本發(fā)明屬于復(fù)合材料成形鑄造領(lǐng)域，具體涉及一種鋁基復(fù)合材料薄壁件一體化成形設(shè)備及方法。

背景技術(shù)：
近代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對材料的性能提出了更高的要求，既希望它們具有良好的綜合性能，又期望它們能夠在高溫、高壓、高真空及輻照等極端環(huán)境條件下服役。顆粒增強鋁基復(fù)合材料不僅兼有金屬的高韌性、高塑性優(yōu)點，而且有增強體顆粒高硬度、高模量、高熱穩(wěn)定性等優(yōu)點，可采用傳統(tǒng)的金屬加工工藝進行加工，因而得到研究者廣泛重視。美國學(xué)者Logsdon曾提出鋁基復(fù)合材料未來的發(fā)展前景主要在于非長纖維增強，特別是碳化硅顆粒增強鋁基復(fù)合材料。1986年，美國DuralAluminumComposites公司發(fā)明了碳化硅顆粒增強鋁硅合金的攪拌鑄造新技術(shù)，實現(xiàn)了鑄造鋁基復(fù)合材料的大規(guī)模生產(chǎn)，以鑄錠的形式供給多家鑄造廠制造各種零件。目前，攪拌鑄造法制備鋁基復(fù)合材料技術(shù)已相對成熟，但如何進行規(guī)?；a(chǎn)品開發(fā)？北京有色金屬研究總院發(fā)明了一種鋁基復(fù)合材料大型薄壁殼體的制備加工方法，采用粉末冶金或攪拌鑄造工藝制備鋁基復(fù)合材料錠坯,并開坯鍛造成鍛棒，然后孔預(yù)制成空心坯料→等溫復(fù)合擠壓,制備出管坯→多道次熱強旋變薄旋壓,得到后續(xù)復(fù)合旋壓管坯→熱-溫復(fù)合旋壓成形，獲得復(fù)合材料大型薄壁殼體，由于工藝比較復(fù)雜，不適用工業(yè)化生產(chǎn)。而鋁基復(fù)合材料制備工藝中，顆粒增強鑄造鋁基復(fù)合材料由于鑄造工藝簡單，設(shè)備要求低，適合規(guī)模化生產(chǎn)。目前，顆粒增強鑄造鋁基復(fù)合材料鑄造基本上采用復(fù)合材料重熔后鑄造的工藝。與普通鋁合金相比，鋁合金復(fù)合材料重熔過程中，由于顆粒和熔體之間的界面反應(yīng)以及比重差異，復(fù)合熔體的粘度增大，除氣難度加大，澆注過程中卷入氣體，容易造成鑄件氣孔和夾雜。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明旨在提供一種鋁基復(fù)合材料薄壁件一體化成形設(shè)備及方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)中由于鋁合金復(fù)合材料重熔過程中因吸氣而導(dǎo)致鑄件中氣孔、夾雜、冷隔等缺陷較多，使鋁基復(fù)合材料復(fù)雜薄壁件難以成形的技術(shù)問題。本發(fā)明的鋁基復(fù)合材料薄壁件一體化成形的裝置及方法尤其適合用在復(fù)雜的薄壁件制備中。具體而言，本發(fā)明提供一種鋁基復(fù)合材料薄壁件一體化制備成形設(shè)備，其特征在于，所述制備成形設(shè)備包括用于制備鋁基復(fù)合材料的制備-澆注罐和加壓罐，所述制備-澆注罐與所述加壓罐相鄰的側(cè)壁上設(shè)有輸送窗口，與所述加壓罐相通，所述輸送窗口上設(shè)有密封機構(gòu)用于保持所述制備-澆注罐與加壓罐之間的彼此相對密封，所述制備-澆注罐內(nèi)置有熔煉爐、坩堝、第一澆注模具驅(qū)動裝置、澆鑄模具和第一滑道，并且所述制備-澆注罐與抽真空裝置相連通，所述制備-澆注罐的頂部還設(shè)置有穿