納米SiC顆粒增強(qiáng)7075鋁基復(fù)合材料半固態(tài)漿料的成型裝置和成型方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半固態(tài)漿料的成型裝置和成型方法，是申請(qǐng)日為2014年11月27日、申請(qǐng)?zhí)枮?01410705946.8的《納米SiC顆粒增強(qiáng)7075鋁基復(fù)合材料半固態(tài)漿料的制備及成型裝置和制備及成型方法》分案申請(qǐng)。
【背景技術(shù)】
[0002]由于納米陶瓷顆粒鋁基復(fù)合材料具有低密度、高比強(qiáng)度和比剛度、高彈性模量、高耐磨性、高熱導(dǎo)率和低熱膨脹系數(shù)等一系列優(yōu)異性能，使其在航空、航天、交通運(yùn)輸、核工業(yè)及兵器工業(yè)等領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。同時(shí)，為適應(yīng)國(guó)家“節(jié)能、減排、降耗”的大政方針，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)、快速發(fā)展，結(jié)構(gòu)件正向輕量化和高可靠性飛速發(fā)展，顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料被廣泛用于裝備制造業(yè)中的復(fù)雜承力結(jié)構(gòu)件。這就對(duì)其成形技術(shù)提出了更高要求。其中精確控形(控制結(jié)構(gòu)件的形狀)和精確控性(控制結(jié)構(gòu)件的力學(xué)性能)是最重要的兩個(gè)要求。精確控形是指該技術(shù)能夠完全成形出所需結(jié)構(gòu)件形狀且尺寸精度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。精確控性是指該技術(shù)不僅能夠保證結(jié)構(gòu)件的力學(xué)性能要求而且能夠使其具有更高的力學(xué)性能。在鋁基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的眾多成形技術(shù)中，以鑄造方法消耗少、工藝簡(jiǎn)單、不受零件形狀限制而備受青睞。但鑄造本身工藝容易帶來(lái)諸多缺陷，使其性能不易滿(mǎn)足使用要求(控性差)。為此，轉(zhuǎn)向鍛造加工，這就勢(shì)必增加加工成本，且工藝流程長(zhǎng)，零件形狀也不能太復(fù)雜(控形差)。為此，必須在鑄造和塑性加工之間進(jìn)行融合嫁接，尋求一種工序省、加工容易、易控形和控性且成本不高的新方法。半固態(tài)觸變成形技術(shù)具有這一優(yōu)勢(shì)。半固態(tài)觸變成形技術(shù)是一種繼承了鑄、鍛工藝的綜合優(yōu)點(diǎn)的精密、近凈成形技術(shù)，能夠有效地實(shí)現(xiàn)控形與控性的統(tǒng)一。與傳統(tǒng)的液態(tài)壓鑄相比，半固態(tài)觸變成形技術(shù)具有成形溫度低(液-固相溫區(qū))、模具壽命長(zhǎng)、組織均勻及其力學(xué)性能高等優(yōu)點(diǎn)；與固態(tài)鍛造相比，它的顯著優(yōu)點(diǎn)是用較小的力、較低的成本一次成形形狀復(fù)雜、力學(xué)性能接近于鍛件水平的結(jié)構(gòu)件。
[0003]納米顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的半固態(tài)觸變成形技術(shù)是目前半固態(tài)加工技術(shù)領(lǐng)域和鋁基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件制造技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向。而如何制備高質(zhì)量的納米顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料半固態(tài)漿料又是該技術(shù)發(fā)展中急需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。目前顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料半固態(tài)漿料的主要制備方法就是粉末冶金法和半固態(tài)機(jī)械攪拌法。雖然粉末冶金方法制備的納米顆粒鋁基復(fù)合材料具有界面結(jié)合良好、顆粒分布均勻的優(yōu)點(diǎn)，但其也明顯存在制備成本高、難以制備大尺寸半固態(tài)坯料的缺點(diǎn)。半固態(tài)機(jī)械攪拌利用半固態(tài)漿料中固相顆粒的支撐和襯托作用使陶瓷顆粒得到一定的分散，從而使該技術(shù)在陶瓷顆粒尺寸為幾微米至幾十微米時(shí)比較有效。但是一旦增強(qiáng)相粒子尺寸減小至納米尺寸時(shí)，即使利用半固態(tài)機(jī)械攪拌，也很難使納米顆粒獲得很好的分散和界面潤(rùn)濕效果。由于納米顆粒增強(qiáng)相的尺寸極小，這給納米顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料半固態(tài)坯料的制備和成形帶來(lái)很多技術(shù)困難，從而影響半固態(tài)坯料的質(zhì)量和觸變成形結(jié)構(gòu)件的組織性能。所以，要發(fā)展納米顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料半固態(tài)觸變成形技術(shù)，必須制備高質(zhì)量半固態(tài)坯料。而要制備高質(zhì)量的納米顆粒鋁基復(fù)合材料半固態(tài)坯料，必須首先解決納米顆粒和鋁基體的界面潤(rùn)濕、納米顆粒的絮凝(或團(tuán)簇)及鋁固相顆粒的球化、細(xì)化的技術(shù)瓶頸問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是要解決現(xiàn)有制備的粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料半固態(tài)漿料存在納米顆粒和鋁基體的界面潤(rùn)濕性差，納米顆粒易絮凝，成型的方法成本高，工藝流程長(zhǎng)和控形差的問(wèn)題，而提供納米SiC顆粒增強(qiáng)7075鋁基復(fù)合材料半固態(tài)漿料的成型裝置和成型方法。
