專(zhuān)利名稱：連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料板帶鑄軋成型工藝及設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬基復(fù)合材料制備技術(shù)，具體涉及了連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料板帶鑄軋成型工藝及設(shè)備。
背景技術(shù)：
金屬基復(fù)合材料(Metal Matrix Composites,MMC)的研究起步于20世紀(jì)60年代，與樹(shù)脂基復(fù)合材料相比，金屬基復(fù)合材料除了具有高比強(qiáng)度、高比模量和低熱膨脹系數(shù)等特點(diǎn)外，還具有耐高溫、橫向強(qiáng)度和剛度高、高導(dǎo)熱與導(dǎo)電率、抗輻射等優(yōu)點(diǎn)，因而受到國(guó)內(nèi)外研究者的高度重視，在航空、航天、軍事、汽車(chē)、機(jī)械等領(lǐng)域顯示出巨大的應(yīng)用潛力。目前，MMC有鋁基、鎂基、鈦基、高溫合金基、鎳基和銅基等多種材料。鋁基復(fù)合材料除具有普通MMC優(yōu)良性能外，還具有密度低、重量輕，制造工藝、設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，成本相對(duì)較低，可進(jìn)行大規(guī)模批量生產(chǎn)等特點(diǎn)，倍受航空、航天部門(mén)的廣泛關(guān)注。國(guó)外已有在衛(wèi)星波導(dǎo)管、天線骨架、衛(wèi)星桁架等對(duì)重量、強(qiáng)度、剛度要求很高的航天、航空部件應(yīng)用的報(bào)導(dǎo)。金屬基復(fù)合材料的性能、應(yīng)用、成本等在很大程度上取決于金屬基復(fù)合材料的制造工藝和方法，研究發(fā)展有效的金屬基復(fù)合材料制造方法一直是金屬基復(fù)合材料研究中最重要的問(wèn)題之一。不同類(lèi)型的金屬基復(fù)合材料其制造方法上有很大差別，需要考慮金屬基體和增強(qiáng)物類(lèi)型、物理、化學(xué)相容性等。為了保證金屬基體有足夠的流動(dòng)性，使之充分滲透到增強(qiáng)材料之間的間隙中并與之復(fù)合，需要高的制造溫度，在高溫下增強(qiáng)材料與基體容易發(fā)生界面反應(yīng)，也可能氧化，生成有害的反應(yīng)產(chǎn)物。在纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料中適當(dāng)?shù)慕缑娼Y(jié)合強(qiáng)度是材料具有最高性能的保證，此時(shí)界面既能有效地傳遞載荷，又能有效地阻止裂紋的擴(kuò)展，充分發(fā)揮纖維的作用。過(guò)強(qiáng)的界面結(jié)合可能使材料發(fā)生早期的低應(yīng)力破壞，反應(yīng)產(chǎn)物都呈脆性，在應(yīng)力作用下往往首先斷裂，成為裂紋源，引起復(fù)合材料的整體破壞。有些反應(yīng)產(chǎn)物本身不穩(wěn)定，容易分解造成界面分離。因此必須盡量控制界面脆性相的生成。金屬基體與增強(qiáng)材料之間浸潤(rùn)性差，甚至在制造溫度下完全不浸潤(rùn)。增強(qiáng)材料與基體之間有很好的潤(rùn)濕性(即接觸角小于90° )，基體才能均勻覆蓋于增強(qiáng)材料表面和滲入到增強(qiáng)材料的間隙之間，因此，這是得到性能良好的復(fù)合材料的前提。采用表面金屬化方法可以有效改善纖維與金屬基體間的界面結(jié)合問(wèn)題。目前纖維表面金屬化的方法很多，如電鍍、化學(xué)鍍、表面涂層、氣相沉積等，其中化學(xué)鍍是一種簡(jiǎn)單易行、效果良好的方法。將增強(qiáng)材料按設(shè)計(jì)要求的含量、方向均勻分布于基體中是金屬基復(fù)合材料制造時(shí)的另一困難，增強(qiáng)材料種類(lèi)很多，有直徑較粗的單絲、直徑較細(xì)的集束纖維及其制品、短纖維、晶須、顆粒等。它們?cè)诔叽?、形狀、物理化學(xué)熱性能上有很大差別，應(yīng)該針對(duì)各自的特點(diǎn)，使用合適的方法將其均勻分布于基體中。