CN105772691A - 一种铝基复合材料薄壁件一体化成形设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铝基复合材料薄壁件一体化成形设备及方法，该设备包括用于制备铝基复合材料的制备‑浇注罐(1)和加压罐(6)。本发明的制备‑浇注罐可通过抽真空装置抽真空，加压罐可通过加压装置加压，且石膏型可由加压罐通过输送窗口进入制备‑浇注罐中进行浇注，通过在真空条件下对铝基复合材料进行制备‑浇注，并在高压下凝固的方法，获得质量稳定的一体化成形的铝基复合材料复杂薄壁件，所得铸件内部无夹渣、缩松、气孔等缺陷，组织致密，性能良好，满足生产要求；且该装置易于推广，适合铝合金复合材料复杂薄壁件小规模化生产，铸件成品率较高。

Description

一种铝基复合材料薄壁件一体化成形设备及方法

技术领域

本发明属于复合材料成形铸造领域，具体涉及一种铝基复合材料薄壁件一体化成形设备及方法。

背景技术

近代科学技术的发展，对材料的性能提出了更高的要求，既希望它们具有良好的综合性能，又期望它们能够在高温、高压、高真空及辐照等极端环境条件下服役。颗粒增强铝基复合材料不仅兼有金属的高韧性、高塑性优点，而且有增强体颗粒高硬度、高模量、高热稳定性等优点，可采用传统的金属加工工艺进行加工，因而得到研究者广泛重视。美国学者Logsdon曾提出铝基复合材料未来的发展前景主要在于非长纤维增强，特别是碳化硅颗粒增强铝基复合材料。

1986年，美国Dural Aluminum Composites公司发明了碳化硅颗粒增强铝硅合金的搅拌铸造新技术，实现了铸造铝基复合材料的大规模生产，以铸锭的形式供给多家铸造厂制造各种零件。目前，搅拌铸造法制备铝基复合材料技术已相对成熟，但如何进行规模化产品开发？北京有色金属研究总院发明了一种铝基复合材料大型薄壁壳体的制备加工方法，采用粉末冶金或搅拌铸造工艺制备铝基复合材料锭坯,并开坯锻造成锻棒，然后孔预制成空心坯料→等温复合挤压,制备出管坯→多道次热强旋变薄旋压,得到后续复合旋压管坯→热-温复合旋压成形，获得复合材料大型薄壁壳体，由于工艺比较复杂，不适用工业化生产。而铝基复合材料制备工艺中，颗粒增强铸造铝基复合材料由于铸造工艺简单，设备要求低，适合规模化生产。

目前，颗粒增强铸造铝基复合材料铸造基本上采用复合材料重熔后铸造的工艺。与普通铝合金相比，铝合金复合材料重熔过程中，由于颗粒和熔体之间的界面反应以及比重差异，复合熔体的粘度增大，除气难度加大，浇注过程中卷入气体，容易造成铸件气孔和夹杂。

发明内容

本发明旨在提供一种铝基复合材料薄壁件一体化成形设备及方法，以克服现有技术中由于铝合金复合材料重熔过程中因吸气而导致铸件中气孔、夹杂、冷隔等缺陷较多，使铝基复合材料复杂薄壁件难以成形的技术问题。本发明的铝基复合材料薄壁件一体化成形的装置及方法尤其适合用在复杂的薄壁件制备中。

具体而言，本发明提供一种铝基复合材料薄壁件一体化制备成形设备，其特征在于，所述制备成形设备包括用于制备铝基复合材料的制备-浇注罐(1)和加压罐(6)，所述制备-浇注罐(1)与所述加压罐(6)相邻的侧壁上设有输送窗口，与所述加压罐(6)相通，所述输送窗口上设有密封机构用于保持所述制备-浇注罐(1)与加压罐(6)之间的彼此相对密封，

所述制备-浇注罐(1)内置有熔炼炉(19)、坩埚(20)、第一浇注模具驱动装置(21)、浇铸模具(22)和第一滑道(23)，并且所述制备-浇注罐(1)与抽真空装置(14)相连通，所述制备-浇注罐(1)的顶部还设置有穿过其顶壁的加料桶(3)和加料-搅拌器(4)，所述坩埚(20)置于所述熔炼炉(19)内，用于容纳并熔化铝锭，所述坩埚(20)和所述熔炼炉(19)上设置有水口(18)，所述熔炼炉(19)上设有倾转机构(17)用以驱动熔炼炉(19)使其向所述浇注模具(22)倾转，所述浇铸模具(22)位于所述熔炼炉(19)侧部、所述水口(18)下方并且放置于所述第一滑道(23)上,所述第一浇铸模具驱动装置(21)与所述浇注模具(22)相连，用于驱动所述浇铸模具(22)在所述第一滑道(23)上运动；

