一种高体份颗粒增强金属基复合材料管材的制造方法

摘要

本发明属于金属基复合材料制造技术，涉及一种高体份颗粒增强金属基复合材料管材的制造方法。其特征在于，其制造步骤如下：配料；制造型芯；对型芯进行表面处理；组装模具；复合材料浸渗制备。本发明以制备－成型一步到位的方法来获得高体份金属基复合材料管材内孔，回避了高体份陶瓷颗粒增强金属基复合材料管材内孔难以加工的技术难关，并且大大降低了高体份颗粒增强金属基复合材料管材的制造成本、提高了产品生产效率。

说明书

技术领域

本发明属于金属基复合材料制造技术，涉及一种高体份颗粒增强金属基复合材料管材的制造方法。

背景技术

在对产品重量有严格限制的航空航天精密仪器上，常常利用桁架结构来支撑器件、减轻结构重量。而作为航空航天精密仪器用桁架结构基本组成单元的管材一般选用轻质的铝合金材料。应用铝管将面临的主要问题是热膨胀系数过大和刚度不足，这就使得管材乃至桁架在力载荷和热载荷(环境温度的变化)作用下尺寸及结构精度发生显著变化，从而影响了系统的精度及其稳定性。

为解决上述问题，设计部门通过理论分析、计算与仿真目前倾向应用低膨胀、高导热、高比模(比刚度)的高体份颗粒增强金属基复合材料(尤其是碳化硅颗粒增强铝基复合材料)管材制作航空航天精密仪器的桁架结构，该材料的比模量可达到铝合金的三倍，热膨胀系数还不到铝合金的40％，平均谐振频率也比铝合金高得多(至少高出60％)，热导率也更高。近几年来兴起的无压浸渗法非常适于制备高体份颗粒增强金属基复合材料，颗粒体份可高达70％，该工艺所需设备简单(既不用真空也无需加压)，生产成本较低，容易实现大尺寸产品制备以及大批量生产，还可以获得良好的复合材料综合性能。

高体份颗粒增强金属基复合材料在航空航天精密仪器上作为板类结构以及用板件焊接组合而成的框架结构都已获得成功应用，如何将其作为管材用于桁架结构目前面临的主要技术障碍是成形问题，尤其是长管的内孔如何加工的问题。如果是用传统的金属材料制作管材无非是采用铸造成形、热挤压成形，或者是车、镗、钻、拉等机械加工的方法。高体份颗粒增强金属基复合材料由于陶瓷颗粒含量过半而根本不具备铸造成形所必需的流动性和热变形所需的塑性，同时机加工内孔难度极大，即便是采用金刚石刀具可加工的孔深度也十分有限。放电线切割加工长孔(尤其是孔长度超过300mm)时，孔的圆度、直线度太差，无法满足产品要求。另外，即便是加工较浅的管孔，由于可加工性差、刀具磨损严重、效率低，加工的成本是非常高的。

发明内容

本发明的目的是：提供一种无须机械加工管孔的高体份颗粒增强金属基复合材料管材的高效、低成本制造方法。

本发明的技术解决方案是：一种高体份颗粒增强金属基复合材料管材的制造方法，以铝硅镁铸造铝合金、纯铝、铸造镁合金、2000系、6000系或7000系变形铝合金作为基体材料，以碳化硅、氧化铝、碳化钛或碳化硼陶瓷颗粒作为增强体组成高体份颗粒增强金属基复合材料，增强体在复合材料中所占的体份为35％～70％，其特征在于，其制造步骤如下：

