铝基复合材料和铝基复合材料零件的成形方法及其成形装置

摘要

本发明公开了一种铝基复合材料和铝基复合材料零件的成形方法及其成形装置，该方法包括：将铝合金粉末与增强相粉末混合成混合粉末，将混合粉末加入到冷压器具中进行冷压，得到复合材料的坯体，将复合材料的坯体加入加热装置中加热成固液混合物，将固液混合物注射填充到组合模具的型腔内，得到铝基复合材料或铝基复合材料零件。该装置包括料斗、冷压室、推杆、液压泵、挡板、半固态加热保温室、加热线圈、导流锥口板和组合模具。所述的组合模具、导流锥口板、半固态加热保温室、挡板、冷压室、推杆和液压泵按照从左至右的顺序依次设置。本发明的方法有效避免了氧化和其他污染，安全性高，并且工艺过程简单，成本较低。

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属基复合材料的制备方法和装置，具体涉及一种铝基复合材料和铝基复合材料零件的制备方法及其制备装置。

背景技术

在金属基复合材料中，铝基复合材料由于具有高比强、高比模及高耐磨性等优良性能，可以广泛用于航空、航天、汽车、军工等领域而受到重视，对该类材料的研究研究和应用也越来越多。铝基复合材料中的基体为铝合金，第二相(也称增强相)为碳化物或金属氧化物粒子。

制备铝基复合材料的方法多种多样，根据基体材料与增强颗粒复合时的状态，可以将其简单地分为三类。一类是液态的铸造方法，第二类是固态的粉末冶金方法第三类是介于液态和固态之间的喷射共沉积方法。其中采用铸造法制备铝基复合材料时容易产生增强相偏聚、基体与增强相之间发生有害的界面反应、组织粗大、成分不均匀、易吸入气体和杂质等缺点，而且增强相体积分数较低，这些缺点导致材料的力学性能降低。采用粉末冶金法能较好地避免铸造法中的一些缺陷，如体积分数可控，组织细小、成分均匀等，但粉末冶金工艺过程复杂，容易污染，材料尺寸小，生产周期长，生产效率低，这些使其广泛应用受到一定的限制。采用喷射沉积法制备金属基复合材料时工艺复杂、设备要求高，投入大，成本高。

中国专利文献CN100389213C(申请号200510044707.3)提供了一种采用合金粉末和增强颗粒混合后加热熔化进行铸造的方法制备铝基复合材料，这种方法在成形时基体材料为液态，属于液态的铸造工艺，在加热时，由于粉末中存在大量的气体，容易导致合金粉末的氧化，同时由于加热的温度较高极有可能使基体合金和增强的第二相颗粒之间发生反应，导致脆性界面的产生，降低复合材料的性能。

发明内容

本发明的目的在于克服上述问题，提供一种工艺过程简单、成本低、性能较好的铝基复合材料和铝基复合材料零件的成形方法及其成形装置。

实现本发明其中一个目的的技术方案是：一种铝基复合材料或铝基复合材料零件的半固态成形方法，具有以下步骤：①将铝合金粉末与增强相粉末混合均匀，得到混合粉末。②将步骤①得到的混合粉末加入到具有规则内腔的冷压器具中进行冷压，得到与冷压器具的内腔形状相对应的复合材料的坯体。③将步骤②得到的复合材料的坯体加入加热装置中进行加热而成为半固态的固液混合物。④将步骤③得到的固液混合物注射填充到组合模具的型腔内，得到与型腔形状相对应的铝基复合材料或铝基复合材料零件。

上述步骤①中，铝合金粉末与增强相粉末的重量比为2:1～19:1。

上述步骤②中，通过控制料斗的阀门，将步骤①得到的混合粉末根据需要定量由料斗加入到作为冷压器具的冷压室中，冷压时，启动液压泵，使推杆以280MPa～320MPa的压力对混合粉末进行冷压压制，并保压5min～20min，而得到圆柱形的复合材料的坯体；压制时挡板处于阻挡位置。

上述步骤③中，通过将挡板由阻挡位置变换到开启位置，而由推杆将步骤②得到的复合材料的坯体推入至作为加热装置的半固态加热保温室中，然后挡板回复到阻挡位置；通过线圈加热的方法使复合材料的坯体被加热到550℃～650℃的半固态温度而成为固液混合物，然后保温10min～30min。

