一种大型薄壁SiC增强2014铝合金基复合材料铸件的高压差压成形方法

摘要

一种大型薄壁SiC增强2014铝合金基复合材料铸件的高压差压成形方法，它涉及一种高压差压成形方法。本发明为了解决现有大型薄壁SiC增强2014铝合金基复合材料铸件贯穿性裂纹的问题。本发明的方法：一、SiC增强2014铝合金基复合材料分成A、B两份；二、A份熔化至720‑740℃时，加入B份，控制熔体温度保温；三、封闭下压力罐，升液管插入坩埚内，放置并锁紧铸型，安装上压力罐后封闭；四、打开上压力罐和下压力罐之间的互通阀，同时从下压力罐通入高压气体，至罐内的压力均达到1.8MPa～3.2MPa，关闭互通阀；五、控制上压力罐排气，差压铸造成形。本发明方法获得铸件SiC颗粒分布的均匀程度提升70％以上。

说明书

技术领域

本发明涉及一种高压差压成形方法；具体涉及一种大型薄壁SiC增强2014铝合金基复合材料铸件的高压差压成形方法。

背景技术

大型薄壁SiC增强2014铝合金基复合材料铸件广泛应用于舰船、水下及军事工业。其加工制造流程中涉及铸造、机械加工等加工过程，由于SiC增强2014铝合金基复合材料的抗切削性能强，减少机械加工过程可以显著降低成本和制造难度，因此铸件的壁厚一般设计的较薄，由于其壁厚较薄因此铸造难度更加突出，目前面临的主要问题是SiC增强分布不均匀，SiC集中的部位由于颗粒间相互接触而形成微裂纹源，后续机械加工过程产生贯穿性裂纹从而导致铸件报废。对于仅仅由2014铝合金成形的大型薄壁铸件，通常的解决薄壁所带来问题的办法是采用较高的熔体浇注温度，一般浇注温度720℃以上，或者是提高浇注速度使金属基体熔体的流动性更好，以便于成形复杂薄壁结构。但是对于SiC增强2014铝合金基复合材料而言，以上的方法收效甚微，原因是提高2014铝合金基体金属熔体流动性的同时并不能有效改善SiC增强相的流动性，这会导致浇铸出的SiC增强2014铝合金基复合材料铸件中SiC增强相的分布不均匀，使整个铸件的性能分布不均匀，铸件力学性能稳定性差；SiC集中的部位由于颗粒间相互接触而产生微裂纹源，极易在后续机械加工过程产生贯穿性裂纹从而导致铸件报废。

发明内容

本发明要解决现有大型薄壁SiC增强2014铝合金基复合材料铸件成形过程SiC增强分布不均匀，SiC集中的部位由于颗粒间相互接触而产生微裂纹源的问题，进而提出一种大型薄壁SiC增强2014铝合金基复合材料铸件的高压差压成形方法。本发明方法实现了铸造过程SiC增强相的分布均匀性并有效隔离SiC增强相的目的。

为解决上述问题，本发明一种大型薄壁SiC增强2014铝合金基复合材料铸件的高压差压成形方法是按下述步骤进行的：

步骤一、取SiC增强2014铝合金基复合材料，分成A、B两份，其中A份占SiC增强2014铝合金基复合材料总重量的30％-40％，其余为B份；

步骤二、将A份置于反重力成形装置的下压力罐的坩埚中，熔化至720℃～740℃时，加入B份，控制熔体温度在690℃-700℃，保温；

步骤三、然后封闭下压力罐，升液管插入坩埚内，放置并锁紧铸型，安装上压力罐后封闭；

步骤四、打开上压力罐和下压力罐之间的互通阀，同时从下压力罐通入高压气体，至上压力罐和下压力罐内的压力均达到1.8MPa～3.2MPa，关闭互通阀；

步骤五、控制上压力罐排气，差压铸造成形；即得到复合材料铸件。

进一步地限定，步骤一所述SiC增强2014铝合金基复合材料中SiC增强相体积分数范围在12％-15％。

进一步地限定，步骤一所述的SiC增强2014铝合金基复合材料中SiC增强相是由外加颗粒法添加的；具体是由平均粒径为10μm的SiC增强相和平均粒径为100μm的SiC增强相组成的。

进一步地限定，所述10μm的SiC增强相占SiC增强相总体积的40％～60％。

进一步地限定，步骤二的保温时间为20min～40min。

进一步地限定，步骤五中差压铸造成形后保压120s～180s使铸件在1.7MPa～3.1MPa高压环境下完全凝固。

高压气体是指高压压缩空气或高压压缩氮气。

本发明大型薄壁SiC增强2014铝合金基复合材料铸件的高压差压成形过程浇注温度低仅在690-700℃，此时SiC增强相的流动性与2014基体合金熔体的流动性相差小，容易同步二者的流动状态，从而实现SiC增强相的均匀分布。