近30年來(lái)，世界各國(guó)在金屬基復(fù)合材料領(lǐng)域投入了大量人力物力，從材料的基體、增強(qiáng)粒子、微觀組織、力學(xué)性能與斷裂韌性等角度進(jìn)行了許多基礎(chǔ)和應(yīng)用性研究，取得了顯著的成績(jī)，已掌握了多種成熟的制備工藝。連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制造難度最大，將纖維以一定的含量、排列方向，分布在金屬基體中，需要采用一些特殊的方法。如液態(tài)金屬浸潰法、加壓鑄造法、固態(tài)擴(kuò)散粘結(jié)等。而制造顆粒、晶須增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料相對(duì)容易一些，可選用現(xiàn)有常規(guī)冶金方法，如粉末冶金、鑄造法、噴射沉積等方法來(lái)制備。文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn):有研究者利用超聲波焊接技術(shù)將層間夾有連續(xù)纖維的片狀金屬?gòu)?fù)合制備成單塊自由形狀的零部件，運(yùn)用此種技術(shù)制備連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料能夠最大限度的降低纖維的損害和變形，降低纖維與基體金屬的界面反應(yīng)，纖維和基體復(fù)合良好，其缺點(diǎn)為焊接金屬不能太厚，需要加壓，對(duì)工藝的要求較高。中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利“一種連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料型材的制備方法”(專(zhuān)利號(hào):201110253656.0)公布了一 種纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料制備方法,從其實(shí)施方法來(lái)看,很難實(shí)現(xiàn)對(duì)板材的連續(xù)自動(dòng)化生成，工藝過(guò)程較復(fù)雜，制備時(shí)間長(zhǎng)，不利于工業(yè)化批量生產(chǎn)，很難減低工藝成本。中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利“一種連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備方法”(專(zhuān)利號(hào):201010588882.X)采用層疊技術(shù)制備連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，雖然其操作簡(jiǎn)便，容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)，但由于其所選銅基底為水冷，使得噴吹出的金屬液很快凝固，在利用擠壓輥進(jìn)行碾壓時(shí)，很容易使纖維受損，降低其增強(qiáng)效果，反復(fù)碾壓更會(huì)加大纖維受損傷程度。中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利“一種連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料制備設(shè)備”(申請(qǐng)?zhí)?201210072358.6)并沒(méi)有考慮到纖維與金屬基間的浸潤(rùn)性，無(wú)法控制纖維與金屬基體間為半固態(tài)結(jié)合，軋制過(guò)程中對(duì)纖維會(huì)造成損壞，無(wú)法控制纖維的體積百分含量。綜上所述，金屬基復(fù)合材料具有許多優(yōu)異的性能，制備金屬基復(fù)合材料的方法也多種多樣，連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制造難度大，工藝復(fù)雜，生產(chǎn)成本高，而且工藝成本往往比原材料本身的成本高得多。為了進(jìn)一步推廣纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的應(yīng)用，必須努力簡(jiǎn)化生產(chǎn)工序、降低生產(chǎn)成本。制備與成型的一體化無(wú)疑是降低金屬基復(fù)合材料制造成本的一條重要途徑。