過其頂壁的加料桶和加料-攪拌器，所述坩堝置于所述熔煉爐內(nèi)，用于容納并熔化鋁錠，所述坩堝和所述熔煉爐上設(shè)置有水口，所述熔煉爐上設(shè)有傾轉(zhuǎn)機構(gòu)用以驅(qū)動熔煉爐使其向所述澆注模具傾轉(zhuǎn)，所述澆鑄模具位于所述熔煉爐側(cè)部、所述水口下方并且放置于所述第一滑道上,所述第一澆鑄模具驅(qū)動裝置與所述澆注模具相連，用于驅(qū)動所述澆鑄模具在所述第一滑道上運動；所述加壓罐包括加壓裝置、模具輸入輸出口、第二澆注模具驅(qū)動裝置和第二滑道，并與抽真空裝置相連。所述第一滑道和所述第二滑道分別位于所述輸送窗口的兩側(cè)，以允許所述澆注模具在澆注完成后經(jīng)所述輸送窗口從所述制備-澆注罐被推送至所述加壓罐。在一種優(yōu)選實現(xiàn)方式中，所述密封機構(gòu)包括第一密封圈、密封滑板、導(dǎo)桿、升降氣缸以及導(dǎo)套，所述升降氣缸與所述密封滑板之間用所述導(dǎo)套連接，所述升降氣缸、所述導(dǎo)套和所述導(dǎo)桿各2個，分別置于所述密封滑板兩側(cè)，所述密封滑板沿兩側(cè)的所述導(dǎo)桿運動，所述第一密封圈用于實現(xiàn)所述密封滑板與所述制備-澆注罐的密封。在另一種優(yōu)選實現(xiàn)方式中，所述制備-澆注罐的頂部設(shè)置有密封蓋板，所述制備-澆注罐的上部采用所述密封蓋板與外部隔離，所述加料桶穿過所述密封蓋板并指向所述坩堝。在另一種優(yōu)選實現(xiàn)方式中，所述第二澆注模具驅(qū)動裝置前端設(shè)有連接環(huán)，所述澆注模具的對應(yīng)位置設(shè)有鎖緊機構(gòu)，所述鎖緊機構(gòu)包括推桿、彈簧，所述彈簧置于所述推桿上，所述彈簧和所述推桿的組合體有2個，彼此相對放置構(gòu)成鎖緊機構(gòu)，所述鎖緊機構(gòu)可套住所述第二澆注模具驅(qū)動裝置前端的連接環(huán)，實現(xiàn)連接。在另一種優(yōu)選實現(xiàn)方式中，所述加料-攪拌器采用六葉片結(jié)構(gòu)。在另一種優(yōu)選實現(xiàn)方式中，所述加料桶內(nèi)為上下層結(jié)構(gòu)，且與外部完全隔離，上層裝有變質(zhì)劑和細化劑，下層裝有SiCp粉末，所述加料桶內(nèi)上下層分別設(shè)置球閥，所述球閥用于控制加料速度。在另一種優(yōu)選實現(xiàn)方式中，所述水口內(nèi)置有陶瓷過濾網(wǎng)。在另一種優(yōu)選實現(xiàn)方式中，所述抽真空裝置與所述制備-澆注罐側(cè)壁相連通，加壓裝置與所述加壓罐側(cè)壁相連通。另一方面，本發(fā)明提供一種采用上述設(shè)備進行鋁基復(fù)合材料薄壁件一體化制備成形的方法，其特征在于，所述方法包含如下步驟：步驟1、在真空環(huán)境下將鋁合金錠熔化并攪拌；步驟2、待鋁合金錠完全熔化后，將溫度控制在690℃～710℃，逐漸加入SiCp粉末，同時進行反向攪拌，轉(zhuǎn)速在100-120轉(zhuǎn)/分；步驟3、間隔2-5分鐘正向攪拌，循環(huán)往復(fù)15-20min；步驟4、將熔體溫度降到590℃～620℃，正向攪拌，轉(zhuǎn)速提升到1100-1300轉(zhuǎn)/分，間隔5-10分鐘反向攪拌，循環(huán)往復(fù)30-40min；步驟5、將熔體逐步升溫，同時減小正反向攪拌轉(zhuǎn)速，溫度升至690℃～710℃，緩慢加入變質(zhì)劑和細化劑，轉(zhuǎn)速在200-300轉(zhuǎn)/分，正向和反向攪拌總時間10-20min；步驟6、對澆注模具進行預(yù)熱，并利用所獲得的熔體進行澆注；步驟7、澆注結(jié)束后，立即對澆注模具進行加壓，壓力升至500-800Pa，保壓5-10min；步驟8、凝固結(jié)束時，泄壓到大氣壓。