CN117733143A - 一种B4C增强6082Al复合材料一体化制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种B4C增强6082Al复合材料一体化制备工艺，包括步骤：配制复合材料粉末；放置包套，向包套内注入粉末；上模杆下行压缩粉末成为预制坯；补偿模下行并与包套接触；垫板移开；上模杆和补偿模同步下行下压包套进入第一镦粗区；温控装置加热；下模杆上行至第二镦粗区；上、下模杆同步下行，复合材料完成正向变形过程；上、下模杆同步上行，复合材料完成反向变形过程；循环完成多道次正反向变形过程；取出复合材料块体；装置复位。本发明实现了B4C增强6082Al复合材料注粉、制坯、变形的一体化、短流程制备；利用镦粗变形降低材料缩径与挤扭变形的不均匀性，实现大变形量的均匀积累；借助剧烈塑性变形的变形能实现低温固结，避免生成有害界面相。
Description
技术领域
本发明涉及金属粉末加工技术领域，特别是涉及一种B4C增强6082Al复合材料一体化制备工艺。
背景技术
中子屏蔽材料是乏燃料贮运组件的关键材料，金属基复合材料兼具金属基体与增强体的性能优势，近年来发展成为最具应用前景的中子屏蔽材料。其中，碳化硼（B4C）增强铝基复合材料兼具轻质、高强、良好的导热性、耐腐蚀性及热中子吸收性能，是用于乏燃料贮运的比较理想的中子屏蔽材料。与常规的6061Al和6063Al相比，6082Al中杂质Fe元素含量少，强度更高，塑性、焊接性能以及耐腐蚀性能更好，是中子屏蔽材料更为理想的候选金属基体。
B4C增强铝基复合材料常用的制备方法主要包括搅拌铸造法、浸渗法和粉末冶金法。搅拌铸造法难以制备高体积分数的B4C增强铝基复合材料（≤12wt.%）；且增强体B4C容易出现团聚现象，在复合材料内部产生孔洞、微裂纹等缺陷。浸渗法的制备材料尺寸不受限制，B4C的质量分数可以达到很高（≤65wt.%），但B4C颗粒分布均匀性差。粉末冶金工艺能准确控制B4C的比例，但烧结工艺温度较高（≥450℃），会发生有害的界面反应，产生脆性的金属间化合物，降低界面结合强度，常需要进行二次塑性加工以提高综合性能。综上，传统的制备方法很难对B4C增强6082Al复合材料的颗粒含量、界面强度、晶粒尺寸和相对密度等进行协同优化，不能充分挖掘材料的性能潜力。
大塑性变形法能够在较高的静水压力下通过剧烈的塑性变形在较低的温度下实现复合粉末的颗粒分散和致密固结，同时细化基体晶粒组织，改善第二相的分布，从而为提高复合材料的综合服役性能提供了新思路。因此，构建以6082Al为基体的B4C增强铝基复合材料体系，并基于大塑性变形技术开发高性能制备装置及方法，在复合材料的工程化制备中具有更为广阔的应用前景。但是，若将复合材料粉末直接加入模具中，需将粉末充满整个变形型腔，再进行变形，易出现粉末泄漏、团聚，且端部的粉末经受的变形量较小，难以满足固结需求；若将复合材料粉末装在包套中变形，需要先根据包套的高度将粉末制坯，再将所制料坯装入包套中，再进行变形，卸料、装料操作繁琐，粉末冷压制坯裂纹多、易碎。亟需发明注粉、制坯、变形一体化装置，实现B4C增强6082Al复合材料一体化制备。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：本发明针对现有技术存在的不足，提出一种B4C增强6082Al复合材料一体化制备工艺，在一台装置上实现复合材料注粉、制坯、变形一体化制备，直接在包套中进行复合材料粉末装压以制备预制坯，预制坯无需烧结，实现B4C增强6082Al复合材料的短流程制备；利用镦粗变形降低材料缩径与挤扭变形的不均匀性，实现大变形量的均匀积累；借助剧烈塑性变形的变形能实现低温固结，避免生成有害界面相。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：
一种B4C增强6082Al复合材料一体化制备装置，包括压力机、固定设置于压力机的顶部并向下垂向输出的主液压缸、固定压力机的工作台下方并向上垂向输出且与主液压缸同轴设置的副液压缸，所述工作台的顶面上固定设置有模座，模座的顶面中心固定设置有紧固圈，紧固圈的外侧套设有温控装置，紧固圈的内侧活动套设有变形模，所述副液压缸的输出端固定连接有下模杆，下模杆的顶端活动贯穿工作台和模座并进入变形模的内部变形腔的下半段内；