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)以上現(xiàn)有技術(shù)存在的不足和缺點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)，提供一種集液態(tài)金屬浸潰、反向凝固和軋制成型于一體，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)化，實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率的連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料板帶鑄軋成型工藝及設(shè)備。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料板帶鑄軋成型工藝，其特征是:該工藝的工序步驟依次為:纖維放料一施加張力一纖維預(yù)熱與金屬液加熱保溫一纖維浸潤(rùn)一金屬液補(bǔ)熱一金屬液反向凝固一板帶軋制一板帶收卷。所述的纖維預(yù)熱工序中纖維預(yù)熱溫度為200_450°C ；所述的金屬液加熱保溫與纖維浸潤(rùn)的溫度工序中金屬液的溫度為其液相線溫度以上 10-2000C ；所述的金屬液補(bǔ)熱工序中金屬液溫度介于液相線和固相線之間；所述的纖維預(yù)熱與金屬液加熱保溫、纖維浸潤(rùn)中金屬液需要惰性氣體保護(hù)下完成；
所述的板帶軋制工序中軋機(jī)的軋制量小于30% ；所述的纖維放料工序的放料速度、板帶軋制工序中軋制板帶速度和板帶收卷工序中收料速度相同，線速度為30-80cm/min。
纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料板帶鑄軋成型設(shè)備，包括放料裝置、張力裝置、液面控制部分、鑄造主體部分、冷卻機(jī)構(gòu)、軋機(jī)及收料裝置；所述的放料裝置與張力裝置依次布置在所述的鑄造主體部分的前面，所述的冷卻機(jī)構(gòu)、軋機(jī)及收料裝置依次布置在所述的鑄造主體部分的后面；纖維帶從放料裝置上經(jīng)過(guò)張力裝置由鑄造主體部分的入口進(jìn)入鑄造主體部分的坩堝金屬液中，然后再由鑄造主體部分的出口引出帶有金屬的復(fù)合材料板坯，復(fù)合材料板坯經(jīng)過(guò)冷卻機(jī)構(gòu)后，進(jìn)入軋機(jī)進(jìn)行軋制成金屬基復(fù)合材料板帶，最后金屬基復(fù)合材料板帶由收料裝置卷取成成品帶卷；所述的鑄造主體部分由纖維預(yù)熱、金屬液加熱保溫和金屬液補(bǔ)熱三個(gè)部分組成；其中:(I)金屬液加熱保溫:包括金屬液、惰性保護(hù)氣體管、熱電偶、剛玉管、電熱絲、坩堝、熔煉爐體；所述的坩堝裝在熔煉爐體內(nèi)，坩堝內(nèi)為金屬液，在熔煉爐體與坩堝之間設(shè)有耐火打結(jié)層，耐火打結(jié)層內(nèi)盤(pán)裝著所述的電熱絲；所述的惰性保護(hù)氣體管與熱電偶裝在熔煉爐體頂部，并通向熔煉爐體內(nèi)；(2)纖維預(yù)熱部分:包括纖維帶入口體、熱電偶與惰性保護(hù)氣體管；所述的纖維帶入口體由外殼與外殼內(nèi)的耐火打結(jié)層構(gòu)成，耐火打結(jié)層內(nèi)盤(pán)裝著所述的電熱絲，所述的熱電偶插裝在纖維帶入口處；該纖維預(yù)熱部分裝在熔煉爐體前面；(3)金屬液補(bǔ)熱:包括纖維帶出口體、熱電偶及成型銅嘴；所述的纖維帶出口體由外殼、外殼內(nèi)的耐火打結(jié)層與成型銅嘴構(gòu)成，耐火打結(jié)層內(nèi)盤(pán)裝著所述的電熱絲，所述的成型銅嘴裝在纖維帶出口體的出口處；該金屬液補(bǔ)熱裝在熔煉爐體后面；所述的熱電偶插裝在成型銅嘴上；所述的剛玉管的中部設(shè)有流入管內(nèi)的金屬液開(kāi)口，剛玉管插裝在纖維預(yù)熱、金屬液加熱保溫和金屬液補(bǔ)熱三個(gè)部分中，剛玉管的金屬液開(kāi)口向上，在i甘禍內(nèi)的金屬液中，所述的剛玉管的前口即為纖維帶入口，剛玉管的后口與成型銅嘴對(duì)接，即為帶有金屬纖維帶出口 ；所述的液面控制部分裝在鑄造主體部分中熔煉爐體的一側(cè)，液面控制部分的液面控制塊置于鑄造主體部分的坩堝內(nèi)的金屬液中。