1、配料；按照所需要的高体份颗粒增强金属基复合材料的配方进行配料，陶瓷颗粒的粒度为1μm～120μm；

2、制造型芯；采用石墨或金属棒材制造型芯，型芯为一个圆棒，其直径比待制造复合材料管材内孔的直径小0.2～2mm，型芯的长度大于待制造复合材料管材的长度；

3、对型芯进行表面处理；在型芯表面用无机粘结剂粘贴两层以上的柔性石墨纸，柔性石墨纸的厚度为0.05～0.5mm；

4、组装模具；将经过表面处理的型芯放置于模具中预定的位置及高度，放置方式是在圆棒的两端装夹固定支架将型芯支起，支架与模具之间以无机粘结剂固定，然后将陶瓷颗粒增强体装入模具中并包埋型芯；

5、复合材料浸渗制备；按照下述方法之一进行复合材料浸渗制备：

5.1、无压浸渗制备；在模具中陶瓷颗粒堆积体的上表面放置基体材料锭块，将模具及其内容物整体放入通有氮气气氛的加热设备中加热到800℃～950℃，保温2～15小时，冷却到室温后在压机上将型芯从铸坯中顶出，最后机加管材的外圆；

5.2、压力浸渗制备；

将装有包埋着型芯的陶瓷颗粒堆积体的模具置于加压设备工作台上预热到500℃～750℃后，将熔化的基体材料熔液浇铸到模具中，然后将模具的环境压力增加到20～30MPa，保压3～5min，待铸坯完全凝固并冷却后取出，在压机上将型芯从铸坯中顶出，最后机加管材的外圆。

本发明的优点是：本发明通过采用净成形浸渗制备技术和独特的可脱模且能反复多次使用的型芯表面处理技术，以制备-成型一步到位的方法来获得高体份金属基复合材料管材内孔，回避了高体份陶瓷颗粒增强金属基复合材料管材内孔难以加工的技术难关，并且大大降低了高体份颗粒增强金属基复合材料管材的制造成本、提高了产品生产效率。

具体实施方式

下面对本发明做进一步详细说明。

一种高体份颗粒增强金属基复合材料管材的制造方法，以铝硅镁铸造铝合金、纯铝、铸造镁合金、2000系、6000系或7000系变形铝合金作为基体材料，以碳化硅、氧化铝、碳化钛或碳化硼陶瓷颗粒作为增强体组成高体份颗粒增强金属基复合材料，增强体在复合材料中所占的体份为35％～70％，其特征在于，其制造步骤如下：

1、配料；按照所需要的高体份颗粒增强金属基复合材料的配方进行配料，陶瓷颗粒的粒度为1μm～120μm。

2、制造型芯；采用石墨或金属棒材制造型芯，型芯为一个圆棒，其直径比待制造复合材料管材内孔的直径小0.2～2mm，型芯的长度大于待制造复合材料管材的长度。

3、对型芯进行表面处理；在型芯表面用无机粘结剂粘贴两层以上的柔性石墨纸，柔性石墨纸的厚度为0.05～0.5mm。粘贴柔性石墨纸的作用是便于型芯顶出，同时保证了型芯的反复使用。

4、组装模具；将经过表面处理的型芯放置于模具中预定的位置及高度，放置方式是在圆棒的两端装夹固定支架将型芯支起，支架与模具之间以无机粘结剂固定，然后将陶瓷颗粒增强体装入模具中并包埋型芯。

5、复合材料浸渗制备；按照下述方法之一进行复合材料浸渗制备：

5.1、无压浸渗制备；在模具中陶瓷颗粒堆积体的上表面放置基体材料锭块，将模具及其内容物整体放入通有氮气气氛的加热设备中加热到800℃～950℃，保温2～15小时，冷却到室温后在压机上将型芯从铸坯中顶出，最后机加管材的外圆。

5.2、压力浸渗制备；

将装有包埋着型芯的陶瓷颗粒堆积体的模具置于加压设备工作台上预热到500℃～750℃后，将熔化的基体材料熔液浇铸到模具中，然后将模具的环境压力增加到20～30MPa，保压3～5min，待铸坯完全凝固并冷却后取出，在压机上将型芯从铸坯中顶出，最后机加管材的外圆。

