[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

技術領域

本發明屬于高性能金屬基復合材料液態近凈成形領域，具體是涉及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。

背景技術

碳纖維連續增強鋁基復合材料具有優異的力學和物理性能，在航空航天和先進武器等高新技術工程領域具有廣泛的應用前景，目前該復合材料主要的制備方法有：固態高溫擴散連接法、擠壓鑄造法、真空吸鑄法和真空壓力浸滲法。其中，高溫擴散連接法具有對纖維損傷小、復合材料可設計性強等優點，缺點是：工藝過程復雜、生產成本高；擠壓鑄造法具有復合壓力高、液態浸滲完整、可消除孔隙及縮孔等缺陷、提高復合材料力學性能等優點，但缺點在于：鑄件形狀受到限制，難以實現近凈成形，高壓力下易使預制體受損開裂而產生鑄造缺陷；真空吸鑄法可降低復合材料中氣泡、夾雜等鑄造缺陷的產生，真空環境還可避免鋁液和纖維氧化，但缺點在于：纖維與鋁液的潤濕性差，高溫鋁液易與纖維之間發生嚴重的界面反應而損傷復合材料性能。真空壓力浸滲法的優勢在于：制備工藝簡單，可以制備形狀復雜的復合材料零件，實現復合材料的近凈成型，但其缺點是：浸滲溫度較高，易導致基體合金與碳纖維反應，需對碳纖維進行表面改性以提高其與鋁熔液的浸潤性和控制界面反應。

以上制備方法各有特點，一般而言，對于連續纖維增強鋁基復合材料的制備，真空壓力浸滲法具有制備工藝簡單、壓力容易控制、?不易引起預制體的變形和破壞、可實現近凈成型等優點，因此適合于制造性能要求高的復雜精密零件。為了解決真空壓力浸滲中碳纖維與鋁熔液的低浸潤性和控制二者之間的界面反應問題，一般需對碳纖維進行表面改性處理，表面鍍鎳處理是一種較理想的碳纖維表面改性方法。但目前的碳纖維增強鋁基復合材料真空壓力浸滲工藝中存在如下兩個不足：（1）鍍鎳碳纖維預熱中的表面氧化和燒損，不但損傷了纖維本身性能，而且會降低其與鋁液的潤濕性，導致低壓浸滲制備困難；（2）鍍鎳碳纖維與鋁液高溫下接觸時間較長，會發生嚴重的界面反應，不但損傷纖維本身完整性和性能，且易生成大量的界面脆性相，從而惡化復合材料力學性能。

發明內容：

本發明的第一個目的在于提供一種連續碳纖維增強鋁基復材的液態近凈成形方法（即：真空輔助調壓浸滲鑄造法），它解決了碳纖維表面高溫氧化損傷和界面反應控制這兩個難題，有助于提高復合材料組織致密度和完整性，提高復合材料力學性能，并降低其制備成本，為高性能碳纖維連續增強鋁基復合材料液態近凈成形制備奠定技術基礎。

本發明的第二個目的在于提供一種連續碳纖維增強鋁基復材的液態近凈成形裝置（即：真空輔助調壓浸滲鑄造裝置）。

本發明的第一個目的是這樣實現的：

一種連續碳纖維增強鋁基復材的液態近凈成形方法，特征是：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；