所述的液面控制部分包括液面控制塊、液面探測(cè)器、伺服電機(jī)、升降絲桿與機(jī)械臂；所述的液面控制塊吊裝在機(jī)械臂上，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)升降絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)機(jī)械臂上下移動(dòng)，使液面控制塊在金屬液中上下移動(dòng)；所述的液面探測(cè)器裝在所述的在熔煉爐體頂部，并通向熔煉爐體內(nèi)。所述的冷卻機(jī)構(gòu)在底座上設(shè)有絲桿、螺母與手輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)，能夠手動(dòng)調(diào)節(jié)鑄造主體部分的成型銅嘴與冷卻機(jī)構(gòu)間的距離。本發(fā)明具有的有益效果和優(yōu)點(diǎn)是:(I)實(shí)現(xiàn)了連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料制備的短流程新技術(shù)，使纖維浸潤(rùn)、金屬液反向凝固、板帶軋制在同一條線上完成，可簡(jiǎn)化生產(chǎn)工序，降低生產(chǎn)成本；(2)浸潤(rùn)、凝固同時(shí)承受軋制變形，使金屬與基增強(qiáng)纖維相互交聯(lián)融合，提高纖維與金屬基的結(jié)合強(qiáng)度，改善板帶微觀組織結(jié)構(gòu)，確保纖維均勻分布，有效提高纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料板帶的最終力學(xué)性能；(3)在保證板帶質(zhì)量的前提下，實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率，可廣泛應(yīng)用多種連續(xù)纖維(如碳纖維、硼纖維、氧化鋁纖維、碳化硅纖維和氮化硅纖維等)增強(qiáng)的不同金屬基(如鋁基、鎳基、銅基、鎂基、鈦基、鉛基和鋅基等)復(fù)合材料制備。


圖1是本發(fā)明的設(shè)備組成示意圖；圖2是本發(fā)明工藝流程示意圖。圖中:放料裝置1、纖維2、張力裝置3、升降絲桿4、金屬液5、惰性保護(hù)氣體管6、液面控制塊7、液面探測(cè)器8、機(jī)械臂9、熱電偶10、剛玉管11、電熱絲12、坩堝13、熔煉爐體
14、伺服電機(jī)15、成型銅嘴16、冷卻機(jī)構(gòu)17、軋機(jī)18、板帶19和收料裝置20。具體實(shí)施方法以下結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明具體實(shí)施方法。如圖1所示，連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料板帶鑄軋成型設(shè)備，包括放料裝置1、張力裝置3、液面控制部分、鑄造主體部分、冷卻機(jī)構(gòu)17、軋機(jī)18及收料裝置20 ;所述的放料裝置I與張力裝置3依次布置在所述的鑄造主體部分的前面(纖維帶入鑄造主體部分為前面，反之為后面)，所述的冷卻機(jī)構(gòu)17、軋機(jī)18及收料裝置20依次布置在所述的鑄造主體部分的后面；纖維帶從放料裝置I上經(jīng)過(guò)張力裝置3由鑄造主體部分的入口進(jìn)入鑄造主體部分的坩堝13金屬液5中，然后再由鑄造主體部分的出口引出帶有金屬的復(fù)合材料板坯，復(fù)合材料板坯經(jīng)過(guò)冷卻 機(jī)構(gòu)17后，進(jìn)入軋機(jī)18進(jìn)行軋制成金屬基復(fù)合材料板帶，最后金屬基復(fù)合材料板帶由收料裝置20卷取成成品帶卷。所述的鑄造主體部分由纖維預(yù)熱、金屬液加熱保溫和金屬液補(bǔ)熱三個(gè)部分組成；其中:(I)金屬液加熱保溫:包括金屬液5、惰性保護(hù)氣體管6、熱電偶10、剛玉管11、電熱絲12、坩堝13、熔煉爐體14 ;所述的坩堝13裝在熔煉爐體14內(nèi)，坩堝13內(nèi)為金屬液5，在熔煉爐體14與坩堝13之間設(shè)有耐火打結(jié)層，耐火打結(jié)層內(nèi)盤(pán)裝著所述的電熱絲12 ;所述的惰性保護(hù)氣體管6與熱電偶10裝在熔煉爐體14頂部，并通向熔煉爐體14內(nèi)；(2)纖維預(yù)熱部分:包括纖維帶入口體、熱電偶10與惰性保護(hù)氣體管6 ;所述的纖維帶入口體由外殼與外殼內(nèi)的耐火打結(jié)層構(gòu)成，耐火打結(jié)層內(nèi)盤(pán)裝著所述的電熱絲，所述的熱電偶10插裝在纖維帶入口處；該纖維預(yù)熱部分裝在熔煉爐體14前面；(3)金屬液補(bǔ)熱:包括纖維帶出口體、熱電偶10及成型銅嘴16 ;所述的纖維帶出口體由外殼、外殼內(nèi)的耐火打結(jié)層與成型銅嘴16構(gòu)成，耐火打結(jié)層內(nèi)盤(pán)裝著所述的電熱絲，所述的成型銅嘴16裝在纖維帶出口體的出口處；該金屬液補(bǔ)熱裝在熔煉爐體14后面；所述的熱電偶10插裝在成型銅嘴16上；所述的剛玉管11的中部設(shè)有流入管內(nèi)的金屬液開(kāi)口，剛玉管11插裝在纖維預(yù)熱、金屬液加熱保溫和金屬液補(bǔ)熱三個(gè)部分中，剛玉管11的金屬液開(kāi)口向上，在 甘禍13內(nèi)的金屬液5中，所述的剛玉管11的前口即為纖維帶入口，剛玉管11的后口與成型銅嘴16對(duì)接，即為帶有金屬纖維帶出口；
所述的液面控制部分裝在鑄造主體部分中熔煉爐體14的一側(cè)，液面控制部分的液面控制塊7置于鑄造主體部分的坩堝13內(nèi)的金屬液中。所述的液面控制部分包括液面控制塊7、液面探測(cè)器8、伺服電機(jī)15、升降絲桿4與機(jī)械臂9 ;所述的液面控制塊7吊裝在機(jī)械臂9上，伺服電機(jī)15驅(qū)動(dòng)升降絲桿4轉(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)機(jī)械臂9上下移動(dòng)，使液面控制塊7在金屬液中上下移動(dòng)，以改變金屬液面的高低；所述的液面探測(cè)器8裝在所述的在熔煉爐體14頂部，并通向熔煉爐體14內(nèi)。所述的冷卻機(jī)構(gòu)17在底座上設(shè)有絲桿、螺母與手輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)，能夠手動(dòng)調(diào)節(jié)鑄造主體部分的成型銅嘴16與冷卻機(jī)構(gòu)17間的距離。所述的冷卻機(jī)構(gòu)17可以保證成型銅嘴16處板帶拉坯成功，金屬液不外漏，合理控制軋輥轉(zhuǎn)速和冷卻機(jī)構(gòu)強(qiáng)度，維持纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料板帶軋制前的固液兩相狀態(tài)，可使增強(qiáng)纖維軋制過(guò)程中不受損傷，并能提高纖維與金屬間的結(jié)合強(qiáng)度。所述的張力裝置3可以使纖維浸入金屬液前帶有一定的張力，確保纖維復(fù)絲在金屬基中的均勻分布；惰性 保護(hù)氣體管6提供的惰性保護(hù)氣體可以避免增強(qiáng)纖維與氧接觸而被氧化，保證其增強(qiáng)作用；液面控制部分可以使金屬液面始終維持在同一高度，保證成型銅嘴16的出口壓力穩(wěn)定。纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料板帶鑄軋成型工藝:本發(fā)明連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料為:連續(xù)纖維:如碳纖維、硼纖維、氧化鋁纖維、碳化硅纖維和氮化硅纖維等，金屬基:如鋁基、鎳基、銅基、鎂基、鈦基、鉛基和鋅基等。如圖2所示，本發(fā)明的工藝步驟依次為:纖維放料一施加張力一纖維預(yù)熱與金屬液加熱保溫一纖維浸潤(rùn)一金屬液補(bǔ)熱一金屬液反向凝固一板帶軋制和板帶收卷。施加張力可由張力裝置3完成，纖維預(yù)熱溫度為200-450°C，纖維浸潤(rùn)時(shí)金屬液的溫度為其液相線以上10-200°C，金屬液補(bǔ)熱溫度介于液相線和固相線之間，金屬液反向凝固由冷卻機(jī)構(gòu)17和成型銅嘴16共同完成，兩者間距可手動(dòng)調(diào)整，板帶軋制可以選用一組或多組雙輥軋機(jī)。纖維預(yù)熱、金屬加熱保溫和金屬液補(bǔ)熱的溫度控制由熱電偶10和電熱絲12配合人工智能的溫度控制器自動(dòng)完成。金屬液反向凝固時(shí)，成型銅嘴16橫截面內(nèi)部為矩形，寬度尺寸大于板帶軋制后最終尺寸。板帶軋制的軋制量小于30%。成型銅嘴16處的壓力由升降絲桿4、液面控制塊7、液面探測(cè)器8、機(jī)械臂9和伺服電機(jī)15協(xié)同完成,液面高度為100-200mm.