所述加压罐(6)包括加压装置(8)、模具输入输出口(10)、第二浇注模具驱动装置(11)和第二滑道(12)，并与抽真空装置(14)相连。

所述第一滑道(23)和所述第二滑道(12)分别位于所述输送窗口的两侧，以允许所述浇注模具(22)在浇注完成后经所述输送窗口从所述制备-浇注罐(1)被推送至所述加压罐(6)。

在一种优选实现方式中，所述密封机构包括第一密封圈(24)、密封滑板(25)、导杆(28)、升降气缸(13)以及导套(16)，所述升降气缸(13)与所述密封滑板(25)之间用所述导套(16)连接，所述升降气缸(13)、所述导套(16)和所述导杆(28)各2个，分别置于所述密封滑板(25)两侧，所述密封滑板(25)沿两侧的所述导杆(28)运动，所述第一密封圈(24)用于实现所述密封滑板(25)与所述制备-浇注罐(1)的密封。

在另一种优选实现方式中，所述制备-浇注罐(1)的顶部设置有所述密封盖板(2)，所述制备-浇注罐(1)的上部采用所述密封盖板(2)与外部隔离，所述加料桶(3)穿过所述密封盖板(2)并指向所述坩埚(20)。

在另一种优选实现方式中，所述第二浇注模具驱动装置(11)前端设有连接环，所述浇注模具(22)的对应位置设有锁紧机构，所述锁紧机构包括推杆(27)、弹簧(26)，所述弹簧(26)置于所述推杆(27)上，所述弹簧(26)和所述推杆(27)的组合体有2个，彼此相对放置构成锁紧机构，所述锁紧机构可套住所述石膏型推拉气缸(11)前端的连接环，实现连接。

在另一种优选实现方式中，所述加料-搅拌器(4)采用六叶片结构。

在另一种优选实现方式中，所述加料桶(3)内为上下层结构，且与外部完全隔离，上层装有变质剂和细化剂，下层装有SiCp粉末，所述加料桶(3)内上下层分别设置球阀(15)，所述球阀(15)用于控制加料速度。

在另一种优选实现方式中，所述水口(18)内置有陶瓷过滤网。

在另一种优选实现方式中，所述抽真空装置(14)与所述制备-浇注罐(1)侧壁相连通，加压装置(8)与所述加压罐(6)侧壁相连通。

另一方面，本发明提供一种铝基复合材料薄壁件一体化制备成形方法，其特征在于，所述方法包含如下步骤：

步骤1、在真空环境下将铝合金锭熔化并搅拌；

步骤2、待铝合金锭完全熔化后，将温度控制在690℃～710℃，逐渐加入SiCp粉末，同时进行反向搅拌，转速在100-120转/分；

步骤3、间隔2-5分钟正向搅拌，循环往复15-20min；

步骤4、将熔体温度降到590℃～620℃，正向搅拌，转速提升到1100-1300转/分，间隔5-10分钟反向搅拌，循环往复30-40min；

步骤5、将熔体逐步升温，同时减小正反向搅拌转速，温度升至690℃～710℃，缓慢加入变质剂和细化剂，转速在200-300转/分，正/反向时间10-20mmin；

步骤6、对浇注模具进行预热，并利用所获得的熔体进行浇注；

步骤7、浇注结束后，立即对浇注模具进行加压，压力升至500-800Pa，保压5-10min；

步骤8、凝固结束时，泄压到大气压。

在一种优选实现方式中，所述方法通过上面所述的设备实现。

(三)有益效果

本发明所提供的一种铝合金复合材料复杂薄壁件一体化成形设备及方法具有如下优点：

一、通过对制备-浇注罐抽真空后铝合金复合材料制备和浇注，防止了铝合金复合材料重熔过程中氧化、吸气等，避免了铝合金复合材料铸件中出现严重的夹渣和气孔等缺陷，同时，石膏型保温性好且在高真空下浇注，利于复杂薄壁件成形。

二、通过对浇注后石膏型在加压罐中加压，促使铝合金复合材料熔液加速补缩，防止铸件产生缩松缺陷，使合金组织致密，从而保证铸件的内部组织致密；

三、本发明的设备结构巧妙，可操作性强，将浇注罐与加压罐巧妙地连接在一起，既方便了浇注模具的送入又保证了在送入浇注模具时的真空状态，并且浇筑完成后可以方便地对产品进行加压保压，制备过程一气呵成，使产品的性能更加优异。