所述变形模的正上方设置有可垂向升降的制坯模，制坯模内活动套设有与变形模同轴设置的包套，制坯模的底面和紧固圈的顶面之间设置有可水平移动的垫板；
所述主液压缸的输出端底面上固定设置有上模杆基座，上模杆基座的底端固定设置有导向座，导向座内转动安装有垂向设置并与包套同轴设置的上模杆，上模杆基座的内部固定设置有驱动上模杆转动的补偿驱动机构，上模杆的外侧螺纹套接有滑动设置于导向座内的补偿模，上模杆和补偿模的底端可活动插入变形模的内部变形腔的上半段内；
所述压力机的顶部还固定设置有定量排料机构，定量排料机构的出料端可活动地位于包套的顶部端口正上方或位于包套的顶部一侧。
进一步的，所述变形模的内部变形腔包括顶端的第一镦粗区、底端的第二镦粗区以及光滑连通第一镦粗区和第二镦粗区的缩颈区，所述缩颈区的内径均小于第一镦粗区和第二镦粗区的内径。
进一步的，所述第二镦粗区的侧壁上设置有至少一圈螺旋结构的扭转区。
进一步的，所述变形模为由两个半模相对贴合形成的倒锥台体结构，所述紧固圈的内部开设有与变形模相匹配的锥形通孔。
进一步的，所述变形模的外侧壁上一体设置有沿母线方向分布的凸条，所述紧固圈的锥形通孔内壁上开设有与凸条相匹配的凹槽。
进一步的，所述紧固圈的外侧壁上还固定设置有通水管，通水管的进水端与外部的供水设备连接、出水端与外部的集水箱连接。
进一步的，所述工作台的顶面两侧分别固定设置有升降驱动机构，升降驱动机构的顶部动力输出端固定连接有升降梁杆，所述制坯模固定连接于升降梁杆上。
进一步的，所述工作台的顶面一侧固定设置有垫板驱动，所述垫板固定连接于垫板驱动的水平动力输出端上。
进一步的，所述补偿驱动机构包括固定设置于上模杆基座内部的补偿驱动电机、固定安装于补偿驱动电机动力输出端的第一主动齿轮、固定连接于上模杆的顶端并与第一主动齿轮啮合传动连接的第一从动齿轮。
进一步的，所述定量排料机构包括固定设置于主液压缸一侧的储料支架、固定连接于储料支架底部的储料桶、固定连接于储料支架上并位于储料桶上方的排料驱动机构，所述储料桶内同轴地转动安装有螺旋送料杆，排料驱动机构的动力输出端与螺旋送料杆的顶端传动连接，储料桶的底端出料口转动连接有排料管，排料管的出口端设置有电磁控制阀，储料桶的底面上设置有驱动排料管转动的换位驱动机构。
进一步的，所述储料桶的外侧固定设置有干燥器，储料桶的顶壁或侧壁顶部开设有出气孔。
还提出了一种B4C增强6082Al复合材料一体化制备工艺，该工艺包括以下步骤：
S1：将复合材料粉末存于定量排料机构内，使复合材料粉末处于可送料状态；
S2：将包套放置于制坯模内，定量排料机构向包套内注入预设质量的复合材料粉末，定量排料机构复位；
S3：主液压缸工作，驱动上模杆下行并插入包套内，上模杆压缩复合材料粉末制备获得复合材料预制坯，主液压缸保压预设时间后暂停工作；
S4：补偿驱动机构工作，驱动上模杆转动，通过螺纹传动使补偿模下降，直至补偿模下端面与包套上端面接触，补偿驱动机构暂停工作；
S5：垫板驱动机构工作，驱动垫板水平移动预设距离至紧固圈的顶面一侧；
S6：主液压缸继续工作，驱动上模杆和补偿模同步下行预设距离，将预制坯和包套下压至变形模内的第一镦粗区后，主液压缸暂停工作；
S7：温控装置工作，将变形模和预制坯加热至预设温度后保温；
S8：副液压缸工作，驱动下模杆上行预设距离，直至下模杆上端面到达变形模内的第二镦粗区上端部，副液压缸暂停工作；
S9：主液压缸工作，下压预制坯和包套一起通过缩径区，使包套的底端到达第二镦粗区并与下模杆的顶端相抵，副液压缸提供预设的背压力，并配合主液压缸驱动下模杆与上模杆同步下行，复合材料经过缩径区产生缩径变形，经过缩径区的复合材料在第二镦粗区发生镦粗，到达扭转区的复合材料发生扭转变形，待上模杆的下端面到达第一镦粗区底部时，主液压缸和副液压缸均暂停工作，完成复合材料的正向变形过程；
S10：副液压缸工作，主液压缸提供预设的背压力，并配合副液压缸驱动上模杆与下模杆同步上行，复合材料在扭转区再次产生扭转变形，再经过缩径区再次产生缩径变形，经过缩径区的复合材料在第一镦粗区再次产生镦粗，待下模杆的上端面到达第二镦粗区上端部时，主液压缸和副液压缸均暂停工作，完成复合材料的逆向变形过程；
S11：重复步骤S9至S10，使复合材料发生持续性的大塑性变形，实现复合材料固结致密后，主液压缸、副液压缸、补偿驱动机构均复位，温控装置暂停工作；