放料裝置1、軋機(jī)18和收料裝置20的速度相同，線速度為30-80cm/min.
本發(fā)明工藝需在惰性氣體保護(hù)下完成，惰性氣體可選用氬氣或氦氣。應(yīng)用實(shí)施例1:單向連續(xù)12K鍍鎳碳纖維增強(qiáng)2024鋁合金基復(fù)合材料板帶制備主要鑄軋控制參數(shù):軋輥間隙為1.5mm,軋輥的轉(zhuǎn)速和復(fù)合材料板帶拉坯速度均為50cm/min，成型銅嘴出口為矩形，尺寸為IOmm x 2mm，纖維預(yù)熱溫度為300°C，金屬液補(bǔ)熱溫度為400°C，坩堝內(nèi)鋁液溫度700°C，鋁合金液面高度為100mm，惰性保護(hù)氣體為氬氣，裁邊后板帶橫截面尺寸為IOmm X 1.5mm。
本實(shí)施例采用12K的T300鍍鎳碳纖維復(fù)絲作為單向連續(xù)增強(qiáng)纖維，體積分?jǐn)?shù)為50%時(shí)，制備的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料長(zhǎng)軸方向抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到685MPa。應(yīng)用實(shí)施例2:單向連續(xù)12K鍍鎳碳纖維增強(qiáng)ZK60鎂合金基復(fù)合材料板帶制備主要控制參數(shù):軋輥間隙為1.5mm，軋輥的轉(zhuǎn)速和復(fù)合材料板帶拉坯速度均為50cm/min，成型銅嘴出口為矩形，尺寸為10_ x 2_，纖維預(yù)熱溫度為300°C，金屬液補(bǔ)熱溫度為350°C，坩堝內(nèi)鎂合金液體溫度710°C，液面高度為100mm，惰性保護(hù)氣體為氬氣，裁邊后板帶橫截面尺寸為IOmm X 1.5mm。本實(shí)施例采用12K的T300鍍鎳碳纖維復(fù)絲作為單向連續(xù)增強(qiáng)纖維，體積分?jǐn)?shù)為50%時(shí)，制備的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)ZK60鎂合金基復(fù)合材料長(zhǎng)軸方向抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到650MPa。應(yīng)用實(shí)施例3:連續(xù)碳纖維平紋織布增強(qiáng)2024鋁合金基復(fù)合材料板帶制備主要控制參數(shù):軋輥間隙為2mm，軋輥的轉(zhuǎn)速和復(fù)合材料板帶拉坯速度均為50cm/min，成型銅嘴出口為矩形，尺寸為IOmm x 2.5mm，纖維預(yù)熱溫度為300°C，金屬液補(bǔ)熱溫度為400°C，坩堝內(nèi)鋁液溫度700°C，鋁合金液面高度為100_，惰性保護(hù)氣體為氬氣，裁邊后板帶橫截面尺寸為IOmm X 2mm。本實(shí)施例利用6K的T300鍍鎳碳纖維復(fù)絲編織的平紋織布，作為雙向連續(xù)增強(qiáng)纖維，體積分?jǐn)?shù)為50%時(shí)，制備的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料軸向和橫截面方向的抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到680MPa和550MPa。

