[发明专利]一种连续碳纤维增强铝基复材的液态近净成形方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于高性能金属基复合材料液态近净成形领域，具体是涉及一种连续碳纤维增强铝基复材的液态近净成形方法及装置。

背景技术

碳纤维连续增强铝基复合材料具有优异的力学和物理性能，在航空航天和先进武器等高新技术工程领域具有广泛的应用前景，目前该复合材料主要的制备方法有：固态高温扩散连接法、挤压铸造法、真空吸铸法和真空压力浸渗法。其中，高温扩散连接法具有对纤维损伤小、复合材料可设计性强等优点，缺点是：工艺过程复杂、生产成本高；挤压铸造法具有复合压力高、液态浸渗完整、可消除孔隙及缩孔等缺陷、提高复合材料力学性能等优点，但缺点在于：铸件形状受到限制，难以实现近净成形，高压力下易使预制体受损开裂而产生铸造缺陷；真空吸铸法可降低复合材料中气泡、夹杂等铸造缺陷的产生，真空环境还可避免铝液和纤维氧化，但缺点在于：纤维与铝液的润湿性差，高温铝液易与纤维之间发生严重的界面反应而损伤复合材料性能。真空压力浸渗法的优势在于：制备工艺简单，可以制备形状复杂的复合材料零件，实现复合材料的近净成型，但其缺点是：浸渗温度较高，易导致基体合金与碳纤维反应，需对碳纤维进行表面改性以提高其与铝熔液的浸润性和控制界面反应。

以上制备方法各有特点，一般而言，对于连续纤维增强铝基复合材料的制备，真空压力浸渗法具有制备工艺简单、压力容易控制、 不易引起预制体的变形和破坏、可实现近净成型等优点，因此适合于制造性能要求高的复杂精密零件。为了解决真空压力浸渗中碳纤维与铝熔液的低浸润性和控制二者之间的界面反应问题，一般需对碳纤维进行表面改性处理，表面镀镍处理是一种较理想的碳纤维表面改性方法。但目前的碳纤维增强铝基复合材料真空压力浸渗工艺中存在如下两个不足：（1）镀镍碳纤维预热中的表面氧化和烧损，不但损伤了纤维本身性能，而且会降低其与铝液的润湿性，导致低压浸渗制备困难；（2）镀镍碳纤维与铝液高温下接触时间较长，会发生严重的界面反应，不但损伤纤维本身完整性和性能，且易生成大量的界面脆性相，从而恶化复合材料力学性能。

发明内容：

本发明的第一个目的在于提供一种连续碳纤维增强铝基复材的液态近净成形方法（即：真空辅助调压浸渗铸造法），它解决了碳纤维表面高温氧化损伤和界面反应控制这两个难题，有助于提高复合材料组织致密度和完整性，提高复合材料力学性能，并降低其制备成本，为高性能碳纤维连续增强铝基复合材料液态近净成形制备奠定技术基础。

本发明的第二个目的在于提供一种连续碳纤维增强铝基复材的液态近净成形装置（即：真空辅助调压浸渗铸造装置）。

本发明的第一个目的是这样实现的：

一种连续碳纤维增强铝基复材的液态近净成形方法，特征是：步骤如下：

A、按照纤维体积分数35%-55%的要求，制备连续碳纤维预制体，定量切取铝合金锭得到基体铝合金，将碳纤维预制体和基体铝合金分别装入铸型中和坩埚中，将整个装置连接密封后进行气密性检查；

B、纤维预热与合金熔炼：打开坩埚加热器和铸型加热器同时进行铝合金熔炼和碳纤维预热，开启真空泵阀门和铸型阀门，同时对坩埚和铸型抽真空并保持二者的气压平衡，当坩埚气管压力表和铸型气管压力表的真空度达到5-10Pa后停止抽真空，关闭真空泵阀门，开启氩气阀门向坩埚和铸型中通入高纯度的氩气，坩埚气管压力表和铸型气管压力表的氩气压力达到20-30KPa后，关闭氩气阀门并保持压力10-20分钟；开启真空泵阀门抽真空至真空度5-10Pa，然后关闭真空泵阀门，打开氩气阀门通入氩气并保压，到20-30KPa后，关闭氩气阀门并保持压力10-20分钟，重复以上步骤，通过抽真空和通氩气的交替进行，实现低氧气氛下的合金熔炼和纤维预热，直至合金熔炼和纤维预热结束，通过坩埚热电偶控制铝合金的熔炼温度650-800℃，通过铸型热电偶控制碳纤维的预热温度400-650℃；

C、真空辅助气压浸渗：铝合金加热至液相线温度以上50-100℃，碳纤维预制体加热至400-650℃，二者均保温1小时后，关闭坩埚加热器和铸型加热器，关闭氩气阀门，打开真空泵阀门，同时对坩锅和铸型抽真空,保持二者相同的环境真空度，坩埚气管压力表和铸型气管压力表的真空度至5-10Pa，关闭真空泵阀门和铸型阀门；开启氩气阀门，对坩埚内的铝熔体液面通入压力为200-500KPa的氩气，在坩埚和铸型的压差作用下，使高温铝液以可控的压力渗透到铸型内的碳纤维预制体中并填充碳纤维的空隙，实现铝合金与碳纤维的复合，完成复合材料的真空辅助低压浸渗；