S12：升降驱动机构驱动制坯模上升，将变形模从紧固圈内取出，将变形后的复合材料从变形模内取出，将随复合材料一起变形的包套去除，得到复合材料块体；
S13：将变形模重新放入紧固圈内，垫板驱动机构反向工作驱动垫板复位，重复S2-S12，完成下一个复合材料块体的制备。
进一步的，所述复合材料的组分按质量计，B4C粉的含量为5%~30%，余量为6082Al粉。
进一步的，B4C粉的初始粒径为5~20μm，6082Al粉的初始粒径为20~40μm。
进一步的，B4C粉的初始粒径中5~8μm的粒径与15~20μm的粒径质量比为1:3。
进一步的，复合材料在变形模中的变形温度为200~350℃。
进一步的，所述包套的材质为6082Al。
进一步的，在步骤S11中，复合材料经过一定道次的复合变形和温控装置暂停工作后，待变形模的温度降低至室温时，再次进行一定道次的复合变形，完成复合材料块体的低温形变强化过程；
进一步的，变形模通过在紧固圈的外侧通入冷却水使复合材料块体的温度快速将至室温。
与现有技术相比较，本发明的有益效果如下：
1、本发明的B4C增强6082Al复合材料中，B4C的含量最大为30%，B4C粉初始粒径为混合粒径，5~8μm与15~20μm的比为1:3，6082Al粉初始粒径为20~40μm，达到既可以提升复合材料的中子屏蔽性能和力学性能，又避免由于粉末团聚导致力学性能降低的效果；由B4C、6082Al复合粉末冷压制坯，经多道次背压往复挤压、镦粗、挤扭复合变形，实现复合材料免烧结低温固结，避免生成有害界面相，提升了材料的界面强度与致密度，细化了晶粒尺寸。
2、本发明的B4C增强6082Al复合材料一体化制备装置，在一台装置上实现复合材料注粉、制坯、变形一体化制备，直接在包套中进行复合材料粉末装压以制备预制坯，避免单独制坯中存在的转运易碎的问题，通过补偿模实现粉末压缩后预制坯和包套同时变形的需求；预制坯无需烧结，实现B4C增强6082Al复合材料的短流程制备。
3、本发明中，变形模的内部变形腔包括第一镦粗区、缩径区、第二镦粗区和扭转区，复合材料在变形模中进行正向变形时，由上至下依次发生缩径变形、背压镦粗和扭转变形，进行逆向变形时，由下至上依次发生扭转变形、缩径变形和背压镦粗，实现复合材料预制坯的大塑性变形；将缩径与镦粗变形相复合，再结合挤扭变形，利用镦粗变形降低材料缩径与挤扭变形的不均匀性，实现大变形量的均匀积累；变形温度为200~350℃，借助剧烈塑性变形的变形能实现低温固结，避免生成有害界面相。
附图说明
图1为本发明的B4C增强6082Al复合材料一体化制备装置的立体结构示意图；
图2为本发明的B4C增强6082Al复合材料一体化制备装置的主视结构示意图；
图3为图2中A部的放大结构示意图；
图4为所述变形模的其中一个半模的立体结构示意图之一；
图5为所述变形模的其中一个半模的立体结构示意图之二；
图6为所述变形模的内部变形腔的结构示意图；
图7为所述紧固圈的立体结构示意图；
图8为所述变形模在紧固圈内组配状态的立体结构示意图；
图9为图2中B部的放大结构示意图；
图10为所述上模杆及补偿驱动机构的立体结构示意图；
图11为所述导向座的立体结构示意图；
图12为所述补偿模与上模杆组配状态的立体结构示意图；
图13为所述定量排料机构的立体结构示意图；
图14为图13中C部的放大结构示意图；
图15为本发明的B4C增强6082Al复合材料一体化制备工艺的工艺流程框图。
图中：1压力机、101工作台、2主液压缸、3副液压缸、4模座、5紧固圈、501凹槽、502锥形通孔、503固定槽、504导向侧板、6温控装置、7变形模、701第一镦粗区、702第二镦粗区、703缩颈区、704扭转区、705凸条、706插接柱、8下模杆、9制坯模、901升降驱动机构、902升降梁杆、10包套、11垫板、111垫板驱动机构、12上模杆基座、13上模杆、14补偿驱动机构、141补偿驱动电机、142第一主动齿轮、143第一从动齿轮、15导向座、151导向槽口、16补偿模、161导向块、17定量排料机构、171储料支架、172储料桶、173排料驱动机构、174螺旋送料杆、175排料管、176电磁控制阀、177换位驱动机构、178干燥器、179投料口、18通水管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