本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料制備的短流程新技術(shù)，使纖維浸潤(rùn)、金屬液反向凝固、板帶軋制在同一條線上完成，可簡(jiǎn)化生產(chǎn)工序，降低生產(chǎn)成本；浸潤(rùn)、凝固同時(shí)承受軋制變形，使金屬與基增強(qiáng)纖維相互交聯(lián)融合，提高纖維與金屬基的結(jié)合強(qiáng)度，改善板帶微觀組織結(jié)構(gòu)，確保纖維均勻分布，有效提高纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料板帶的最終力學(xué)性能；在保證板帶質(zhì)量的前提下，實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率，可廣泛應(yīng)用多種連續(xù)纖維(如碳纖維、硼纖維、氧化鋁纖維、碳化硅纖維和氮化硅纖維等)增強(qiáng)的不同金屬基(如鋁、鎳、銅、鎂、鈦、鉛、鋅及其合金等)復(fù)合材料制備。
權(quán)利要求
1.一種連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料板帶鑄軋成型工藝，其特征是:該工藝的工序步驟依次為:纖維放料一施加張力一纖維預(yù)熱與金屬液加熱保溫一纖維浸潤(rùn)一金屬液補(bǔ)熱一金屬液反向凝固一板帶軋制一板帶收卷。
2.依據(jù)權(quán)利要求1所述的連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料板帶鑄軋成型工藝，其特征是: 所述的纖維預(yù)熱工序中纖維預(yù)熱溫度為200-450°C ； 所述的金屬液加熱保溫與纖維浸潤(rùn)的溫度工序中金屬液的溫度為其液相線溫度以上10-200 0C ； 所述的金屬液補(bǔ)熱工序中金屬液溫度介于液相線和固相線之間； 所述的纖維預(yù)熱與金屬液加熱保溫、纖維浸潤(rùn)中金屬液需要惰性氣體保護(hù)下完成； 所述的板帶軋制工序中軋機(jī)的軋制量小于30% ； 所述的纖維放料工序的放料速度、板帶軋制工序中軋制板帶速度和板帶收卷工序中收料速度相同，線速度為30-80cm/min。
3.依據(jù)權(quán)利要求1所述的連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料板帶鑄軋成型工藝的設(shè)備，包括放料裝置(I)、張力裝置(3)、液面控制部分、鑄造主體部分、冷卻機(jī)構(gòu)(17)、軋機(jī)(18)及收料裝置(20);其特征是:所述的放料裝置(I)與張力裝置(3)依次布置在所述的鑄造主體部分的前面，所述的冷卻機(jī)構(gòu)(17)、軋機(jī)(18)及收料裝置(20)依次布置在所述的鑄造主體部分的后面；纖維帶從放料裝置`(I)上經(jīng)過(guò)張力裝置(3)由鑄造主體部分的入口進(jìn)入鑄造主體部分的坩堝(13)金屬液(5)中，然后再由鑄造主體部分的出口引出帶有金屬的復(fù)合材料板坯，復(fù)合材料板坯經(jīng)過(guò)冷卻機(jī)構(gòu)(17)后，進(jìn)入軋機(jī)(18)進(jìn)行軋制成金屬基復(fù)合材料板帶，最后金屬基復(fù)合材料板帶由收料裝置(20)卷取成成品帶卷； 所述的鑄造主體部分由纖維預(yù)熱、金屬液加熱保溫和金屬液補(bǔ)熱三個(gè)部分組成；其中: (1)金屬液加熱保溫:包括金屬液(5)、惰性保護(hù)氣體管(6)、熱電偶(10)、剛玉管(11)、電熱絲(12)、坩堝(13)、熔煉爐體(14);所述的坩堝(13)裝在熔煉爐體(14)內(nèi)，坩堝(13)內(nèi)為金屬液(5)，在熔煉爐體(14)與坩堝(13)之間設(shè)有耐火打結(jié)層，耐火打結(jié)層內(nèi)盤(pán)裝著所述的電熱絲(12);所述的惰性保護(hù)氣體管(6)與熱電偶(10)裝在熔煉爐體(14)頂部，并通向熔煉爐體(14)內(nèi)； (2)纖維預(yù)熱部分:包括纖維帶入口體、熱電偶(10)與惰性保護(hù)氣體管(6);所述的纖維帶入口體由外殼與外殼內(nèi)的耐火打結(jié)層構(gòu)成，耐火打結(jié)層內(nèi)盤(pán)裝著所述的電熱絲，所述的熱電偶(10)插裝在纖維帶入口處；該纖維預(yù)熱部分裝在熔煉爐體(14)前面； (3)金屬液補(bǔ)熱:包括纖維帶出口體、熱電偶(10)及成型銅嘴(16);所述的纖維帶出口體由外殼、外殼內(nèi)的耐火打結(jié)層與成型銅嘴(16)構(gòu)成，耐火打結(jié)層內(nèi)盤(pán)裝著所述的電熱絲，所述的成型銅嘴(16)裝在纖維帶出口體的出口處；該金屬液補(bǔ)熱裝在熔煉爐體(14)后面；所述的熱電偶(10)插裝在成型銅嘴(16)上； 