实施例1：

原材料采用名义粒度为63μm的SiC颗粒和Al-Si-Mg系专用基体铝合金锭块，增强体在复合材料中所占的体份为55％。用作成型内孔的型芯材料为石墨，石墨棒的长度为600mm、直径为44mm，石墨棒表面(包括两个端面)用无机粘结剂粘贴两层柔性石墨纸，石墨纸的厚度为0.2mm。用不锈钢支架将包覆有柔性石墨纸的石墨圆棒两端装夹并用无机粘结剂固定在模具(这里采用的是长方形石墨坩埚)底部，然后将SiC颗粒装入石墨坩埚并均匀地覆盖型芯，形成SiC颗粒堆积体。将铝合金锭块置于SiC颗粒堆积体上表面，将该装置放入通有氮气气氛的设备中加热到850℃，保温10小时，完成浸渗复合过程后冷却获得复合材料铸坯，而后借助液压机等可施加外力的设备将作为型芯的石墨棒顶出，从而获得内径为44.8mm的、纵向贯穿复合材料铸坯的规则圆形通孔，最后以常规的加工方式加工该铸坯的外圆从而获得管材成品件。

实施例2：

原材料采用名义粒度为45μm的SiC颗粒和Al-Si-Mg系专用基体铝合金锭块，增强体在复合材料中所占的体份为50％。用作成型内孔的型芯材料为石墨，石墨棒的长度为900mm、直径为89mm，石墨棒表面(包括两个端面)用无机粘结剂粘贴三层柔性石墨纸，石墨纸的厚度为0.2mm，用不锈钢支架将型芯两端装夹并用无机粘结剂固定在石墨坩埚底部，然后将SiC颗粒装入石墨坩埚并均匀地覆盖型芯，形成SiC颗粒堆积体。将铝合金锭块置于SiC颗粒堆积体上表面，将该装置放入通有氮气气氛的设备中加热到880℃，保温15小时，完成浸渗复合过程后冷却获得复合材料铸坯，而后借助液压机等可施加外力的设备将作为型芯的两根石墨棒顶出，从而获得内径为90.2mm的、纵向贯穿复合材料铸坯的规则圆形通孔，最后以常规的加工方式加工该铸坯的外圆从而获得管材成品件。

实施例3：

原材料采用名义粒度为3μm的Al₂O₃颗粒和7075铝合金锭块，增强体在复合材料中所占的体份为35％。用作成型内孔的型芯材料为石墨，石墨棒的长度为600mm、直径为44mm，石墨棒表面(包括两个端面)用无机粘结剂粘贴两层柔性石墨纸，石墨纸的厚度为0.2mm。用不锈钢支架将包覆有柔性石墨纸的石墨圆棒两端装夹并用无机粘结剂固定在石墨坩埚底部，然后将Al₂O₃颗粒装入石墨坩埚并均匀地覆盖型芯，形成Al₂O₃颗粒堆积体。将铝合金锭块置于Al₂O₃颗粒堆积体上表面，将该装置放入通有氮气气氛的设备中加热到910℃，保温12小时，完成浸渗复合过程后冷却获得复合材料铸坯，而后借助液压机等可施加外力的设备将作为型芯的石墨棒顶出，从而获得内径为44.8mm的、纵向贯穿复合材料铸坯的规则圆形通孔，最后以常规的加工方式加工该铸坯的外圆从而获得管材成品件。