请参阅图1至图14，一种B4C增强6082Al复合材料一体化制备工艺，包括压力机1、固定设置于压力机1的顶部并向下垂向输出的主液压缸2、固定压力机1的工作台101下方并向上垂向输出且与主液压缸2同轴设置的副液压缸3。主液压缸2和副液压缸3的输出端位置均为可控的，以实现定压定位驱动输出。以上均为现有技术，此处不做赘述，以下仅对本发明的创新之处做详细说明。
如图3所示，工作台101的顶面上通过螺栓固定连接有圆盘状的模座4，模座4的顶面中心固定设置有紧固圈5，紧固圈5的内侧活动套设有变形模7。本实施例中，如图6所示，变形模7为由两个半模相对贴合形成的倒锥台体结构。变形模7的内部变形腔包括顶端的第一镦粗区701、底端的第二镦粗区702以及光滑连通第一镦粗区701和第二镦粗区702的缩颈区703，缩颈区703的内径均小于第一镦粗区701和第二镦粗区702的内径，第一镦粗区701的内径与第二镦粗区702的内径相同或不同，即变形模7的内部变形腔为近似沙漏结构。第二镦粗区702的侧壁上设置有至少一圈螺旋结构的扭转区704。复合材料在变形模7中进行正向变形时，由上至下依次发生缩径变形、背压镦粗和扭转变形，进行逆向变形时，由下至上依次发生扭转变形、缩径变形和背压镦粗，实现复合材料预制坯的大塑性变形；将缩径与镦粗变形相复合，再结合挤扭变形，利用镦粗变形降低材料缩径与挤扭变形的不均匀性，实现大变形量的均匀积累。
如图4和图5所示，变形模7的其中一个半模的贴合面上在变形腔的两侧一体设置有插接柱706，另一个半模的贴合面上开设有与插接柱706相匹配的插接孔，通过插接柱706与插接孔的配对插接，可实现两个半模之间的快速组配，且组配后形成标准的圆锥台结构。半模的贴合面外侧边线上均设置有倒角，以便两个对合状态下的半模的分模操作。如图7所示，紧固圈5的内部开设有与变形模7相匹配的锥形通孔502。圆锥台结构的变形模7放入锥形通孔502内后，通过锥形曲面之间的配合，可使变形模7在紧固圈5内快速准确定位。优选的，变形模7的外侧壁上（以半模的外侧锥面的中心位置为最佳）一体设置有沿母线方向分布的凸条705，紧固圈5的锥形通孔内壁上开设有与凸条705相匹配的凹槽501。本实施例中，凸条705和凹槽501的截面形状均为等边三角形。通过凸条705与凹槽501之间的嵌装配合（如图8所示），可避免变形模7在复合材料的变形过程发生周向转动，以保证变形模7对复合材料作用力的稳定性和均匀性。
如图3所示，紧固圈5的外侧套设有温控装置6。本实施例中，温控装置6采用涡流电热圈结构，可对位于其内部的紧固圈5和变形模7快速加热，从而为变形模7内部的复合材料提供满足变形过程中实现烧结工艺的温度条件。模座4的顶面内嵌设有位于变形模7底面下方的温度传感器（图中未示出），用于实时监测变形模7的温度，从而调节温控装置6的发热功率，以使变形模7及其内部的温度达到预设的温度范围并保持稳定。优选的，紧固圈5的外侧壁上还固定设置有通水管18，通水管18的进水端与外部的供水设备连接、出水端与外部的集水箱连接。如此，通过外部的供水设备向通水管18内通入冷却水，可对热烧结完成的后的紧固圈5和变形模7进行快速降温至室温，以缩短降温所需时间，便于进行后续的低温形变强化过程。具体的，如图7所示，紧固圈5的外圆面上设置有螺旋状的固定槽503，通水管18为采用导热性较好的金属材质空心管支撑的螺旋状结构，并相匹配地嵌设在固定槽503内，以增大通水管18与紧固圈5表面之间的接触面积，从而提升降温速度。
如图3所示，副液压缸3的输出端固定连接有下模杆8，下模杆8与变形模7同轴设置，且下模杆8的直径与变形模7的内部变形腔的第二镦粗区702的内径相匹配，使得在副液压缸3的驱动下，下模杆8的顶端活动贯穿工作台101和模座4并进入变形模7的内部变形腔的下半段内，将内部变性腔的底部端口封闭。变形模7的正上方设置有可垂向升降的制坯模9，制坯模9内活动套设有与变形模7同轴设置的包套10。包套10为顶部开口的空心圆柱筒，其外径与变形模7的内部变形腔的第一镦粗区701的内径相匹配，使得包套10在顶部压力的作用下，可垂直下移进入第一镦粗区701内。