因此采用本发明的铝合金复合材料复杂薄壁件一体化成形设备及方法，生产铝合金复合材料薄壁件铸件质量稳定：铸件内部无夹渣、缩松、气孔等缺陷，组织致密，性能良好，满足生产要求；该装置易于推广，适合铝合金复合材料复杂薄壁件小规模化生产，铸件成品率较高。

附图说明

图1为本发明的铝基复合材料复杂薄壁件一体化制备成形设备的结构示意图；

图2为图1中B位置放大图及密封滑板25和导杆28的结构示意图；

图3为图1中A位置第一石膏型推拉气缸21与石膏型碰撞连接机构的放大示意图。

图4为本发明的铝基复合材料复杂薄壁件一体化制备成形设备的加料-搅拌器结构示意图。

图5-6为本发明的铝基复合材料复杂薄壁件一体化制备铝合金复合材料显微组织。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例仅用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，本实施例记载了一种铝合金复合材料复杂薄壁件一体化成形设备，该设备包括：铝合金制备-浇注罐1和加压罐6。

制备-浇注罐1的上部采用密封盖板2与外部隔离，密封盖板2上设有加料桶3、加料-搅拌器4和第一观察窗5。加料桶3内置两层，上层装有变质剂和细化剂，下层装有SiCp粉末，分别通过两个球阀15控制加料速度，且与外部完全隔离。加料-搅拌器的升降和搅拌机构4置于密封盖板2上部，搅拌装置位于制备-浇注罐1内，用于对制备-浇注罐1内的熔体进行加料及搅拌，加料-搅拌器16内部采用上下各四个叶片，外部采用螺旋片状结构(如图4所示)。

制备-浇注罐1的内部设置熔炼炉19、坩埚20、第一石膏型推拉气缸21、石膏型22、第一滑道23。制备-浇注罐1与加压罐6并排紧贴放置，二者的相邻侧壁上设有输送窗口，该输送窗口可以开启以便使制备-浇注罐1与加压罐6相通，输送窗口正常状态下为关闭状态，其采用密封机构实现相对于加压罐6的密封。

坩埚20置于熔炼炉19内，用于容纳并熔化铝锭，坩埚20和熔炼炉19上设置有水口18，水口18内置有陶瓷过滤网。熔炼炉19上设有倾转机构17用以驱动坩埚20使其向石膏型22倾转，其采用气缸推动实现浇注，从而实现浇注时坩埚20液面平稳，通过陶瓷过滤网防止熔体表面覆盖着氧化物卷入液流浇入石膏型22中。石膏型22位于熔炼炉19侧部水口18下方并且放置于第一滑道23上,第一石膏型推拉气缸21与石膏型22相连，用于驱动石膏型22在第一滑道23上运动，二者的连接可以根据需要而断开。

如图2所示，密封机构包括第一密封圈24、密封滑板25、导杆28、升降气缸13以及导套16，升降气缸13、导套29和导杆28各2个，分别置于密封滑板25两侧，密封滑板25在两侧升降气缸13的带动下依靠两侧导杆28上下运动，升降气缸13与密封滑板25之间用导套29连接。在需要保持密封时，密封滑板25正对输送窗口并通过密封圈24保持密封，在需要开启输送窗口时，通过升降气缸13带动密封滑板25向上移动，进而允许石膏型22通过。

石膏型22上设有锁紧机构，如图3所示，第二石膏型推拉气缸11前端设有连接环，锁紧机构包括推杆27、弹簧26，弹簧26置于推杆27上，弹簧26和推杆27的组合体有两个，彼此相对放置，锁紧机构可套住石膏型推拉气缸11前端的连接环，实现连接。

继续参照图1，加压罐6内置有第二滑道12、第二石膏型推拉气缸11，加压罐6上部开有第二观察窗7，右侧开有铰接门10，用于模具的输入输出，用第二密封圈9和铰接门10卡紧实现密封，加压罐6内侧壁上有加压气体管道8，与加压装置相连。