本发明成形大型薄壁SiC增强2014铝合金基复合材料铸件采用了高压差压成形方法，由于铸件成形后凝固的环境压力高，挤滤作用强，金属液对SiC增强之间的孔隙填充更好，可以有效避免SiC颗粒间直接接触，消除微裂纹源。

本发明可以实现大型薄壁SiC增强2014铝合金基复合材料铸件的高压差压成形，利用本方法制备的大型薄壁SiC增强2014铝合金基复合材料铸件，SiC颗粒分布的均匀程度提升70％以上。

附图说明

图1是上下压力罐加压示意图，图中箭头所示方向是进气方向；图2是上下压力罐排气示意图，箭头所示方向是出气方向。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式一种大型薄壁SiC增强2014铝合金基复合材料铸件的高压差压成形方法是按下述步骤进行的：

步骤一、取SiC增强2014铝合金基复合材料，分成A、B两份，其中A份占SiC增强2014铝合金基复合材料总重量的30％，其余为B份；

步骤二、将A份置于反重力成形装置的下压力罐的坩埚中，熔化至740℃时，加入B份，控制熔体温度在700℃，保温20min；

步骤三、然后封闭下压力罐，升液管插入坩埚内，放置并锁紧铸型，安装上压力罐后封闭；

步骤四、打开高压反重力铸造装置上压力罐和下压力罐之间的互通阀，同时从下压力罐通入高压压缩空气，至上压力罐和下压力罐内的压力均达到3.1MPa，关闭互通阀；

步骤五、控制上压力罐排气，差压铸造成形，保压120s使铸件在3.1MPa高压环境下完全凝固；即得到复合材料铸件。

进一步地限定，步骤一所述SiC增强2014铝合金基复合材料中SiC增强相体积分数范围在12％；SiC增强相是由平均粒径为10μm的SiC增强相和平均粒径为100μm的SiC增强相组成的，其中，所述10μm的SiC增强相占SiC增强相总体积的50％。

凝固后排气处理：打开互通阀直到上、下压力罐压力相同时，同步排出上、下压力罐气体至环境压力，并断开坩埚电源；排气后出件：开罐并取出铸件，并将坩埚内剩余的熔体浇注到模具中形成小的复合材料铸锭以备下次使用。

本实施方式中SiC增强2014铝合金基复合材料铸件的高压差压成形过程浇注温度低仅在700℃，此时SiC增强相的流动性与2014基体合金熔体的流动性相差小，容易同步二者的流动状态，从而实现SiC增强相的均匀分布；由于铸件成形后凝固的环境气压高，挤滤作用强，金属液对SiC增强之间的孔隙填充更好，可以有效避免SiC颗粒间直接接触，消除微裂纹源；利用本方法制备的大型薄壁SiC增强2014铝合金基复合材料铸件，SiC颗粒分布的均匀程度提升72％。

具体实施方式二：本实施方式一种大型薄壁SiC增强2014铝合金基复合材料铸件的高压差压成形方法是按下述步骤进行的：

步骤一、取SiC增强2014铝合金基复合材料，分成A、B两份，其中A份占SiC增强2014铝合金基复合材料总重量的40％，其余为B份；

步骤二、将A份置于反重力成形装置的下压力罐的坩埚中，熔化至720℃时，加入B份，控制熔体温度在690℃，保温40min；

步骤三、然后封闭下压力罐，升液管插入坩埚内，放置并锁紧铸型，安装上压力罐后封闭；

步骤四、打开高压反重力铸造装置上压力罐和下压力罐之间的互通阀，同时从下压力罐通入高压压缩氮气，至上压力罐和下压力罐内的压力均达到1.8MPa，关闭互通阀；

步骤五、控制上压力罐排气，差压铸造成形，保压180s使铸件在1.7MPa高压环境下完全凝固；即得到复合材料铸件。

进一步地限定，步骤一所述SiC增强2014铝合金基复合材料中SiC增强相体积分数范围在15％；SiC增强相是由平均粒径为10μm的SiC增强相和平均粒径为100μm的SiC增强相组成的，其中，所述10μm的SiC增强相占SiC增强相总体积的50％。

凝固后排气处理：打开互通阀直到上、下压力罐压力相同时，同步排出上、下压力罐气体至环境压力，并断开坩埚电源；排气后出件：开罐并取出铸件，并将坩埚内剩余的熔体浇注到模具中形成小的复合材料铸锭以备下次使用。

本实施方式中SiC增强2014铝合金基复合材料铸件的高压差压成形过程浇注温度低仅在690℃，此时SiC增强相的流动性与2014基体合金熔体的流动性相差小，容易同步二者的流动状态，从而实现SiC增强相的均匀分布；由于铸件成形后凝固的环境气压高，挤滤作用强，金属液对SiC增强之间的孔隙填充更好，可以有效避免SiC颗粒间直接接触，消除微裂纹源；利用本方法制备的大型薄壁SiC增强2014铝合金基复合材料铸件，SiC颗粒分布的均匀程度提升75％。