制坯模9的底面和紧固圈5的顶面之间设置有可水平移动的垫板11。工作台101的顶面一侧固定设置有垫板驱动机构111（本实施例中采用液压缸），垫板11固定连接于垫板驱动机构111的水平动力输出端上。垫板驱动机构111可驱动垫板11在制坯模9的底面下方的承托位置或在制坯模9的底面一侧的避让位置之间实现位置切换。当垫板11位于制坯模9的底面下方时，包套10位于垫板11的顶面上，在复合材料在包套10内完成预制的压制过程中，垫板11为包套10提供支撑基础，优选的，在此位置状态下，垫板11的底面与紧固圈5的顶面接触，则紧固圈5可对垫板11起到支撑作用，避免垫板11在包套10的压力作用下发生弯曲而影响后续的重复使用。进一步优选的，紧固圈5的顶面两侧设置有导向侧板504，两个导向侧板504相对的侧面均与垫板11的水平移动方向平行设置，且分别与垫板11的两侧侧面滑动接触，从而对垫板11的水平移动起到导向作用。
工作台101的顶面两侧分别固定设置有升降驱动机构901（本实施例中采用液压缸），升降驱动机构901的顶部动力输出端固定连接有升降梁杆902，制坯模9固定连接于升降梁杆902上。升降驱动机构901实现制坯模9在变形模7上方位置的调整，具体的，在预制坯制作阶段和复合材料变形阶段，制坯模9保持在最低位置，当复合材料加工完成需要取出时，升降驱动机构901通过升降梁杆902推动制坯模9上升一段距离，使制坯模9的底面与紧固圈5的顶面之间的垂直距离不小于变形模7的高度，以使变形模7可顺利、方便地从紧固圈5内垂直向上取出，进而将位于其内部的包套10及完成变形后的复合材料块体一同取出。工作台101的顶面两侧还固定设置有导向板，导向板的顶面开设有导向孔，升降梁杆902的底面两端分别固定设置有活动插接于导向孔内的导向杆，通过导向杆与导向孔的配合，使升降梁杆902保持垂向移动。
如图9和图10所示，主液压缸2的输出端底面上固定设置有上模杆基座12，上模杆基座12的底端固定设置有导向座15，导向座15为底部开口的空心柱体结构。导向座15内转动安装有垂向设置并与包套10同轴设置的上模杆13，上模杆13的顶端颈部通过止推轴承转动安装于导向座15的顶部内。上模杆基座12的内部固定设置有驱动上模杆13转动的补偿驱动机构14。补偿驱动机构14包括固定设置于上模杆基座12内部的补偿驱动电机141、固定安装于补偿驱动电机141动力输出端的第一主动齿轮142、固定连接于上模杆13的顶端并与第一主动齿轮142啮合传动连接的第一从动齿轮143。上模杆13的外侧螺纹套接有滑动设置于导向座15内的补偿模16，上模杆13的外径与包套10的内径相匹配，使得上模杆13的底端可插入包套10内，从而将包套10内盛装的复合材料粉末压实，以便后续的固结；补偿模16的外径与包套10的外径相匹配，使得在主液压缸2的驱动下，上模杆13和补偿模16的底端可一同下压包套10机包套10内部的复合材料一同活动插入变形模7的内部变形腔的上半段内。本实施例中，第一从动齿轮143与上模杆13为一体的齿轮轴结构，补偿驱动机构14采用闭环控制的伺服电机，以便可以通过齿轮副精确控制上模杆13的转动圈数，从而精准控制补偿模16在垂直轴线方向上的升降距离。
为实现补偿模16在螺纹传动作用下可沿垂直轴线方向升降，如图11和图12所示，导向座15的空心柱顶端设置有非圆形截面（如正方形）的导向槽口151，补偿模16的外壁顶端固定设置有于导向槽口151的截面形状相匹配的导向块161，通过导向槽口151对导向块161的运动限制，可使补偿模16仅可实现轴向的直线移动。
压力机1的顶部还固定设置有定量排料机构17，用于复合材料粉末的存储及包套10内定量的复合材料粉末的送进。定量排料机构17的出料端可活动地位于包套10的顶部端口正上方或位于包套10的顶部一侧。具体的，如图13和图14所示，定量排料机构17包括固定设置于主液压缸2一侧的储料支架171、固定连接于储料支架171底部的储料桶172、固定连接于储料支架171上并位于储料桶172上方的排料驱动机构173，储料桶172内同轴地转动安装有螺旋送料杆174，排料驱动机构173的动力输出端与螺旋送料杆174的顶端传动连接，储料桶172的底端出料口转动连接有排料管175，排料管175的出口端设置有电磁控制阀176，储料桶172的底面上设置有驱动排料管175转动的换位驱动机构177。本实施例中，排料驱动机构173采用闭环控制的伺服电机，其输出轴端通过齿轮副与螺旋送料杆174的顶部轴端传动连接，从而可精确控制单次驱动螺旋送料杆174转动的圈数，进而较为精确地控制由螺旋送料杆174送出的复合材料粉末的体量。