实施例4：

原材料采用名义粒度为17μm的SiC颗粒和Al-Si-Mg系专用基体铝合金锭块，增强体在复合材料中所占的体份为45％。用作成型内孔的型芯材料为石墨，石墨棒的长度为600mm、直径为44mm，石墨棒表面(包括两个端面)用无机粘结剂粘贴两层柔性石墨纸，石墨纸的厚度为0.2mm。用不锈钢支架将包覆有柔性石墨纸的石墨圆棒两端装夹并用无机粘结剂固定在石墨坩埚底部，然后将SiC颗粒装入石墨坩埚并均匀地覆盖型芯，形成SiC颗粒堆积体。将铝合金锭块置于S iC颗粒堆积体上表面，将该装置放入通有氮气气氛的设备中加热到900℃，保温11小时，完成浸渗复合过程后冷却获得复合材料铸坯，而后借助液压机等可施加外力的设备将作为型芯的石墨棒顶出，从而获得内径为44.8mm的、纵向贯穿复合材料铸坯的规则圆形通孔，最后以常规的加工方式加工该铸坯的外圆从而获得管材成品件。

实施例5：

原材料采用名义粒度为120μm的SiC颗粒和Al-Si-Mg系专用基体铝合金锭块，增强体在复合材料中所占的体份为58％。用作成型内孔的型芯材料为钛合金，钛合金棒的长度为600mm、直径为44mm，钛合金棒表面(包括两个端面)用无机粘结剂粘贴两层柔性石墨纸，石墨纸的厚度为0.3mm。用不锈钢支架将包覆有柔性石墨纸的钛合金圆棒两端装夹并用无机粘结剂固定在石墨坩埚底部，然后将SiC颗粒装入石墨坩埚并均匀地覆盖型芯，形成SiC颗粒堆积体。将铝合金锭块置于SiC颗粒堆积体上表面，将该装置放入通有氮气气氛的设备中加热到800℃，保温10小时，完成浸渗复合过程后冷却获得复合材料铸坯，而后借助液压机等可施加外力的设备将作为型芯的钛合金棒顶出，从而获得内径为45.2mm的、纵向贯穿复合材料铸坯的规则圆形通孔，最后以常规的加工方式加工该铸坯的外圆从而获得管材成品件。

实施例6：

原材料采用名义粒度为17μm与120μm按2:8的比例混合的SiC颗粒和Al-Si-Mg系专用基体铝合金锭块，增强体在复合材料中所占的体份为70％。用作成型内孔的型芯材料为石墨，石墨棒的长度为600mm、直径为44mm，石墨棒表面(包括两个端面)用无机粘结剂粘贴两层柔性石墨纸，石墨纸的厚度为0.05mm。用不锈钢支架将包覆有柔性石墨纸的石墨圆棒两端装夹并用无机粘结剂固定在石墨坩埚底部，然后将SiC颗粒装入石墨坩埚并均匀地覆盖型芯，形成SiC颗粒堆积体。将铝合金锭块置于SiC颗粒堆积体上表面，将该装置放入通有氮气气氛的设备中加热到880℃，保温14小时，完成浸渗复合过程后冷却获得复合材料铸坯，而后借助液压机等可施加外力的设备将作为型芯的石墨棒顶出，从而获得内径为44.2mm的、纵向贯穿复合材料铸坯的规则圆形通孔，最后以常规的加工方式加工该铸坯的外圆从而获得管材成品件。

实施例7：

原材料采用名义粒度为63μm的SiC颗粒和铸造镁合金锭块，增强体在复合材料中所占的体份为55％。用作成型内孔的型芯材料为45#钢，钢棒的长度为600mm、直径为11mm，钢棒表面(包括两个端面)用无机粘结剂粘贴两层柔性石墨纸，石墨纸的厚度为0.5mm。用不锈钢支架将包覆有柔性石墨纸的圆钢棒两端装夹并用无机粘结剂固定在石墨坩埚底部，然后将SiC颗粒装入石墨坩埚并均匀地覆盖型芯，形成SiC颗粒堆积体。将镁合金锭块置于SiC颗粒堆积体上表面，将该装置放入通有氮气气氛的设备中加热到800℃，保温2小时，完成浸渗复合过程后冷却获得复合材料铸坯，而后借助液压机等可施加外力的设备将作为型芯的钢棒顶出，从而获得内径为13mm的、纵向贯穿复合材料铸坯的规则圆形通孔，最后以常规的加工方式加工该铸坯的外圆从而获得管材成品件。