(三)有益效果本發(fā)明所提供的一種鋁合金復(fù)合材料復(fù)雜薄壁件一體化成形設(shè)備及方法具有如下優(yōu)點：一、通過對制備-澆注罐抽真空后鋁合金復(fù)合材料制備和澆注，防止了鋁合金復(fù)合材料重熔過程中氧化、吸氣等，避免了鋁合金復(fù)合材料鑄件中出現(xiàn)嚴重的夾渣和氣孔等缺陷，同時，石膏型保溫性好且在高真空下澆注，利于復(fù)雜薄壁件成形。二、通過對澆注后石膏型在加壓罐中加壓，促使鋁合金復(fù)合材料熔液加速補縮，防止鑄件產(chǎn)生縮松缺陷，使合金組織致密，從而保證鑄件的內(nèi)部組織致密；三、本發(fā)明的設(shè)備結(jié)構(gòu)巧妙，可操作性強，將澆注罐與加壓罐巧妙地連接在一起，既方便了澆注模具的送入又保證了在送入澆注模具時的真空狀態(tài)，并且澆筑完成后可以方便地對產(chǎn)品進行加壓保壓，制備過程一氣呵成，使產(chǎn)品的性能更加優(yōu)異。因此采用本發(fā)明的鋁合金復(fù)合材料復(fù)雜薄壁件一體化成形設(shè)備及方法，生產(chǎn)鋁合金復(fù)合材料薄壁件鑄件質(zhì)量穩(wěn)定：鑄件內(nèi)部無夾渣、縮松、氣孔等缺陷，組織致密，性能良好，滿足生產(chǎn)要求；該裝置易于推廣，適合鋁合金復(fù)合材料復(fù)雜薄壁件小規(guī)?；a(chǎn)，鑄件成品率較高。附圖說明圖1為本發(fā)明的鋁基復(fù)合材料復(fù)雜薄壁件一體化制備成形設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖1中B位置放大圖及密封滑板25和導(dǎo)桿28的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為圖1中A位置第一石膏型推拉氣缸21與石膏型碰撞連接機構(gòu)的放大示意圖。圖4為本發(fā)明的鋁基復(fù)合材料復(fù)雜薄壁件一體化制備成形設(shè)備的加料-攪拌器結(jié)構(gòu)示意圖。圖5-6為本發(fā)明的鋁基復(fù)合材料復(fù)雜薄壁件一體化制備鋁合金復(fù)合材料顯微組織。具體實施方式下面結(jié)合說明書附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式作進一步詳細描述。以下實施例僅用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。如圖1所示，本實施例記載了一種鋁合金復(fù)合材料復(fù)雜薄壁件一體化成形設(shè)備，該設(shè)備包括：鋁合金制備-澆注罐1和加壓罐6。制備-澆注罐1的上部采用密封蓋板2與外部隔離，密封蓋板2上設(shè)有加料桶3、加料-攪拌器4和第一觀察窗5。加料桶3內(nèi)置兩層，上層裝有變質(zhì)劑和細化劑，下層裝有SiCp粉末，分別通過兩個球閥15控制加料速度，且與外部完全隔離。加料-攪拌器的升降和攪拌機構(gòu)4置于密封蓋板2上部，攪拌裝置位于制備-澆注罐1內(nèi)，用于對制備-澆注罐1內(nèi)的熔體進行加料及攪拌，加料-攪拌器16內(nèi)部采用上下各四個葉片，外部采用螺旋片狀結(jié)構(gòu)(如圖4所示)。