换位驱动机构177采用转角为180°的舵机，其输出轴端固定安装有第二主动齿轮，排料管175的外壁顶端固定连接有与第二主动齿轮啮合传动连接的第二从动齿轮，通过舵机的驱动和齿轮副的传动，可实现排料管175的底部的出料端在包套10的顶部端口正上方位置（装料位置）和位于包套10的顶部一侧位置（待机位置）之间的切换。即当需要向包套10内送入复合材料粉末时，舵机驱动排料管175正向转动180°，使排料管175的底部出料端正好位于包套10的顶部开口中心的正上方，排料驱动机构173驱动螺旋送料杆174转动预设的固定圈数，且电磁控制阀176切换为打开状态，则由螺旋送料杆174送出的复合材料粉末经排料管175进入包套10内；装料完成后，排料驱动机构173暂停工作，电磁控制阀176切换为封闭状态，舵机驱动排料管175反向转动180°而复位，此时排料管175的出料端在制坯模9的顶面上方一侧，不会对后续的制坯和变形过程造成干涉。
优选的，储料桶172的外侧固定设置有干燥器178，储料桶172的顶壁或侧壁顶部开设有出气孔。通过干燥器178向储料桶172内连续地通入干燥的热空气，将储料桶172内的水分及时从出气孔排出，可使储料桶172内的复合材料粉末始终处于良好的干燥状态而具备良好的流动性，以便保证单次送料量的准确性。储料桶172的外侧臂顶端设置常闭的投料口179，待固结变形的复合材料粉末由该投料口179送入储料桶172内，投料完成后，投料口179保持闭合状态，避免外部的杂物或水分由投料口179直接进入储料桶172内。
请参阅图15，一种B4C增强6082Al复合材料一体化制备工艺，该工艺包括以下步骤：
S1：将复合材料粉末存于定量排料机构17内，使复合材料粉末处于可送料状态；
本实施例中，复合材料的组分按质量计，B4C粉的含量为5%~30%，余量为6082Al粉。B4C粉的初始粒径为5~20μm，6082Al粉的初始粒径为20~40μm。B4C粉的初始粒径中5~8μm的粒径与15~20μm的粒径质量比为1:3。此种复合材料，既可以提升复合材料的中子屏蔽性能和力学性能，又可避免由于粉末团聚导致力学性能的降低；同时，由B4C、6082Al复合粉末冷压制坯，经多道次背压往复挤压、镦粗、挤扭复合变形，实现复合材料免烧结低温固结，可避免生成有害界面相，提升了材料的界面强度与致密度，细化了晶粒尺寸。包套10的材质为6082Al，可与复合材料粉末的主要组分材料保持一致，既可具备较好的变形能力，有不会对复合材料变形后的块体材料成分产生干扰。
将配置好的复合材料粉末从储料桶12上的投料口179送入储料桶12内，保持干燥器178为持续工作状态，使复合材料粉末始终处于良好的干燥状态而具备良好的流动性。
S2：将包套10放置于制坯模9内，定量排料机构17向包套10内注入预设质量的复合材料粉末，定量排料机构17复位；
具体过程为：舵机驱动排料管175正向转动180°，使排料管175的底部出料端正好位于包套10的顶部开口中心的正上方，排料驱动机构173驱动螺旋送料杆174转动预设的固定圈数，且电磁控制阀176切换为打开状态，则由螺旋送料杆174送出的复合材料粉末经排料管175进入包套10内；装料完成后，排料驱动机构173暂停工作，电磁控制阀176切换为封闭状态，舵机驱动排料管175反向转动180°而复位，此时排料管175的出料端在制坯模9的顶面上方一侧，不会对后续的制坯和变形过程造成干涉。
S3：主液压缸2工作，驱动上模杆13下行并插入包套10内，上模杆13压缩复合材料粉末制备获得复合材料预制坯，主液压缸2保压预设时间（如30s）后暂停工作；
S4：补偿驱动机构14工作，通过齿轮副的传动驱动上模杆13转动，上模杆13通过螺纹传动使补偿模16下降，直至补偿模16的下端面与包套10的上端面接触，补偿驱动机构14暂停工作；
S5：垫板驱动机构111工作，驱动垫板11水平移动预设距离至紧固圈5的顶面一侧，使得制坯模9的底部和紧固圈5的顶面之间的空间为畅通状态，以保证包套10可垂直下移并顺利进入变形模7内。
S6：主液压缸2继续工作，驱动上模杆13和补偿模16同步下行预设距离（该预设距离以包套10的底端达到第一镦粗区701和缩颈区703的交接位置为最佳），将预制坯和包套10下压至变形模7内的第一镦粗区701后，主液压缸2暂停工作；此时，填充有复合材料粉末的包套10完全位于变形模7的内部。