上述步骤④中，使挡板由阻挡位置变换到开启位置后，再次启动液压泵，而使推杆以180MPa～220MPa的压力将步骤③得到的固液混合物通过导流锥口板以及半固态成形填充通道注射填充到组合模具的型腔内。

上述步骤①中所述的增强相粉末的化学成分为SiC、TiC或者Al₂O₃。增强相粉末是由所述的相应成分的块状或颗粒状增强相物质通过机械球磨后过筛得到，粉末粒子的平均粒径为10μm～80μm。

上述步骤①中所述的铝合金粉末的成分为Al_aM_bN_c；其中M为Mg、Si、Cu、Zn中的至少一种；N为Mn、Ti、Ni、Fe、Cr中的一种或者两种或者三种；a、b、c为重量份数，且a+b+c＝100，86≤a≤99，0≤b≤13，0≤c≤1，且b和c不同时为0，1≤≤14。铝合金粉末是由雾化法制备的铝合金粉末或者是由喷射成形法得到的过喷粉末，粉末粒子的平均粒径为20μm～100μm。

上述步骤②中，冷压时的环境温度为0℃～50℃。

实现本发明另一个目的的技术方案是：一种铝基复合材料或铝基复合材料零件的成形装置，包括料斗、冷压室、推杆、液压泵、挡板、半固态加热保温室、加热线圈、导流锥口板和组合模具。所述的组合模具、导流锥口板、半固态加热保温室、挡板、冷压室、推杆和液压泵按照从左至右的顺序依次设置。

冷压室和半固态加热保温室均包括圆柱形的内腔，且两者的内腔的孔径大小相同，两者内腔的轴线也相同。

料斗位于冷压室的上方且与冷压室的内腔相通。

推杆位于冷压室中且与冷压室左右滑动连接，推杆也作为液压泵的活塞。

挡板设有过料孔，挡板位于半固态加热保温室与冷压室之间，挡板可相对于半固态加热保温室和冷压室处于由其板体遮住半固态加热保温室的内腔和冷压室的内腔的阻挡位置，以及处于由其过料孔将半固态加热保温室的内腔和冷压室的内腔相接通的开启位置。

加热线圈围绕半固态加热保温室的外周设置。导流锥口板设有圆台形通道，该圆台形通道的直径较小的端口与组合模具的半固态成形填充通道；半固态成形填充通道与组合模具的型腔相通。

本发明具有的积极效果：(1)本发明所采用的成形方法中，在原料成为半固态之前，先用冷压的方式制备复合材料的坯体，这样可以大幅度降低金属粉末中气体的存在，有效避免在半固态加热过程中材料的氧化和其他污染，安全性高，从而在半固态成形时，使增强相粒子与铝合金粉末粒子之间结合紧密，使所得到的铝基复合材料具有优良的综合性能。(2)本发明在对金属粉末加热使其成为半固态以及保温的过程中，不需要在其它半固态加工过程中需要有较大剪切力的机械搅拌以及电磁搅拌中的复杂设备，而且集粉末输送、预压成坯，半固态加热保温和半固态成形工艺过程一体化，大大简化工艺，降低了成本。(3)本发明的方法中，复合材料的坯体在半固态加热保温一定时间后直接进行注射成形，不需要粉末冶金方法中粉末烧结的工序，提高了效率，降低了成本，而且避免了在较高温度下的长时间加热，减少了氧化和其他污染的可能。同时由于半固态注射成形时温度较低，避免了基体金属与增强相粒子之间的反应，使得界面无污染。(4)本发明的方法是金属基复合材料领域中的一次创新，所得到的成形的成品，根据第二模具的型腔形状的不同，可以得到各种形状的铝基复合材料的零件，也可以制成铝基复合材料的棒材、板材等，以适用于不同的需求。

附图说明

图1为本发明的铝基复合材料的半固态成形装置的结构示意图；

图2为冷压时的示意图，此时挡板处于阻挡位置；

图3为推杆将坯体推入半固态加热保温室时的示意图，此时挡板处于开启位置；

图4为固液混合物填充到型腔后的示意图。

附图中的标记如下：

冷压室11，推杆12，液压泵13；

半固态加热保温室21，加热线圈22，导流锥口板23；

挡板3，过料孔31；

料斗4，阀门41；

组合模具5，型腔51，半固态成形填充通道52；

混合粉末6，坯体61，固液混合物62，铝基复合材料或铝基复合材料零件63。

具体实施方式

(实施例1、铝基复合材料和铝基复合材料零件的成形装置)