在使用时，可以将干净的铝合金锭切块置于坩埚20中，同时在加料桶3内先后加入预处理的SiCp粉末(粒度在5-30μm不等)、变质剂和细化剂，并将制备-浇注罐1上的密封盖板2、密封滑板25以及加料桶3上端盖锁紧密封，启动抽真空装置14，通过制备-浇注罐1侧壁上的抽真空管道对制备-浇注罐1抽真空。抽真空是为了使后续制备过程中的铝合金熔液与空气完全隔离，可避免铝合金熔液吸气和氧化。真空度达到5-10Pa，通电开始使铝锭熔化，待坩埚20中铝锭熔化后，降下加料-搅拌器4，通过在加料-搅拌器4上放入小块铝锭实现二次加料；待铝锭完全熔化后，温度控制在690℃～710℃，加料桶3缓慢加入SiCp粉末，同时加料-搅拌器4进行反向搅拌，转速在100-120转/分，间隔2-5分钟正向搅拌，循环往复15-20min；之后将熔体温度降到590℃～620℃，正向搅拌，转速提升到1100-1300转/分，间隔5-10分钟反向搅拌，循环往复30-40min；将熔体逐步升温，同时减小正反向搅拌转速，观察液面平稳情况继续降低速度，温度升至690℃～710℃，缓慢加入变质剂和细化剂，转速在200-300转/分，正/反向时间10-20mmin；熔体制备完成，等待浇注。

熔体制备完成后，打开加压罐6上的铰接门10，将预热石膏型22(预热温度200℃-300℃)置于加压罐6内第二滑道12上，锁紧铰接门10后，启动抽真空装置14，使加压罐6真空度达到5-10Pa时，开启升降气缸13，打开密封滑板25，将石膏型22推至制备-浇注罐1内第一滑道23上。

待石膏型22到达第一滑道23上后，第一石膏型推拉气缸21碰触到石膏型22上的锁紧机构时，依靠石膏型向下推力将两边推杆27顶开，并依靠两侧推杆27上的弹簧26的弹力将第一石膏型推拉气缸21前端连接环套住，实现与石膏型22连接。调整石膏型22位置，以保证铝合金复合材料熔液以平稳速度在石膏型22型腔内流动。启动坩埚倾转机构17将坩埚20倾斜进行浇注，同时左右移动石膏型22，通过铝合金复合材料制备后即刻浇注，在高真空状态下浇注避免石膏型“憋气”，同时防止了铝合金复合材料熔体因吸气、氧化而导致的熔体流动性降低，这样既能防止铸件产生气孔和夹杂缺陷，又能保证复杂薄壁件的顺利成形。

铝合金复合材料熔体石膏型浇注结束后，立即用第一石膏型推拉气缸21将石膏型22推入加压罐6中第二滑道12，因第二滑道12相对较平而与推拉气缸21瞬间脱开。放下密封滑板25并到位后开启第二石膏型推拉气缸11推动石膏型22顶紧密封滑板25。利用加压装置对加压罐6加压，通过对石膏型22铝液表面施加压力，促使铝合金复合材料熔液加速补缩，防止铸件产生缩松缺陷，使合金组织致密，从而有利于提高薄壁件的内在质量。然后，压力升至500-800Pa，保压5-10min；熔体凝固后，将加压罐6泄压到大气压，开启铰接门10，取出石膏型22。重复浇注、凝固的步骤即可实现连续生产。

图5-6为本发明的铝基复合材料复杂薄壁件一体化制备铝合金复合材料显微组织，明显可见SiCp(粒度12m)在基体中基本均匀分布，很少出现团聚。这种高质量的薄壁件通过其他制备设备或方法很难得到。

虽然上面结合本发明的优选实施例对本发明的原理进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本发明范围的限制，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种铝基复合材料薄壁件一体化制备成形设备，其特征在于，所述制备成形设备包括用于制备铝基复合材料的制备-浇注罐(1)和加压罐(6)，所述制备-浇注罐(1)与所述加压罐(6)相邻的侧壁上设有输送窗口，与所述加压罐(6)相通，所述输送窗口上设有密封机构用于保持所述制备-浇注罐(1)与加压罐(6)之间的彼此相对密封，

所述制备-浇注罐(1)内置有熔炼炉(19)、坩埚(20)、第一浇注模具驱动装置(21)、浇铸模具(22)和第一滑道(23)，并且所述制备-浇注罐(1)与抽真空装置(14)相连通，所述制备-浇注罐(1)的顶部还设置有穿过其顶壁的加料桶(3)和加料-搅拌器(4)，所述坩埚(20)置于所述熔炼炉(19)内，用于容纳并熔化铝锭，所述坩埚(20)和所述熔炼炉(19)上设置有水口(18)，所述熔炼炉(19)上设有倾转机构(17)用以驱动熔炼炉(19)使其向所述浇注模具(22)倾转，所述浇铸模具(22)位于所述熔炼炉(19)侧部、所述水口(18)下方并且放置于所述第一滑道(23)上,所述第一浇铸模具驱动装置(21)与所述浇注模具(22)相连，用于驱动所述浇铸模具(22)在所述第一滑道(23)上运动；