S7：温控装置6工作，将变形模7和预制坯加热至预设温度后保温；本实施例中，复合材料在变形模7内的变形温度为200~350℃。
S8：副液压缸3工作，驱动下模杆8上行预设距离，直至下模杆8的上端面到达变形模7内的第二镦粗区702的上端部，副液压缸3暂停工作；此时，变形模7的内部变形腔位于上模杆13和下模杆8之间的空间处于相对封闭的状态。
1压力机、101工作台、2主液压缸、3副液压缸、4模座、5紧固圈、501凹槽、502锥形通孔、503固定槽、504导向侧板、6温控装置、7变形模、701第一镦粗区、702第二镦粗区、703缩颈区、704扭转区、705凸条、706插接柱、8下模杆、9制坯模、901升降驱动机构、902升降梁杆、10包套、11垫板、111垫板驱动机构、12上模杆基座、13上模杆、14补偿驱动机构、141补偿驱动电机、142第一主动齿轮、143第一从动齿轮、15导向座、151导向槽口、16补偿模、161导向块、17定量排料机构、171储料支架、172储料桶、173排料驱动机构、174螺旋送料杆、175排料管、176电磁控制阀、177换位驱动机构、178干燥器、179投料口、18通水管
S9：主液压缸2工作，驱动上模杆13和补偿模16同步下行，上模杆13和补偿模16下压预制坯和包套10一起通过缩径区703，使包套10的底端到达第二镦粗区702并与下模杆8的顶端相抵，此时，副液压缸3则通过包套10的底面向复合材料预制坯提供预设的背压力，并配合主液压缸2驱动下模杆8与上模杆13同步下行，复合材料经过缩径区703产生缩径变形，经过缩径区703的复合材料在第二镦粗区702发生镦粗，到达扭转区704的复合材料发生扭转变形，待上模杆13的下端面到达第一镦粗区701底部时，主液压缸2和副液压缸3均暂停工作，完成复合材料的正向变形过程；
S10：副液压缸3工作，主液压缸2提供预设的背压力，并配合副液压缸3驱动上模杆13与下模杆8同步上行，复合材料在扭转区704再次产生扭转变形，再经过缩径区703再次产生缩径变形，经过缩径区703的复合材料在第一镦粗区701再次产生镦粗，待下模杆8的上端面到达第二镦粗区702上端部时，主液压缸2和副液压缸3均暂停工作，完成复合材料的逆向变形过程；
S11：重复步骤S9至S10，使复合材料发生持续性的大塑性变形，实现复合材料固结致密后，主液压缸2、副液压缸3、补偿驱动机构14均复位，温控装置6暂停工作；
优选的，此步骤中，复合材料经过一定道次的复合变形和温控装置6暂停工作后，待变形模7的温度降低至室温时，再次进行一定道次的复合变形，完成复合材料块体的低温形变强化过程；进一步的，变形模7通过在紧固圈5的外侧通入冷却水使复合材料块体的温度快速将至室温。前期的变形是实现复合材料的固结、致密化，以及组织细化和力学性能提升；后期室温变形，则是由于冷变形强化效果更显著，有助于进一步提升复合材料力学性能。
S12：升降驱动机构901驱动制坯模9上升，将变形模7从紧固圈5内取出，将变形后的复合材料从变形模7内取出，将两个半模分离，从而将变形后的包套10及复合材料块体一同取出，将随复合材料一起变形的包套10去除，得到复合材料块体；
S13：将变形模7的两个半模重新对接后并重新放入紧固圈5内，垫板驱动机构111反向工作驱动垫板11复位，重复S2-S12，完成下一个复合材料块体的制备。
采用上述设备和工艺，可在一台装置上实现复合材料的注粉、制坯、变形一体化制备，直接在包套10中进行复合材料粉末装压以制备预制坯，避免单独制坯中存在的转运易碎的问题，通过补偿模16实现粉末压缩后预制坯和包套10同时变形的需求；预制坯无需烧结，实现B4C增强6082Al复合材料的短流程制备。变形模的内部变形腔包括第一镦粗区、缩径区、第二镦粗区和扭转区，复合材料在变形模中进行正向变形时，由上至下依次发生缩径变形、背压镦粗和扭转变形，进行逆向变形时，由下至上依次发生扭转变形、缩径变形和背压镦粗，实现复合材料预制坯的大塑性变形；将缩径与镦粗变形相复合，再结合挤扭变形，利用镦粗变形降低材料缩径与挤扭变形的不均匀性，实现大变形量的均匀积累；变形温度为200~350℃，借助剧烈塑性变形的变形能实现低温固结，避免生成有害界面相。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种B4C增强6082Al复合材料一体化制备工艺，应用于B4C增强6082Al复合材料一体化制备装置上，其特征在于：该工艺包括以下步骤：
