公司)铺设于铝合金板材的粗糙表面，获得预浸料/铝合金层合板；
(4)D-E段为第一次升温阶段，将预浸料/铝合金层合板置于室温状态下的模具上，使铝合金下表面与下模上表面相接触，之后利用加热棒加热模具，通过接触传热使预浸料/铝合金层合板的温度以5℃/min的升温速率升高至80℃；
(5)E-F段为等温成形阶段，闭合模具将预浸料/铝合金层合板冲压成形并在80℃的条件下保温5min，使层合板达到热平衡状态，同时避免固化反应活性太大急剧放热影响成形质量；
(6)F-G段为第二次升温阶段，继续加热模具，使预浸料/铝合金层合板的温度以5℃/min的升温速率升高至160℃，使预浸料中的树脂分子开始发生交联反应固化；
(7)G-H段为保温阶段，将预浸料/铝合金层合板在160℃的温度下保温10min，使预浸料中的树脂分子完全固化，同时将CFRP与铝合金结合在一起，获得CFRP/铝合金制件；
(8)H-I段为转移阶段，将CFRP/铝合金制件从模具中取出并转移到加热炉中进行时效；
(9)I-J段为时效阶段，将CFRP/铝合金制件在160℃的温度下时效2h，使铝合金过饱和固溶体中的强化相弥散析出，以获得良好的时效强化效果；
(10)J-K段为冷却阶段，将CFRP/铝合金制件从加热炉中取出空冷至室温，得到最终的CFRP/铝合金复合结构。
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
本实施例采用前述的方法进行，具体步骤如下：
(1)A-B段为固溶阶段，将铝合金7075置于加热炉中，在575℃的条件下保温30min，使合金中的沉淀相充分固溶；
(2)B-C段为淬火阶段，将铝合金板材取出水淬，以获得过饱和固溶体；
(3)C-D段为预处理阶段，通过阳极氧化方式对铝合金表面进行粗糙化处理，并将碳纤维预浸料(CFSJ-1000Z，山东江山纤维科技有限公司)铺设于铝合金板材的粗糙表面，获得预浸料/铝合金层合板；
(4)D-E段为第一次升温阶段，将预浸料/铝合金层合板置于室温状态下的模具上，使铝合金下表面与下模上表面相接触，之后利用加热棒加热模具，通过接触传热使预浸料/铝合金层合板的温度以4℃/min的升温速率升高至70℃；
(5)E-F段为等温成形阶段，闭合模具将预浸料/铝合金层合板冲压成形并在70℃的条件下保温5min，使层合板达到热平衡状态，同时避免固化反应活性太大急剧放热影响成形质量；
(6)F-G段为第二次升温阶段，继续加热模具，使预浸料/铝合金层合板的温度以4℃/min的升温速率升高至160℃，使预浸料中的树脂分子开始发生交联反应固化；
(7)G-H段为保温阶段，将预浸料/铝合金层合板在160℃的温度下保温8min，使预浸料中的树脂分子完全固化，同时将CFRP与铝合金结合在一起，获得CFRP/铝合金制件；
(8)H-I段为转移阶段，将CFRP/铝合金制件从模具中取出并转移到加热炉中进行时效；
(9)I-J段为时效阶段，将CFRP/铝合金制件在160℃的温度下时效8h，使铝合金过饱和固溶体中的强化相弥散析出，以获得良好的时效强化效果；
(10)J-K段为冷却阶段，将CFRP/铝合金制件从加热炉中取出空冷至室温，得到最终的CFRP/铝合金复合结构。
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 (8)

1.一种CFRP/铝合金复合结构的热成形共固化一体化的成形方法，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进行水淬，获得淬火态铝合金板材；
S3、将淬火态铝合金板材进行表面粗糙化处理，然后将CFRP预浸料铺设于铝合金板材的粗糙表面上，得到预浸料/铝合金层合板；
S4、将预浸料/铝合金层合板放置入模具中，并使预浸料/铝合金层合板的铝合金下表面与下模的上表面相接触；
S5、对模具进行加热，使预浸料/铝合金层合板的温度达到60-80℃时合模，保温；
S6、继续对模具加热，使预浸料/铝合金层合板的温度达到120-180℃，再保温；
S7、将步骤S6处理后得到的CFRP/铝合金制件从模具中取出，并保温进行时效处理；
S8、将时效处理后的CFRP/铝合金制件空冷，即得所述CFRP/铝合金复合结构。
2.根据权利要求1所述的CFRP/铝合金复合结构的热成形共固化一体化的成形方法，其特征在于，步骤S1中，所述铝合金板材为可热处理铝合金板材，具体包括2系铝合金、6系铝合金、7系铝合金。
3.根据权利要求1所述的CFRP/铝合金复合结构的热成形共固化一体化的成形方法，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。
4.根据权利要求1所述的CFRP/铝合金复合结构的热成形共固化一体化的成形方法，其特征在于，步骤S3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/铝合金复合结构的热成形共固化一体化的成形方法，其特征在于，步骤S5中，所述预浸料/铝合金层合板的升温速度为3-5℃/min，所述保温时间为3-5min。
6.根据权利要求1所述的CFRP/铝合金复合结构的热成形共固化一体化的成形方法，其特征在于，步骤S6中，所述预浸料/铝合金层合板的升温速度为3-5℃/min，所述保温时间为5-10min。
7.根据权利要求1所述的CFRP/铝合金复合结构的热成形共固化一体化的成形方法，其特征在于，步骤S7中，所述时效处理的温度为120-180℃，保温时间为2-8h。
8.一种根据权利要求1-7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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