[发明专利]一种碳化硅纤维增强金属基复合材料的微波成型方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合材料热固化成形技术，尤其是一种金属基复合材料的快速加热成型技术，具体地说是一种使用微波技术成型碳化硅纤维增强金属基复合材料的方法。

背景技术

碳化硅纤维增强金属基复合材料不仅具有金属基体的高韧性、高塑性，还保留了碳化硅纤维高硬度、高模量的优点，已在航空航天领域获得了广泛的应用，如用碳化硅颗粒增强铝基复合材料制造的直升机旋翼系统连接用模锻件（浆毂夹板及袖套），已成功地用于Eurocopter公司生产的N4及EC-120新型直升机；普惠公司从PW4084发动机开始，也以DWA公司生产的挤压态碳化硅颗粒增强变形铝合金基复合材料（6092 / SiC/ 17.5p-T6），作为发动机风扇出口导流叶片，用于所有采用PW4000系发动机的波音777上。

目前碳化硅纤维增强金属基复合材料的成型方法主要有粉末冶金技术，铸造技术，共喷射沉积技术和熔渗技术等，但这些工艺方法都存在一些缺点，其中：粉末冶金技术成型周期长，成本较高；铸造技术很难实现比重差大的金属和粒子的复合；共喷射沉积技术设备昂贵，孔隙率高，原材料损失大；熔渗技术易受熔渗温度、环境气体种类及碳化硅纤维颗粒大小等因素影响。

针对传统成型方法的上述缺点，本发明提出一种碳化硅纤维增强金属基复合材料的微波成型方法，利用微波加热效应成型碳化硅纤维增强金属基复合材料。在大功率微波辐射下，碳化硅纤维增强金属基复合材料中的碳化硅纤维和金属粉末同时吸收微波，不仅可以实现材料快速、均匀的体积加热，还可以在一定程度上提高碳化硅纤维和金属基体材料间的界面结合强度。此外，在电磁场作用下，金属粉末间会因电荷集聚而产生放电打火现象，进一步实现金属粉末的快速熔融。此工艺方法可以快速、均匀的成型碳化硅纤维增强金属基复合材料，降低生产成本，提高材料内部碳化硅纤维和金属基体的界面结合性能。

本发明提出采用微波成型碳化硅纤维增强金属基复合材料，可以实现碳化硅纤维增强金属基复合材料的快速成型，并能保证良好的成型后质量。

发明内容

本发明的目的是针对现有的粉末冶金碳化硅纤维增强金属基复合材料成型周期长，成本较高；铸造碳化硅纤维增强金属基复合材料很难实现比重差大的金属和粒子的复合；共喷射沉积碳化硅纤维增强金属基复合材料用设备昂贵，孔隙率高，原材料损失大；熔渗技术易受熔渗温度、环境气体种类及碳化硅纤维颗粒大小等问题，发明一种采用微波加热技术成型碳化硅纤维增强金属基复合材料的方法，它可以快速、均匀的成型碳化硅纤维增强金属基复合材料，降低生产成本，提高材料内部碳化硅纤维和金属基体的界面结合能力。

本发明的技术方案是：

一种碳化硅纤维增强金属基复合材料的微波成型方法，其特征在于：采用微波能量穿透加热碳化硅连续纤维增强金属基复合材料，结合炉体压力，快速成型高性能的碳化硅纤维增强金属基复合材料；它包括以下步骤：

首先，采用静电将金属粉末喷涂到连续碳化硅纤维表面，通过控制静电喷涂时间调节纤维表面金属涂层的厚度；

其次，对静电喷涂后的纤维进行铺层，铺层后将其放入涂刷了脱模剂的模具内，并置于微波腔体内的工作台上，通过带活塞的模具冷压形成碳化硅纤维增强金属基复合材料预制体；

第三，按照碳化硅纤维增强金属基复合材料的加热工艺设置微波炉参数，同时通入保护气体，设置加压工艺，加热成型碳化硅纤维增强金属基复合材料；

最后，待加热和保温完成后，通过带活塞的模具热压碳化硅纤维增强金属基复合材料，抽真空排出气体杂质后，材料随炉冷却。

本发明的工作台和带活塞的模具要求能够被微波穿透，其材料需选择不明显反射微波且耐高温的材料，如高温陶瓷、石英等。

碳化硅纤维增强金属基复合材料预制体的制作部分即在连续的碳化硅纤维表面静电喷涂一层金属粉末,并通过控制喷涂时间调节纤维表面金属涂层的厚度。对静电喷涂后的碳化硅纤维进行铺层和模具冷压形成碳化硅纤维增强金属基复合材料预制体。

所述的碳化硅纤维增强金属基复合材料微波加热成型工艺是由微波炉在谐振腔内形成大功率(≥1KW)电磁场，从而使碳化硅纤维增强金属基复合材料吸收微波而均匀加热。同时，利用金属粉末在大功率(≥1KW)微波作用下的放电打火现象，实现碳化硅纤维增强金属基复合材料的快速成型。成型过程中采用红外热像仪实时测量碳化硅纤维增强金属基复合材料的温度，并根据测量到的温度和设置的加热温度自动调节微波功率均匀加热碳化硅纤维增强金属基复合材料。保持此状态直至加热完成，材料随炉冷却，完成碳化硅纤维增强金属基复合材料成型。