S1：将复合材料粉末存于定量排料机构内，使复合材料粉末处于可送料状态；
S2：将包套放置于制坯模内，定量排料机构向包套内注入预设质量的复合材料粉末，定量排料机构复位；
S3：主液压缸工作，驱动上模杆下行并插入包套内，上模杆压缩复合材料粉末制备获得复合材料预制坯，主液压缸保压预设时间后暂停工作；
S4：补偿驱动机构工作，驱动上模杆转动，通过螺纹传动使补偿模下降，直至补偿模下端面与包套上端面接触，补偿驱动机构暂停工作；
S5：垫板驱动机构工作，驱动垫板水平移动预设距离至紧固圈的顶面一侧；
S6：主液压缸继续工作，驱动上模杆和补偿模同步下行预设距离，将预制坯和包套下压至变形模内的第一镦粗区后，主液压缸暂停工作；
S7：温控装置工作，将变形模和预制坯加热至预设温度后保温；
S8：副液压缸工作，驱动下模杆上行预设距离，直至下模杆上端面到达变形模内的第二镦粗区上端部，副液压缸暂停工作；
S9：主液压缸工作，下压预制坯和包套一起通过缩径区，使包套的底端到达第二镦粗区并与下模杆的顶端相抵，副液压缸提供预设的背压力，并配合主液压缸驱动下模杆与上模杆同步下行，复合材料经过缩径区产生缩径变形，经过缩径区的复合材料在第二镦粗区发生镦粗，到达扭转区的复合材料发生扭转变形，待上模杆的下端面到达第一镦粗区底部时，主液压缸和副液压缸均暂停工作，完成复合材料的正向变形过程；
S10：副液压缸工作，主液压缸提供预设的背压力，并配合副液压缸驱动上模杆与下模杆同步上行，复合材料在扭转区再次产生扭转变形，再经过缩径区再次产生缩径变形，经过缩径区的复合材料在第一镦粗区再次产生镦粗，待下模杆的上端面到达第二镦粗区上端部时，主液压缸和副液压缸均暂停工作，完成复合材料的逆向变形过程；
S11：重复步骤S9至S10，使复合材料发生持续性的大塑性变形，实现复合材料固结致密后，主液压缸、副液压缸、补偿驱动机构均复位，温控装置暂停工作；
S12：升降驱动机构驱动制坯模上升，将变形模从紧固圈内取出，将变形后的复合材料从变形模内取出，将随复合材料一起变形的包套去除，得到复合材料块体；
S13：将变形模重新放入紧固圈内，垫板驱动机构反向工作驱动垫板复位，重复S2-S12，完成下一个复合材料块体的制备。
2.根据权利要求1所述的一种B4C增强6082Al复合材料一体化制备工艺，其特征在于：所述变形模的内部变形腔包括顶端的第一镦粗区、底端的第二镦粗区以及光滑连通第一镦粗区和第二镦粗区的缩颈区，所述缩颈区的内径均小于第一镦粗区和第二镦粗区的内径。
3.根据权利要求2所述的一种B4C增强6082Al复合材料一体化制备工艺，其特征在于：所述第二镦粗区的侧壁上设置有至少一圈螺旋结构的扭转区。
4.根据权利要求2或3所述的一种B4C增强6082Al复合材料一体化制备工艺，其特征在于：所述复合材料的组分按质量计，B4C粉的含量为5%~30%，余量为6082Al粉。
5.根据权利要求4所述的一种B4C增强6082Al复合材料一体化制备工艺，其特征在于：所述B4C粉的初始粒径为5~20μm，6082Al粉的初始粒径为20~40μm。
6.根据权利要求5所述的一种B4C增强6082Al复合材料一体化制备工艺，其特征在于：所述B4C粉的初始粒径中5~8μm的粒径与15~20μm的粒径质量比为1:3。
7.根据权利要求2或3或5或6所述的一种B4C增强6082Al复合材料一体化制备工艺，其特征在于：所述复合材料在变形模中的变形温度为200~350℃。
8.根据权利要求1或5或6所述的一种B4C增强6082Al复合材料一体化制备工艺，其特征在于：所述包套的材质为6082Al。
9.根据权利要求1所述的一种B4C增强6082Al复合材料一体化制备工艺，其特征在于：在步骤S11中，复合材料经过一定道次的复合变形和温控装置暂停工作后，待变形模的温度降低至室温时，再次进行一定道次的复合变形，完成复合材料块体的低温形变强化过程。
10.根据权利要求9所述的一种B4C增强6082Al复合材料一体化制备工艺，其特征在于：变形模通过在紧固圈的外侧通入冷却水使复合材料块体的温度快速将至室温。
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