见图1，本发明的铝基复合材料或铝基复合材料零件的成形装置包括料斗4、冷压室11、推杆12、液压泵13、挡板3、半固态加热保温室21、加热线圈22、导流锥口板23和组合模具5。所述的组合模具5、导流锥口板23、半固态加热保温室21、挡板3、冷压室11、推杆12和液压泵13按照从左至右的顺序依次设置。

冷压室11和半固态加热保温室21均包括圆柱形的内腔，且两者的内腔的孔径大小相同，两者内腔的轴线也相同。

料斗4位于冷压室11的上方且与冷压室11的内腔相通。

推杆12位于冷压室11中且与冷压室11左右滑动连接，推杆12也作为液压泵13的活塞。

挡板3设有过料孔31，挡板3位于半固态加热保温室21与冷压室11之间，挡板3可相对于半固态加热保温室21和冷压室11处于由其板体遮住半固态加热保温室21的内腔和冷压室11的内腔的阻挡位置，以及处于由其过料孔31将半固态加热保温室21的内腔和冷压室11的内腔相接通的开启位置。

加热线圈22围绕半固态加热保温室21的外周设置；导流锥口板23设有圆台形通道，该圆台形通道的直径较小的端口与组合模具5的半固态成形填充通道52；半固态成形填充通道52与组合模具5的型腔51相通。

(实施例2、铝基复合材料和铝基复合材料零件的成形方法)

本实施例的铝基复合材料的半固态成形方法的步骤如下：

①将3.6kg的6061铝合金粉末与0.4kg的SiC粉末混合均匀得到混合粉末6，并将混合粉末6加入到半固态成形装置的料斗4中。

6061铝合金粉末是由6061铝合金通过雾化法得到的雾化粉末过200目筛，得到平均粒径为60μm的粉末。6061铝合金的成分为1.0Mg-0.65Si-0.35Cu-0.20Cr，余量为Al，也即各金属元素所占的重量百分比为：Mg占1.0％，Si占0.65％，Cu占0.35％，Cr占0.20％。

SiC粉末是由块状或颗粒状的SiC通过机械球磨并过400目筛，得到平均粒径约为30μm的粉末粒子。②通过控制料斗4的阀门41，将步骤①得到的混合粉末6根据需要定量由料斗4加入到作为冷压器具的冷压室11中，冷压时，启动液压泵13，使推杆12以300MPa的压力对混合粉末6进行冷压压制，并保压5min，而得到圆柱形的复合材料的坯体61。压制时挡板3处于阻挡位置(见图2)，冷压时的环境温度为25℃。

③通过将挡板3由阻挡位置变换到开启位置，而由推杆12将步骤②得到的复合材料的坯体61推入至作为加热装置的半固态加热保温室21中(见图3)，然后挡板3回复到阻挡位置。通过线圈加热的方法使复合材料的坯体61被加热到600℃的半固态温度而成为固液混合物62，然后保温10min。

④使挡板3由阻挡位置变换到开启位置后，再次启动液压泵13，而使推杆12以200MPa的压力将步骤③得到的固液混合物62通过导流锥口板23以及半固态成形填充通道52注射填充到组合模具5的型腔51内(见图4)，保持压力为50MPa，保压时间为20min，脱模取出即可得到与型腔51形状相对应的铝基复合材料63。

本实施例得到的铝基复合材料的力学性能见表1。

(实施例3～实施例7)

各实施例的装置与实施例1相同，各实施例的方法与实施例2基本相同，不同之处见表1。

表1

 

实施例2实施例3实施例4实施例5实施例6实施例7铝合金成分606160616061606160616061铝合金粉末平均粒径/μm6050208010040增强相SiCSiCAl₂O₃Al₂O₃TiCTiC增强相颗粒所占质量分数/％10152520533增强相颗粒平均粒径/μm306010508025压制压力/MPa300290320310280300冷压温度/℃25252015050保压时间/min5105201015半固态温度/℃600650550650600550保温时间/min103020251525注射压力/MPa200190220180210200屈服强度/MPa286297237249265274拉伸强度/MPa354367343358352348延伸率/％108.47.76.36.87.3弹性模量/GPa758278928781