CN112548077A - 一种铝合金-陶瓷复合结构整体液态成型方法 - Google Patents

一种铝合金-陶瓷复合结构整体液态成型方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铝合金‑陶瓷复合结构整体液态成型方法，该方法具体为：在上、下两块铝合金板上加工，用于放置陶瓷且位置及大小相同陶瓷预置体；将陶瓷放置于下铝合金板陶瓷预置体中，盖上上铝合金板，用螺栓固定陶瓷及铝合金板；将组装的铝合金板以及陶瓷放入模具，模具放入加热包内通过加热包进行预热；在真空、惰性保护气下采用加压铸造，将液态铝合金从浇铸口注入，浇铸完成后随炉冷却；将冷却的铸件从模具中取出进行机械加工，切除螺栓螺母部分的铝合金，最后进行固溶时效处理。本发明的方法可以实现陶瓷和铝合金整体成型，具有工艺简单、抗冲击性能好、成形精度高、便于实现工业化生产等优点。

Description

一种铝合金-陶瓷复合结构整体液态成型方法
技术领域
本发明涉及一种铝合金-陶瓷复合结构整体液态成型方法，属于铝合金-陶瓷复合结构制备领域。
背景技术
随着材料的不断的发展，飞机部件在确保安全的前提下逐步要求减重以达到节约减排的目的，铝合金作为一种比强度高，重量轻，加工性能好等优点逐步在飞机上应用。在飞机飞行时，发动机叶片可能由于鸟撞击、外物损伤、高低周疲劳或材料缺陷等原因断裂飞出。此时，如果机匣不能包容失效叶片产生的危害，叶片碎片将有可能切断油管或控制线路，进而击穿机身等，从而导致飞机失控、起火等灾难性的事故。目前来说民用航空发动机风扇机匣一般分为三种：一是金属机匣，主要用高强度钢、钛合金、铝合金并配有加强筋的结构来达到提高抗冲击性能，由于该种铸造工艺较为成熟应用较为广泛；二是纤维缠绕复合材料机匣，这种相对于金属机匣减重明显利于节能减排，未来会成为一种机匣制造的主流趋势；三是全复合材料风扇机匣，主要由碳纤维环氧树脂组成但是目前由于技术不成熟，应用较少。目前来说铝合金机匣依旧应用较为广泛，但是由于机匣对材料抗冲击性能要求较高所以需要铝合金的厚度较厚，且浇铸的模具较为复杂，材料利用率较低后续加工较为复杂。目前汽车的整体设计趋于轻量化、强度高，而铝合金作为轻质金属且强度较高逐步用于汽车领域，日本汽车公司以及本土的奇瑞汽车已经将铝合金用作汽车的防撞梁，使用铝合金后替代了传统的钢结构，车身整体重量减轻达到了节能的目的，但是由于要求抗冲击强度较高因此铝合金防撞梁的厚度较厚，且铸造工艺要求十分苛刻，因此增加了研发成本。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于：对民用航空飞机发动机风扇机匣及汽车防撞梁浇铸过程复杂，材料利用率较低，后续加工繁琐，成本较高等问题，提供了一种铝合金-陶瓷复合结构整体液态成型方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种铝合金-陶瓷复合结构整体液态成型方法。在传统铸造的基础上结合焊接的方法实现固态、液态铝合金以及陶瓷的结合，形成铝合金-陶瓷复合结构。
步骤1加工(与浇铸液态铝合金相同材质)铝合金板两块，在上下两块铝合金板上加工位置及大小相同陶瓷预置体；
步骤2将加工完预置体的铝合金板表面涂覆一层钎剂，添加钎剂可以使铝合金和陶瓷在浇铸过程充分结合，镀镍后陶瓷放入下铝板预置体中，盖上上铝板螺栓紧固；
步骤3将步骤2组装的铝合金板以及柱状陶瓷放入模具，模具放入加热包内通过加热包进行预热，预热是为了消除应力，破坏氧化膜使液、固铝合金的结合面连接强度更高；
步骤4在真空环境下采用加压铸造，将液态铝合金从浇铸口注入，浇铸完成后随炉冷却或在非真空环境下浇铸添加保护剂为了浇铸过程避免杂质气体与铝合金反应或产生气孔影响强度；
步骤5将冷却的铸件从模具中取出进行机械加工，切除螺栓螺母部分的铝合金，最后进行固溶时效处理。
本发明与现有技术相比，其显著优点：1)浇铸工艺简单，成形精度高；2)便于实现大尺寸铝合金陶瓷复合结构板的制备；3)成本低，冲击强度高；4)浇铸样品的内部质量较好，缺陷较少。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1是铝合金-陶瓷复合结构整体液态成型方法。
图2是上、下铝合金板与柱状陶瓷组装示意图。
图3是浇铸模具内部结构示意图。
图4是陶瓷预置体在上、下铝合金板上的均匀分布图。
图5是预热及浇铸过程示意图。
图6是实施例一的铝合金板预置体分布图。
图7是实施例二的铝合金板预置体分布图。