实施例8：

原材料采用名义粒度为1μm的TiC颗粒和2024铝合金锭块，增强体在复合材料中所占的体份为40％。用作成型内孔的型芯材料为钛合金，钛合金棒的长度为600mm、直径为44mm，钛合金棒表面(包括两个端面)用无机粘结剂粘贴两层柔性石墨纸，石墨纸的厚度为0.3mm。用不锈钢支架将包覆有柔性石墨纸的钛合金圆棒两端装夹并用无机粘结剂固定在石墨坩埚底部，然后将TiC颗粒装入石墨坩埚并均匀地覆盖型芯，形成TiC颗粒堆积体。将铝合金锭块置于TiC颗粒堆积体上表面，将该装置放入通有氮气气氛的设备中加热到950℃，保温15小时，完成浸渗复合过程后冷却获得复合材料铸坯，而后借助液压机等可施加外力的设备将作为型芯的钛合金棒顶出，从而获得内径为45.2mm的、纵向贯穿复合材料铸坯的规则圆形通孔，最后以常规的加工方式加工该铸坯的外圆从而获得管材成品件。

实施例9：

原材料采用名义粒度为20μm的B₄C颗粒和工业纯铝L3，增强体在复合材料中所占的体份为48％。用作成型内孔的型芯材料为钛合金，钛合金棒的长度为100mm、直径为14mm，钛合金棒表面(包括两个端面)用无机粘结剂粘贴两层柔性石墨纸，石墨纸的厚度为0.3mm。用不锈钢支架将包覆有柔性石墨纸的钛合金圆棒两端装夹并用无机粘结剂固定在耐热钢模具底部，然后将B₄C颗粒装入耐热钢模具并均匀地覆盖型芯，形成B₄C颗粒堆积体。将装有包埋着圆棒型芯的陶瓷颗粒堆积体的模具放置于加压设备工作台上预热到500℃后，将单独熔化好的L3铝液浇到陶瓷颗粒堆积体上表面，然后将模具的环境压力增加到20MPa，保压5min，从而将铝液渗透到陶瓷颗粒堆积体中、制备出带有圆棒型芯的复合材料。待复合材料完全凝固后借助液压机等可施加外力的设备将作为型芯的钛合金棒顶出，从而获得内径为15.2mm的、纵向贯穿复合材料铸坯的规则圆形通孔，最后以常规的加工方式加工该铸坯的外圆从而获得管材成品件。

实施例10：

原材料采用名义粒度为3.5μm的SiC颗粒和6061铝合金，增强体在复合材料中所占的体份为45％。作成型内孔的型芯材料为40Cr钢材，40Cr钢棒的长度为100mm、直径为14mm，钢棒表面(包括两个端面)用无机粘结剂粘贴两层柔性石墨纸，石墨纸的厚度为0.2mm。用不锈钢支架将包覆有柔性石墨纸的钛合金圆棒两端装夹并用无机粘结剂固定在耐热钢模具底部，然后将SiC颗粒装入耐热钢模具并均匀地覆盖型芯，形成SiC颗粒堆积体。将装有包埋着圆棒型芯的陶瓷颗粒堆积体的模具放置于加压设备工作台上预热到750℃后，将单独熔化好的6061铝液浇到陶瓷颗粒堆积体上表面，然后将模具的环境压力增加到30MPa，保压3min，从而将铝液渗透到陶瓷颗粒堆积体中、制备出带有圆棒型芯的复合材料。待复合材料完全凝固后借助液压机等可施加外力的设备将作为型芯的40Cr钢棒顶出，从而获得内径为14.8mm的、纵向贯穿复合材料铸坯的规则圆形通孔，最后以常规的加工方式加工该铸坯的外圆从而获得管材成品件。