[发明专利]碳纤维增强铝合金层管构件成形工艺及成形模具

说明书

本发明公开一种碳纤维增强铝合金层管构件成形工艺及成形模具，为纤维金属层管构件成形提出了“铝合金内、外管坯热处理→铝合金外管坯软模成形→碳纤维预浸料和外层铝合金管成形件层铺→碳纤维增强铝合金层管预成形件复合压制→卸模”的工艺路线，可依据不同系列的铝合金所具备的塑性性能和冶金结合性能，开发细致的复合成形工艺过程，实现层管构件复合成形一体化制备方案，尤其适用于制备异形截面纤维金属层管构件，在复合零件的同时解决成形问题，解决纤维金属层管二次加工困难问题，扩大纤维金属复合材料应用范围，为复杂形状纤维金属层管复合材料成形提供参考。

技术领域

本发明属于管构件成型技术领域，涉及一种碳纤维增强铝合金层管构件成型技术，特别是涉及一种碳纤维增强铝合金层管构件成形工艺及成形模具。

背景技术

(一)名词解释：

纤维金属层板(Fiber metal laminates，简称FMLs)：由金属薄板、纤维材料和连接剂依次铺贴后，在特定温度和压力条件下固化而成的夹层材料。

层管构件：以管材为原始胚料经冲压加工制备而来的一类具有薄壁特征的零件。

碳纤维预浸料：通过高温高压技术将环氧树脂复合在碳纤维上形成的材料。

模压成形：将一定量的预浸料放入成形温度下的模具型腔中，然后刚性凸模与凹模闭合加压，而使其成形并固化的工艺。

固体颗粒介质成形技术(方式)：利用固体颗粒代替刚性凸模的作用对板料进行软模成形；其中，固体颗粒介质为承压能力强、流动性能好的微小颗粒。

(二)技术背景

在轻量化设计和制造中，材料设计和结构设计是实现轻量化的两大基本思路。在材料设计方面，优质轻质合金材料(如铝合金、镁合金、钛合金)已经得到了广泛的应用，复合材料以其独特的性能正在得到广泛关注。在结构设计方面，薄壁结构零件具有明显的轻量化效果，历来是轻量化设计中的首选结构。纤维金属层板材料兼具有金属材料和纤维增强复合材料的特点，纤维金属层板构件与等体积铝合金构件相比减重25％以上，而成本仅为等体积纤维增强复合材料构件的1/3左右，同时还具有高强度、高损伤容限、耐腐蚀等良好的服役性能，在航空航天、汽车制造、轨道交通、五金电子等各个领域具有广阔的应用前景和开发潜力。

目前，纤维金属层板的成形方式主要有两种工艺思路：第一种是分别成形加工金属及纤维，经表面处理后将金属和纤维分层铺设，再利用连接方式将其粘接为纤维金属层板，而后利用热压罐工艺进行固化制成目标结构件；第二种是先将金属板与纤维层粘接成纤维金属层板，再利用传统塑性成形工艺(如冲压成形)加工成目标零件。其中，第一种成形思路的关键点是利用热压罐工艺进行固化，但是，热压罐投资成本较大，用于批量不大的小构件生产成本太高；而且液压成形工艺在高温高压条件下液体密封存在极大的困难，且高温条件下液体介质化学物理稳定性差给工艺过程带来了极大的安全隐患。第二种成形思路能够发挥传统冲压工艺便捷高效的优点，通常采用热压罐工艺、热模压工艺和轧制工艺，但是，难以通过二次加工成形大曲率层管构件，距离传统金属板材冲压成形质量仍有较大差距。

目前，纤维金属层板的制备技术已经相对成熟，但是现有制备技术制得的纤维金属层板一般属于半成品材料，往往需要进行二次加工才能制得能够使用的零部件。传统的金属冲压加工须利用金属材料的塑性变形，但是金属材料和纤维材料的塑性存在差异，现有纤维金属层板/管中的纤维几乎不具备塑性，使得复合层板/管在二次加工中各层之间的变形难以协调，很容易造成褶皱、分层分裂等缺陷，给该产品的二次加工带来了巨大难题，在很大程度上制约了该类复合层管构件走向更广的应用领域，只能在少数场景有应用价值。因此，在此基础上开发层管构件的制备技术，将纤维金属层管构件推广至更多应用场景具有重大意义。