[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

摘要

本发明公开了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（即：真空辅助调压浸渗铸造法及装置），该方法包括合金熔炼及纤维预热、真空辅助气压浸渗、高压凝固和快速冷却四个工序，装置由合金熔炼装置、真空辅助调压浸渗装置和铸件快速冷却装置组成。本发明的特点在于：（1）实现了镀镍碳纤维的低氧控温预热；（2）实现了铝基复合材料的低压浸渗和高压凝固制备；（3）实现了复合材料铸件凝固中的冷却速度控制。本发明解决了碳纤维预热时的氧化烧损、浸渗时的预制体变形和复合材料凝固时的界面反应问题。本发明可实现连续碳纤维增强铝基复合材料的液态近净成形，所制备的复合材料具有组织致密、界面反应少、力学性能高等优点。

主权项

一种连续碳纤维增强铝基复材的液态近净成形方法，其特征在于：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；D、高压凝固成形：通过若干个嵌入铸型壁内的铸型热电偶的温度变化监测真空低压浸渗过程中铸型壁的温度变化，低压浸渗结束后，调节氩气阀门，使作用在坩埚内的铝熔体液面的氩气压力升至800‑1000KPa，同时移开铸型加热器并打开冷却水阀门，向冷却水套中通入冷却水，通过冷却水套对铸型内的复合材料铸件进行快速冷却，由铸型热电偶监测复合材料铸件冷却速率，通过调节冷却水泵的流量控制复合材料铸件的冷却速度，控制碳纤维与铝合金间的界面反应程度；E、复合材料铸件冷却至室温后，打开铸型与铸型气管、冷却水套、升液管之间的密封连接螺栓，取下铸型脱模，获得连续碳纤维增强铝基复合材料铸件。