图8是实施例二的上、下铝合金板和球形陶瓷组装图。
具体实施方式
结合图1、图2、图3，图4，图5，本发明的一种铝合金陶瓷一体化成型浇铸方法，本发明的方法包括下属步骤：
步骤一、加工两块铝合金板，板厚度可以根据制备要求选择，在上铝合金板下表面、下铝合金板上表面加工深度为0.3-0.5mm深度的均匀分布的预置体如图4所示，且加工的两板预置体的位置及大小相同，在加工预置体一侧的铝合金板表面及预置体内部涂覆一层钎剂。
步骤二、将陶瓷进行化学镀镍，镀镍层厚度为0.01-0.02mm。随后将陶瓷放入下铝合金板预置体内，然后再将陶瓷对准上铝合金板预置体，陶瓷之间的距离为2-3mm，用螺栓紧固上下铝合金板及陶瓷，固定完成如图2所示。
步骤三、将固定好铝合金板和陶瓷放进图3所示的模具中，再将模具放入加热包之间，如图5所示，利用加热包升温进行预热处理，预热温度为250-350℃，预热30-40min。
步骤四、将与铝合金板相同材质的铝合金加热到720-770℃变成液态铝合金，采用压力铸造，铸造压力为50-80Mpa,浇铸在真空环境下、氩气保护或者添加保护剂下进行。
步骤五、浇铸完成后在如图5所示加热包内进行随炉冷却，通过加热包调节温度从而控制铸件的凝固速度，最后取出铸件，切除螺栓螺母部分的铝合金，随后进行470℃固溶24h，以及140℃时效，消除内应力的影响。
本发明的铝合金陶瓷复合结构有较高的抗冲击性能，因此该结构与纯铝合金相比较薄厚度也可承受相同的冲击，该结构如果用于飞机发动机风扇机匣以及汽车防撞梁会进一步降低汽车以及飞机整体重量且不会降低抗冲击性能。
此外该结构还可以应用于一些防爆产品的外壳，由于陶瓷和铝板的高度均可调，因此可以生产各种尺寸规格的铝合金陶瓷复合结构板。
下面结合实施例对本发明做进一步详细描述：
实施例一
以尺寸为100*100*3mm7A52铝合金薄板和10mm柱状Al2O3陶瓷为例为例。
1.加工100*100*3mm的7A52铝合金薄板两块，随后加工均匀分布的深度为0.3mm直径为10的预置体，且预置体之间的距离为3mm，预置体的排布方式如图6所示，上下薄板的预置体大小及位置相同，在加工预置体一侧铝合金板表面及预置体内部涂覆一层钎剂或预置钎料；
2.将Al2O3陶瓷进行化学镀镍，镀镍层厚度为0.01mm，随后将陶瓷放入下铝合金板的预置体中，再将陶瓷对准上铝合金板的预置体，再用双头螺栓固定铝合金板及陶瓷；
3.将如图2所示陶瓷铝板合金板组装件放入如图3所示的模具中，随后再将模具放入如图5所示的加热包进行预热，预热温度为250℃，预热时间为30min。
4.预热完成后，采用真空压力铸造的方式将720℃的液态的7A52铝合金在真空环境下注入模具，铸造压力为50Mpa，铸造完成后铸件在加热包中进行随炉冷却，立刻关闭加热包加快冷却速度。
5.冷却后的铸件从模具中取出，对铸件尺寸进行精加工切除螺栓螺母部分的7A52铝板，最后进行470℃的固溶24h，140℃的时效24h，对铝合金的强度进行整体强，消除内应力影响。
浇铸完成的铸件尺寸精度较高，内部的缺陷较少，铝合金陶瓷板相比单一铝合金板抗冲击性能更好。
实施例二
以尺寸为150*120*5mm 6061铝合金板和
Figure BDA0002758723930000041
球状SiC陶瓷为例为例。
1.加工150*120*5mm的6061铝合金板两块，随后加工均匀分布的深度为0.5mm直径为
Figure BDA0002758723930000042
的预置体弧坑，且预置体之间的距离为15mm，按如图7所示排列方式进行加工，两块铝板上的预置体的大小及位置相同，随后在加工预置体的一侧铝合金板表面涂覆一层钎剂；
2.对
Figure BDA0002758723930000043
的球状SiC陶瓷进行化学镀镍，镀层厚度为0.02mm，将陶瓷放入下铝合金板预制体上，对准上铝合金板陶瓷预置体进行定位，用螺栓进行固定，如图8所示；
3.将紧固好的铝合金板和陶瓷放入如图3所示的模具中，将模具放入如图5所示的加热包中，设定预热温度为280℃，预热时间40min。
4.预热完成后，在氩气的保护气体下采用压力铸造，铸造压力为60Mpa,将740℃的液态的6061铝合金注入模具，浇铸完成后在加热包中进行随炉冷却，关闭加热包使铸件的冷却速度加快。
5.冷却过后的铸件从模具中取出，机械加工切除螺栓螺母部分的6061的铝合金板，加工完成后进行470℃的固溶24h，140℃的时效24h，消除残余应力的影响并强化铝合金。
浇铸完成的铸件尺寸精度较高，相比之前的浇铸工艺后续加工量较少，内部的缺陷较少，同时抗冲击性能有了较大的提高。