制備-澆注罐1的內(nèi)部設(shè)置熔煉爐19、坩堝20、第一石膏型推拉氣缸21、石膏型22、第一滑道23。制備-澆注罐1與加壓罐6并排緊貼放置，二者的相鄰側(cè)壁上設(shè)有輸送窗口，該輸送窗口可以開啟以便使制備-澆注罐1與加壓罐6相通，輸送窗口正常狀態(tài)下為關(guān)閉狀態(tài)，其采用密封機構(gòu)實現(xiàn)相對于加壓罐6的密封。坩堝20置于熔煉爐19內(nèi)，用于容納并熔化鋁錠，坩堝20和熔煉爐19上設(shè)置有水口18，水口18內(nèi)置有陶瓷過濾網(wǎng)。熔煉爐19上設(shè)有傾轉(zhuǎn)機構(gòu)17用以驅(qū)動坩堝20使其向石膏型22傾轉(zhuǎn)，其采用氣缸推動實現(xiàn)澆注，從而實現(xiàn)澆注時坩堝20液面平穩(wěn)，通過陶瓷過濾網(wǎng)防止熔體表面覆蓋著氧化物卷入液流澆入石膏型22中。石膏型22位于熔煉爐19側(cè)部水口18下方并且放置于第一滑道23上,第一石膏型推拉氣缸21與石膏型22相連，用于驅(qū)動石膏型22在第一滑道23上運動，二者的連接可以根據(jù)需要而斷開。如圖2所示，密封機構(gòu)包括第一密封圈24、密封滑板25、導(dǎo)桿28、升降氣缸13以及導(dǎo)套16，升降氣缸13、導(dǎo)套29和導(dǎo)桿28各2個，分別置于密封滑板25兩側(cè)，密封滑板25在兩側(cè)升降氣缸13的帶動下依靠兩側(cè)導(dǎo)桿28上下運動，升降氣缸13與密封滑板25之間用導(dǎo)套29連接。在需要保持密封時，密封滑板25正對輸送窗口并通過密封圈24保持密封，在需要開啟輸送窗口時，通過升降氣缸13帶動密封滑板25向上移動，進而允許石膏型22通過。石膏型22上設(shè)有鎖緊機構(gòu)，如圖3所示，第二石膏型推拉氣缸11前端設(shè)有連接環(huán)，鎖緊機構(gòu)包括推桿27、彈簧26，彈簧26置于推桿27上，彈簧26和推桿27的組合體有兩個，彼此相對放置，鎖緊機構(gòu)可套住石膏型推拉氣缸11前端的連接環(huán)，實現(xiàn)連接。繼續(xù)參照圖1，加壓罐6內(nèi)置有第二滑道12、第二石膏型推拉氣缸11，加壓罐6上部開有第二觀察窗7，右側(cè)開有鉸接門10，用于模具的輸入輸出，用第二密封圈9和鉸接門10卡緊實現(xiàn)密封，加壓罐6內(nèi)側(cè)壁上有加壓氣體管道8，與加壓裝置相連。在使用時，可以將干凈的鋁合金錠切塊置于坩堝20中，同時在加料桶3內(nèi)先后加入預(yù)處理的SiCp粉末(粒度在5-30μm不等)、變質(zhì)劑和細化劑，并將制備-澆注罐1上的密封蓋板2、密封滑板25以及加料桶3上端蓋鎖緊密封，啟動抽真空裝置14，通過制備-澆注罐1側(cè)壁上的抽真空管道對制備-澆注罐1抽真空。抽真空是為了使后續(xù)制備過程中的鋁合金熔液與空氣完全隔離，可避免鋁合金熔液吸氣和氧化。