所述加压罐(6)包括加压装置(8)、模具输入输出口(10)、第二浇注模具驱动装置(11)和第二滑道(12)，并与抽真空装置(14)相连。

所述第一滑道(23)和所述第二滑道(12)分别位于所述输送窗口的两侧，以允许所述浇注模具(22)在浇注完成后经所述输送窗口从所述制备-浇注罐(1)被推送至所述加压罐(6)。

2.根据权利要求1所述的铝基复合材料薄壁件一体化制备成形设备，其特征在于，

所述密封机构包括第一密封圈(24)、密封滑板(25)、导杆(28)、升降气缸(13)以及导套(16)，所述升降气缸(13)与所述密封滑板(25)之间用所述导套(16)连接，所述升降气缸(13)、所述导套(16)和所述导杆(28)各2个，分别置于所述密封滑板(25)两侧，所述密封滑板(25)沿两侧的所述导杆(28)运动，所述第一密封圈(24)用于实现所述密封滑板(25)与所述制备-浇注罐(1)的密封。

3.根据权利要求2所述的铝基复合材料薄壁件一体化制备成形设备，其特征在于，所述制备-浇注罐(1)的顶部设置有所述密封盖板(2)，所述制备-浇注罐(1)的上部采用所述密封盖板(2)与外部隔离，所述加料桶(3)穿过所述密封盖板(2)并指向所述坩埚(20)。

4.根据权利要求1所述的铝基复合材料薄壁件一体化制备成形设备，其特征在于，所述第二浇注模具驱动装置(11)前端设有连接环，所述浇注模具(22)的对应位置设有锁紧机构，所述锁紧机构包括推杆(27)、弹簧(26)，所述弹簧(26)置于所述推杆(27)上，所述弹簧(26)和所述推杆(27)的组合体有2个，彼此相对放置构成锁紧机构，所述锁紧机构可套住所述石膏型推拉气缸(11)前端的连接环，实现连接。

5.根据权利要求1所述的铝基复合材料薄壁件一体化制备成形设备，其特征在于，所述加料-搅拌器(4)采用六叶片结构。

6.根据权利要求1所述的铝基复合材料薄壁件一体化制备成形设备，其特征在于，所述加料桶(3)内为上下层结构，且与外部完全隔离，上层装有变质剂和细化剂，下层装有SiCp粉末，所述加料桶(3)内上下层分别设置球阀(15)，所述球阀(15)用于控制加料速度。

7.根据权利要求1所述的铝基复合材料薄壁件一体化制备成形设备，其特征在于，所述水口(18)内置有陶瓷过滤网。

8.根据权利要求1所述的铝基复合材料薄壁件一体化制备成形设备，其特征在于，所述抽真空装置(14)与所述制备-浇注罐(1)侧壁相连通，加压装置(8)与所述加压罐(6)侧壁相连通。

9.一种铝基复合材料薄壁件一体化制备成形方法，其特征在于，所述方法包含如下步骤：

步骤1、在真空环境下将铝合金锭熔化并搅拌；

步骤2、待铝合金锭完全熔化后，将温度控制在690℃～710℃，逐渐加入SiCp粉末，同时进行反向搅拌，转速在100-120转/分；

步骤3、间隔2-5分钟正向搅拌，循环往复15-20min；

步骤4、将熔体温度降到590℃～620℃，正向搅拌，转速提升到1100-1300转/分，间隔5-10分钟反向搅拌，循环往复30-40min；

步骤5、将熔体逐步升温，同时减小正反向搅拌转速，温度升至690℃～710℃，缓慢加入变质剂和细化剂，转速在200-300转/分，正/反向时间10-20mmin；

步骤6、对浇注模具进行预热，并利用所获得的熔体进行浇注；

步骤7、浇注结束后，立即对浇注模具进行加压，压力升至500-800Pa，保压5-10min；

步骤8、凝固结束时，泄压到大气压。

10.根据权利要求9所述的铝基复合材料薄壁件一体化制备成形方法，其特征在于，所述方法通过权利要求1-8中任意一项所述的设备实现。