Claims (9)

1.一种铝合金-陶瓷复合结构整体液态成型方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1在上、下两块铝合金板上加工，用于放置陶瓷且位置及大小相同陶瓷预置体；
步骤2将陶瓷放置于下铝合金板陶瓷预置体中，盖上上铝合金板，用螺栓固定陶瓷及铝合金板；
步骤3将步骤2组装的铝合金板以及陶瓷放入模具，模具放入加热包内通过加热包进行预热；
步骤4在真空、惰性保护气下采用加压铸造，将液态铝合金从浇铸口注入，浇铸完成后随炉冷却；
步骤5将冷却的铸件从模具中取出进行机械加工，切除螺栓螺母部分的铝合金，最后进行固溶时效处理。
2.根据权利要求1所述一种铝合金-陶瓷复合结构整体液态成型方法，其特征在于，步骤1中，两块加工完陶瓷预置体的铝合金板表面涂覆一层钎剂涂层或预置钎料。
3.根据权利要求1所述的一种铝合金-陶瓷复合结构整体液态成型方法，其特征在于，步骤2中，陶瓷为柱状、球形或者块状。
4.根据权利要求1所述的一种铝合金-陶瓷复合结构整体液态成型方法，其特征在于，步骤2中，陶瓷放置在陶瓷预置体前进行化学镀镍处理。
5.根据权利要求1所述的一种铝合金-陶瓷复合结构整体液态成型方法，其特征在于，步骤4中，浇铸过程在真空环境下、通入惰性保护气或者添加保护剂。
6.根据权利要求1所述的一种铝合金-陶瓷复合结构整体液态成型方法，其特征在于，步骤4中，铸件在炉中冷却时可以通过加热包实时控制液态铝合金的凝固速度。
7.根据权利要求1所述的一种铝合金-陶瓷复合结构整体液态成型方法，其特征在于，步骤4中压力铸造的压力为50-80Mpa，预热温度为250-350℃，浇铸温度为720-770℃。
8.根据权利要求1所述的一种铝合金-陶瓷复合结构整体液态成型方法，其特征在于，所述的加工铝合金板与浇铸液态铝合金相同材质的两块。
9.根据权利要求1-8任一项所述的方法制备的铝合金-陶瓷复合结构。
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