[0005]納米SiC顆粒增強(qiáng)7075鋁基復(fù)合材料半固態(tài)漿料的制備裝置包括超生震蕩裝置、熱電偶、電阻爐、蓋板、攪拌器、電機(jī)、框架和坩禍；
[0006]所述的坩禍置于電阻爐中；蓋板覆蓋在電阻爐的上端面上，蓋板的中間位置上設(shè)有沖孔，超生震蕩裝置或攪拌器通過(guò)蓋板上的沖孔，伸入到坩禍內(nèi)部；攪拌器的上端與電機(jī)相連接，電機(jī)與框架使用螺栓固定連接。
[0007]納米SiC顆粒增強(qiáng)7075鋁基復(fù)合材料半固態(tài)漿料的制備方法，具體是按以下方法制備的:
[0008]一、制備液態(tài)7075鋁合金:將電阻爐升溫至650°C，然后將7075鋁合金擠壓態(tài)坯料放入坩禍內(nèi)，再在溫度為650°C下保溫lOmin?16min，得到液態(tài)7075鋁合金；
[0009]二、超聲清洗:以乙醇為清洗劑，將納米SiC顆粒在功率為100W下超聲清洗2min?3min，再進(jìn)行干燥，得到超聲清洗后的納米SiC顆粒；
[0010]三、混合、超聲:將超聲清洗后的納米SiC顆粒加入到溫度為650°C的液態(tài)7075鋁合金中，得到納米SiC顆粒和7075鋁合金的混合熔液；再將超生震蕩裝置置于納米SiC顆粒和7075鋁合金的混合熔液中，超聲處理19min?22min ；
[0011]步驟三中所述的納米SiC顆粒的體積與納米SiC顆粒和7075鋁合金的混合熔液的體積比為(1.0 ~ 1.5):100 ；
[0012]四、攪拌、降溫:將超生震蕩裝置移開(kāi)，再將攪拌器置于到納米SiC顆粒和7075鋁合金的混合熔液中，開(kāi)啟電機(jī)，邊攪拌邊降溫，得到溫度為618°C?621°C的納米SiC顆粒和7075鋁合金的混合熔液；
[0013]五、制備半固態(tài)漿料:利用攪拌器對(duì)溫度為618°C?621°C的納米SiC顆粒和7075招合金的混合恪液進(jìn)行攪拌19min?21min，得到納米納米SiC顆粒增強(qiáng)7075招基復(fù)合材料半固態(tài)漿料；
[0014]步驟五所述的納米SiC顆粒增強(qiáng)7075鋁基復(fù)合材料半固態(tài)漿料是由液態(tài)7075鋁合金、納米SiC顆粒和固相7075鋁合金晶粒組成的。
[0015]納米SiC顆粒增強(qiáng)7075鋁基復(fù)合材料半固態(tài)漿料的成形裝置包括下模板、第一螺栓、加熱器、壓板、凸模、固定板、上模板、第二螺栓、第三螺栓、凹模套、凹模、型腔和頂桿；
[0016]所述的上模板的下端面與固定板的上端面固接，凸模的上端裝在固定板內(nèi)且與上模板的下端面連接，固定板通過(guò)第二螺栓與上模板固定連接；
[0017]所述的壓板設(shè)置在凹模和凹模套的上端面，壓板通過(guò)第三螺栓與凹模套相連接；壓板的端面上設(shè)有與凸模正對(duì)的沖孔，凸模的下端穿過(guò)壓板上的沖孔，且置于凹模內(nèi)部；凹模裝在凹模套中；凹模套設(shè)有加熱器，凹模和凹模套固定在下模板的上端面上，且下模板通過(guò)第一螺栓與凹模套相連接；下模板的端面上設(shè)有與凸模正對(duì)的沖孔，頂桿的頂端設(shè)置在凹模中，頂桿的底端穿過(guò)下模板的沖孔；凸模、凹模和頂組成型腔。
[0018]納米SiC顆粒增強(qiáng)7075鋁基復(fù)合材料半固態(tài)漿料的成形方法，具體是按以下步驟完成的:
[0019]一、預(yù)熱:利用加熱器將納米SiC顆粒增強(qiáng)7075鋁基復(fù)合材料半固態(tài)漿料的成形裝置的溫度加熱至115°C?135°C，然后再利用噴槍將含有石墨的水溶液潤(rùn)滑劑均勻地噴涂在型腔的表面；再利用液壓機(jī)將凸模的底端伸入到凹模內(nèi)95mm?100mm ；
[0020]步驟一中所述的含有石墨的水溶液中石墨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%?15% ;
[0021]步驟一中所述的加熱器的功率為8kW?9kW ；
[0022]二、加熱:利用加熱器將納米SiC顆粒增強(qiáng)7075鋁基復(fù)合材料半固態(tài)漿料的成形裝置的溫度加熱至295°C?305°C，再在溫度為295°C?305°C下保溫28min?33min，得到加熱后的納米SiC顆粒增強(qiáng)7075鋁基復(fù)合材料半固態(tài)漿料的成形裝置；
[0023]三、加料:利用壓力機(jī)將凸模與凹模分離至200mm?250mm，再將納米SiC顆粒增強(qiáng)7075鋁基復(fù)合材料半固態(tài)漿料加入到型腔中；
[0024]四、加壓:利用壓力機(jī)帶動(dòng)凸模向下移動(dòng)，與凹模合模，再在壓力為390MPa?400MPa下保壓時(shí)間為90s?100s ;此時(shí)溫度一直保持在295°C?305°C ；
[0025]五、取出、冷卻:利用壓力機(jī)將頂桿的底端向上移動(dòng)，使型腔中的納米SiC顆粒增強(qiáng)7075鋁基復(fù)合材料筒形件從壓板上的沖孔頂出，冷卻至室溫，得到納米SiC顆粒增強(qiáng)7075鋁基復(fù)合材料筒型件。
[0026]本發(fā)明的有益效果是:
[0027]—、本發(fā)明提出的超聲輔助半固態(tài)