所述的剛玉管(11)的中部設(shè)有流入管內(nèi)的金屬液開(kāi)口，剛玉管(11)插裝在纖維預(yù)熱、金屬液加熱保溫和金屬液補(bǔ)熱三個(gè)部分中，剛玉管(11)的金屬液開(kāi)口向上，在 甘禍(13)內(nèi)的金屬液(5)中，所述的剛玉管(11)的前口即為纖維帶入口，剛玉管(11)的后口與成型銅嘴(16)對(duì)接，即為帶有金屬纖維帶出口 ；所述的液面控制部分裝在鑄造主體部分中熔煉爐體(14)的一側(cè)，液面控制部分的液面控制塊(7)置于鑄造主體部分的坩堝(13)內(nèi)的金屬液中。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料板帶鑄軋成型工藝的設(shè)備，其特征是:所述的液面控制部分包括液面控制塊(7)、液面探測(cè)器(8)、伺服電機(jī)(15)、升降絲桿(4)與機(jī)械臂(9);所述的液面控制塊(7)吊裝在機(jī)械臂(9)上，伺服電機(jī)(15)驅(qū)動(dòng)升降絲桿(4)轉(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)機(jī)械臂(9)上下移動(dòng)，使液面控制塊(7)在金屬液中上下移動(dòng)；所述的液面探測(cè)器(8)裝在所述的在熔煉爐體(14)頂部，并通向熔煉爐體(14)內(nèi)。
5.依據(jù)權(quán)利要求3所述的連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料板帶鑄軋成型工藝的設(shè)備，其特征是:所述的冷卻機(jī)構(gòu)(17)在底座上設(shè)有絲桿、螺母與手輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)，能夠手動(dòng)調(diào)節(jié)鑄造主體部分的成型銅嘴(16)與冷 卻機(jī)構(gòu)(17)間的距離。
全文摘要
本發(fā)明涉及連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料板帶鑄軋成型工藝及設(shè)備。該工藝的工序步驟依次為纖維放料—纖維施加張力—纖維預(yù)熱與金屬液加熱保溫—纖維浸潤(rùn)—金屬液補(bǔ)熱—金屬液反向凝固—板帶軋制—板帶收卷。設(shè)備包括放料裝置、張力裝置、液面控制部分、鑄造主體部分、冷卻機(jī)構(gòu)、軋機(jī)及收料裝置；本發(fā)明集液態(tài)金屬浸漬、反向凝固和軋制成型于一體，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)化，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)和提高生產(chǎn)效率。
文檔編號(hào)C22C47/08GK103160760SQ20131007841
公開(kāi)日2013年6月19日 申請(qǐng)日期2013年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月12日
發(fā)明者晉艷娟, 張柱, 崔小朝, 林金保, 馬永忠, 陳艷霞, 張俊婷 申請(qǐng)人:太原科技大學(xué)