真空度達到5-10Pa，通電開始使鋁錠熔化，待坩堝20中鋁錠熔化后，降下加料-攪拌器4，通過在加料-攪拌器4上放入小塊鋁錠實現(xiàn)二次加料；待鋁錠完全熔化后，溫度控制在690℃～710℃，加料桶3緩慢加入SiCp粉末，同時加料-攪拌器4進行反向攪拌，轉(zhuǎn)速在100-120轉(zhuǎn)/分，間隔2-5分鐘正向攪拌，循環(huán)往復(fù)15-20min；之后將熔體溫度降到590℃～620℃，正向攪拌，轉(zhuǎn)速提升到1100-1300轉(zhuǎn)/分，間隔5-10分鐘反向攪拌，循環(huán)往復(fù)30-40min；將熔體逐步升溫，同時減小正反向攪拌轉(zhuǎn)速，觀察液面平穩(wěn)情況繼續(xù)降低速度，溫度升至690℃～710℃，緩慢加入變質(zhì)劑和細化劑，轉(zhuǎn)速在200-300轉(zhuǎn)/分，正/反向時間10-20min；熔體制備完成，等待澆注。熔體制備完成后，打開加壓罐6上的鉸接門10，將預(yù)熱石膏型22(預(yù)熱溫度200℃-300℃)置于加壓罐6內(nèi)第二滑道12上，鎖緊鉸接門10后，啟動抽真空裝置14，使加壓罐6真空度達到5-10Pa時，開啟升降氣缸13，打開密封滑板25，將石膏型22推至制備-澆注罐1內(nèi)第一滑道23上。待石膏型22到達第一滑道23上后，第一石膏型推拉氣缸21碰觸到石膏型22上的鎖緊機構(gòu)時，依靠石膏型向下推力將兩邊推桿27頂開，并依靠兩側(cè)推桿27上的彈簧26的彈力將第一石膏型推拉氣缸21前端連接環(huán)套住，實現(xiàn)與石膏型22連接。調(diào)整石膏型22位置，以保證鋁合金復(fù)合材料熔液以平穩(wěn)速度在石膏型22型腔內(nèi)流動。啟動坩堝傾轉(zhuǎn)機構(gòu)17將坩堝20傾斜進行澆注，同時左右移動石膏型22，通過鋁合金復(fù)合材料制備后即刻澆注，在高真空狀態(tài)下澆注避免石膏型“憋氣”，同時防止了鋁合金復(fù)合材料熔體因吸氣、氧化而導(dǎo)致的熔體流動性降低，這樣既能防止鑄件產(chǎn)生氣孔和夾雜缺陷，又能保證復(fù)雜薄壁件的順利成形。鋁合金復(fù)合材料熔體石膏型澆注結(jié)束后，立即用第一石膏型推拉氣缸21將石膏型22推入加壓罐6中第二滑道12，因第二滑道12相對較平而與推拉氣缸21瞬間脫開。放下密封滑板25并到位后開啟第二石膏型推拉氣缸11推動石膏型22頂緊密封滑板25。利用加壓裝置對加壓罐6加壓，通過對石膏型22鋁液表面施加壓力，促使鋁合金復(fù)合材料熔液加速補縮，防止鑄件產(chǎn)生縮松缺陷，使合金組織致密，從而有利于提高薄壁件的內(nèi)在質(zhì)量。然后，壓力升至500-800Pa，保壓5-10min；熔體凝固后，將加壓罐6泄壓到大氣壓，開啟鉸接門10，取出石膏型22。重復(fù)澆注、凝固的步驟即可實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)。圖5-6為本發(fā)明的鋁基復(fù)合材料復(fù)雜薄壁件一體化制備鋁合金復(fù)合材料顯微組織，明顯可見SiCp(粒度121m)在基體中基本均勻分布，很少出現(xiàn)團聚。這種高質(zhì)量的薄壁件通過其他制備設(shè)備或方法很難得到。雖然上面結(jié)合本發(fā)明的優(yōu)選實施例對本發(fā)明的原理進行了詳細的描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，上述實施例僅僅是對本發(fā)明的示意性實現(xiàn)方式的解釋，并非對本發(fā)明包含范圍的限定。實施例中的細節(jié)并不構(gòu)成對本發(fā)明范圍的限制，在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，任何基于本發(fā)明技術(shù)方案的等效變換、簡單替換等顯而易見的改變，均落在本發(fā)明保護范圍之內(nèi)。