[发明专利]真空浸渗－固液直接挤压制备铝基复合材料的装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料成形领域，具体是一种真空浸渗－固液直接挤压制备铝基复合材料的装置及方法。

背景技术

铝基复合材料具有低密度、高比强度、高比模量、耐高温、耐磨损、热膨胀系数小、尺寸稳定性好以及优异的铸造性能等优点，是一种轻量化、高性能的结构材料，在航空航天、军事国防领域以及汽车、电子仪表等行业有着广泛的应用。

高真空度、高体积分数和高致密度是制备出高性能铝基复合材料的关键因素。目前，铝基复合材料常见的制备方法有搅拌铸造法、粉末冶金法、真空压力浸渗法等，但搅拌铸造法体积分数低、易产生气孔、增强体易团聚，粉末冶金法工艺设备复杂、成本偏高，制备复杂零件困难；真空压力浸渗法具有真空度高，可实现高浸渗压力等优势，已成为一种制备高性能铝基复合材料的常用方法。

经文献检索发现，中国专利公开号CN101323919A公布了一种真空压力浸渗制备铝基复合材料的方法。该方法具有真空度可达到1～10^-3Pa、采用真空热压设备加压较方便、成本较低、工艺相对简单、复合材料致密度高等优点，但也存在着以下局限性：文中提到靠液压力传载到密封塞上加压金属液体浸渗成形复合材料件，受真空热压设备内腔尺寸和模具形状的限制，该过程更适宜于成形形状简单的小尺寸制件，对于尺寸较大、形状结构较复杂的复合材料件，该装置难以实现其整体成形；文中提到金属液体在密封塞的压力作用下渗入到预制体的孔隙，并经保温冷却后，将模具取出再利用车削方法将复合材料取出，取件过程不够简捷方便，不能直接便捷取出制件。且利用车削方法取出制件时，切削过程中也会对制件的形状尺寸造成一定的破坏，采用该种方法成形的复合材料的毛坯件难以实现近净成形，为获得最终理想的复合材料件，还需要后续修整和加工，工序较多，过程复杂。

发明内容

为克服现有技术中存在的高体积分数预制体临界浸渗压力大、高真空度难以保证、致密度不高的不足，并实现一些复杂铝基复合材料件的整体和近终成形，本发明提出了一种真空浸渗－固液直接挤压制备铝基复合材料的装置及方法。

本发明所述的真空浸渗－固液直接挤压制备铝基复合材料的装置包括熔炼坩埚、顶块、凸模、底部垫盘、顶杆、模具支架、模具外套和凹形块。熔炼坩埚安放在底部垫盘的上表面，底部垫盘和模具外套放置在模具支架的上表面。顶块置于熔炼坩埚内腔底部。在所述模具支架的中心、底部垫盘的中心和熔炼坩埚的底板中心均有顶杆的过孔，并且所述位于模具支架中心、底部垫盘中心和熔炼坩埚底板中心的顶杆过孔同心。顶杆的一端装入所述的顶杆过孔内，并使顶杆的上端面与顶块配合，顶杆的下端面与四柱液压机顶出缸的活塞杆相接触。模具外套固定在模具支架的上表面。

本发明还提出了一种使用所述真空浸渗－固液直接挤压制备铝基复合材料装置制备铝基复合材料的方法，其具体步骤为：

步骤1，碳布叠层穿刺预制体的制作与涂层处理。将3K平纹碳布裁剪成熔炼坩埚内壁尺寸的圆形片12-20片，并0°叠放整齐，并采用常规方法完成碳布叠层穿刺预制体的制作。将制作好的碳布叠层穿刺预制体安放在CVD炉内，采用常规方法沉积热解碳涂层。涂层工艺参数为：N₂通入量为0.1～0.5m³/h，CH₄通入量为16-24L/h，沉积温度为2000～2200℃，沉积时间为3～5小时，得到表面制备有热解碳涂层的碳布叠层穿刺预制体。

步骤2，安装铝合金熔炼装置。将顶块放置在熔炼坩埚内腔底部。将得到的表面制备有热解碳涂层的碳布叠层穿刺预制体放置于熔炼装置腔的顶块上面，将150～200g的铝合金块放置在碳布叠层穿刺预制体的上面。

步骤3，安装挤压浸渗模具。将挤压浸渗模具安装在四柱液压机上。将挤压浸渗模具中的凸模固定安装在四柱液压机的滑块上。将模具支架固定在四柱液压机工作台上。将底部垫盘和模具外套分别固定安装在模具支架上表面。顶杆与四柱液压机的下部液压顶出缸的活塞上表面相接触。至此，完成了挤压浸渗模具与四柱液压机的配合安装，通过操作四柱液压机的上部液压缸带动固定在立柱上的滑块下行和退回，通过操作四柱液压机的下部液压顶出缸实现下部顶出缸的上行和退回。