[發明專利]一種連續碳纖維增強鋁基復材的液態近凈成形方法及裝置

有效

• 申請號: 201310432463.0
• 申請日: 2013-09-23
• 公開（公告）號: CN103540873A
• 公開（公告）日: 2014-01-29
• 發明（設計）人: 王振軍;余歡;徐志鋒;蔡長春;盧百平;嚴青松;熊博文
• 申請（專利權）人: 南昌航空大學
• 主分類號: C22C47/12
• 分類號: C22C47/12;C22C101/10
• 代理公司: 江西省專利事務所 36100
• 代理人: 張文

1.一種連續碳纖維增強鋁基復材的液態近凈成形方法，其特征在于：步驟如下：

A、按照纖維體積分數35%-55%的要求，制備連續碳纖維預制體，定量切取鋁合金錠得到基體鋁合金，將碳纖維預制體和基體鋁合金分別裝入鑄型中和坩堝中，將整個裝置連接密封后進行氣密性檢查；

B、纖維預熱與合金熔煉：打開坩堝加熱器和鑄型加熱器同時進行鋁合金熔煉和碳纖維預熱，開啟真空泵閥門和鑄型閥門，同時對坩堝和鑄型抽真空并保持二者的氣壓平衡，當坩堝氣管壓力表和鑄型氣管壓力表的真空度達到5-10Pa后停止抽真空，關閉真空泵閥門，開啟氬氣閥門向坩堝和鑄型中通入高純度的氬氣，坩堝氣管壓力表和鑄型氣管壓力表的氬氣壓力達到20-30KPa后，關閉氬氣閥門并保持壓力10-20分鐘；開啟真空泵閥門抽真空至真空度5-10Pa，然后關閉真空泵閥門，打開氬氣閥門通入氬氣并保壓，到20-30KPa后，關閉氬氣閥門并保持壓力10-20分鐘，重復以上步驟，通過抽真空和通氬氣的交替進行，實現低氧氣氛下的合金熔煉和纖維預熱，直至合金熔煉和纖維預熱結束，通過坩堝熱電偶控制鋁合金的熔煉溫度650-800℃，通過鑄型熱電偶控制碳纖維的預熱溫度400-650℃；

C、真空輔助氣壓浸滲：鋁合金加熱至液相線溫度以上50-100℃，碳纖維預制體加熱至400-650℃，二者均保溫1小時后，關閉坩堝加熱器和鑄型加熱器，關閉氬氣閥門，打開真空泵閥門，同時對坩鍋和鑄型抽真空,保持二者相同的環境真空度，坩堝氣管壓力表和鑄型氣管壓力表的真空度至5-10Pa，關閉真空泵閥門和鑄型閥門；開啟氬氣閥門，對坩堝內的鋁熔體液面通入壓力為200--500KPa的氬氣，在坩堝和鑄型的壓差作用下，使高溫鋁液以可控的壓力滲透到鑄型內的碳纖維預制體中并填充碳纖維的空隙，實現鋁合金與碳纖維的復合，完成復合材料的真空輔助低壓浸滲；

D、高壓凝固成形：通過若干個嵌入鑄型壁內的鑄型熱電偶的溫度變化監測真空低壓浸滲過程中鑄型壁的溫度變化，低壓浸滲結束后，調節氬氣閥門，使作用在坩堝內的鋁熔體液面的氬氣壓力升至800-1000KPa，同時移開鑄型加熱器并打開冷卻水閥門，向冷卻水套中通入冷卻水，通過冷卻水套對鑄型內的復合材料鑄件進行快速冷卻，由鑄型熱電偶監測復合材料鑄件冷卻速率，通過調節冷卻水泵的流量控制復合材料鑄件的冷卻速度，控制碳纖維與鋁合金間的界面反應程度；

E、復合材料鑄件冷卻至室溫后，打開鑄型與鑄型氣管、冷卻水套、升液管之間的密封連接螺栓，取下鑄型脫模，獲得連續碳纖維增強鋁基復合材料鑄件。

2.根據權利要求1所述的液態近凈成形方法，其特征在于：在步驟B中，通過抽真空和通入高純氬氣交替進行的方式，控制坩堝和鑄型中的含氧量，實現高溫下對鍍鎳碳纖維的保護。

3.一種連續碳纖維增強鋁基復材的液態近凈成形裝置，其特征在于：包括坩堝和鑄型，在內裝有鋁合金的坩堝的外壁包有坩堝加熱器，在坩堝的頂部邊緣固定有密封蓋板，?坩堝熱電偶的檢測端從外向內穿過坩堝加熱器后嵌入到坩堝的壁內；鑄型加熱器安裝在坩堝的密封蓋板上面，內裝有碳纖維預制體的鑄型坐落在鑄型加熱器中，在鑄型的外壁繞有冷卻水套，冷卻水套的一端與循環水箱相連，冷卻水套的另一端與帶冷卻水閥門的冷卻水泵相連，呈上下平行排列的若干個鑄型熱電偶的檢測端均從外向內穿過鑄型加熱器后嵌入到鑄型的壁內；帶坩堝氣管壓力表的坩堝氣管的一端穿過坩堝的密封蓋板向下伸入到坩堝中，坩堝氣管的另一端與四通連接管的第一個接口連接，真空泵的吸氣端通過真空泵閥門與四通連接管的第二個接口連接，氬氣罐的出氣端通過氬氣閥門與四通連接管的第三個接口連接，帶鑄型氣管壓力表的鑄型氣管的一端向下伸入到坩堝中，鑄型氣管的另一端與鑄型閥門串聯后與四通連接管的第四個接口連接，升液管的上端與鑄型的底部連接，升液管的下端向下穿過坩堝的密封蓋板伸入到坩堝內的鋁合金中。