CN111172479A - 一种铝基复合材料压力浸渗制备装置及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于金属基复合材料制备领域，公开了一种铝基复合材料压力浸渗制备装置及制备方法。所述装置包括机架，多个升降机构、电阻炉、浸渗压力控制***、真空控制***和电控机箱，每个升降机构可通过独立的炉管升入电阻炉内部。本发明的装置采用多根炉管的设置，提高了电阻炉炉膛内部空间的使用率，提高了复合材料的制备效率，多个复合材料试样在相同条件下同时制备，提高了复合材料制备的稳定性，保证了复合材料性能的一致性。并可根据需要在不同炉管内实现不同压力浸渗的同时制备。

Description

一种铝基复合材料压力浸渗制备装置及制备方法
技术领域
本发明属于金属基复合材料制备领域，具体涉及一种铝基复合材料压力浸渗制备装置及制备方法。
背景技术
颗粒或纤维增强铝基复合材料因具有低密度、比刚度高、比强度高、尺寸稳定性高以及制备成形性好等优点，且可通过控制增强颗粒或纤维的种类、尺寸和含量等从而获得不同性能，是金属基复合材料中最具发展前景的。目前，该复合材料主要应用于电子封装材料、航空航天材料等领域。
铝基复合材料的制备方法主要有粉末冶金法、搅拌铸造法、真空压力浸渗法等。其中真空压力浸渗法可制备出高体份增强相的铝基复合材料，同时具有增强相分布均匀、缺陷少、界面反应物少等优点，受到研究者的高度关注，并有着一些实际应用的报道。但真空压力浸渗法制备颗粒或纤维增强铝基复合材料尚未得到规模化应用，高质量、高通量、高效率的制备装置缺乏是重要原因之一。
根据文献真空压力浸渗法制备高体积分数SiCp/Al复合材料(中国有色金属学报)和Effect of specific pressure on fabrication of 2D-Cf/Al composite by vacuumand pressure infiltration(Transactions of Nonferrous Metals Society of China)可知，现行的颗粒或纤维增强铝基复合材料真空压力浸渗制备，主要使用单炉管真空电阻炉将铝液浸渗到预制体中，存在如下不足：
1)采用单炉管真空电阻炉无法实现多个复合材料的稳定制备，导致了复合材料的性能差异；
2)无法实现不同增强相(颗粒、纤维)复合材料的同时制备，降低了复合材料的制备效率。
针对颗粒或纤维增强铝基复合材料压力浸渗实际应用存在的问题，迫切需要研制出一种高性能、制备条件稳定、高效高通量的制备装置。
发明内容
针对以上现有技术存在的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种铝基复合材料压力浸渗制备装置。
本发明的另一目的在于提供采用上述装置制备颗粒或纤维增强铝基复合材料的方法。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种铝基复合材料压力浸渗制备装置，包括机架，多个升降机构、电阻炉、浸渗压力控制***、真空控制***和电控机箱，每个升降机构可通过独立的炉管升入电阻炉内部。
进一步地，所述升降机构的个数为4个。
进一步地，所述升降机构通过滑块与导轨实现滑动连接，升降机构上端设置坩埚支架，坩埚支架包括托杆和套筒，托杆连接滑块，套筒内置入耐火砖，套筒上端放置不锈钢坩埚，套筒下端设置排气槽。
进一步地，所述浸渗压力控制***包括惰性气体进气口、压力调节器、气路控制面板和安全阀，所述气路控制面板设置独立的阀门和压力表控制每根炉管的浸渗压力。
进一步地，所述真空控制***包括真空泵和真空表。
采用上述装置制备颗粒或纤维增强铝基复合材料的方法，包括如下步骤：
(1)在不锈钢坩埚中放入颗粒或纤维预制体和铝合金，通过升降机构将不锈钢坩埚升入电阻炉内部炉管中，密封炉管；
(2)开启真空泵，抽出电阻炉炉管内部空气，使炉管达到真空状态；
(3)通过电控机箱控制电阻炉升温使铝合金熔化并保温；
(4)关闭真空泵，打开惰性气体进气口，使惰性气体进入电阻炉炉管内，通过气路控制面板和压力调节器控制炉管内压力，开始浸渗制备；
(5)浸渗制备结束后，关闭惰性气体进气口，打开安全阀，使惰性气体通过排气槽排出；
(6)启动升降机构，将电阻炉炉管内的不锈钢坩埚取出，颗粒或纤维增强铝基复合材料制备完成。
进一步地，步骤(2)中所述真空状态的真空度为50～80Pa。
进一步地，步骤(3)中所述熔化并保温的温度为750～850℃。
进一步地，步骤(4)中所述浸渗制备炉管内的压力为0.1～2.5MPa。
本发明的装置及方法具有如下优点及有益效果：
(1)本发明为实现复合材料的高通量制备，采用多根炉管的设置，提高了电阻炉炉膛内部空间的使用率，提高了复合材料的制备效率，多个复合材料试样在相同条件下同时制备，提高了复合材料制备的稳定性，保证了复合材料性能的一致性。
(2)本发明电阻炉内不锈钢坩埚置于坩埚支架上方，惰性气体由进气口进入，从安全阀流出。气路控制面板设置独立的阀门独立控制电阻炉内部多根炉管的压力，压力表对应显示电阻炉内部多根炉管的各自压力数值，压力调节器调节浸渗压力，精准控制电阻炉内的制备条件。对不同尺寸或体积分数颗粒或纤维预制体，根据需要可以在不同炉管内实现不同压力浸渗的同时制备。
(3)本发明提高了电阻炉内真空度，减少了复合材料的孔洞缺陷，提高了复合材料的性能和质量。在电阻炉加热熔化铝合金过程中，真空泵一直开启，维持电阻炉炉管的高真空度。
(4)通过升降机构装入、取出不锈钢坩埚，无需打开整个炉膛装取坩埚，增加了装置的安全性，且操作简单方便。本发明实现了颗粒或纤维增强铝基复合材料高通量浸渗制备，集电阻炉、升降机构、气体保护和气路控制四大部分集合，可高效高通量、安全稳定地制备颗粒或纤维增强铝基复合材料。
附图说明
图1为实施例1中铝基复合材料压力浸渗制备装置的整体结构示意图；
图2为实施例1中铝基复合材料压力浸渗制备装置的升降机构的结构示意图；
图3为实施例1中铝基复合材料压力浸渗制备装置的气路控制面板的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
本实施例的一种铝基复合材料压力浸渗制备装置，其整体结构示意图如图1所示。包括机架1，四个升降机构2、电阻炉3、浸渗压力控制***、真空控制***和电控机箱4，每个升降机构可通过独立的炉管5升入电阻炉3内部。所述升降机构上端设置坩埚支架6，坩埚支架6上端放置不锈钢坩埚7；所述升降机构的结构示意图如图2所示，升降机构通过滑块2-2与导轨2-1实现滑动连接，坩埚支架包括托杆6-3和套筒6-2，托杆6-3连接滑块2-2，套筒内置入耐火砖6-4，套筒6-2上端放置不锈钢坩埚，套筒下端设置排气槽6-1。所述浸渗压力控制***用于控制电阻炉内的浸渗压力，浸渗压力控制***包括惰性气体进气口8、压力调节器9、气路控制面板10和安全阀11，所述气路控制面板10的结构示意图如图3所示，气路控制面板设置独立的阀门10-1、10-2、10-3、10-4和压力表10-a、10-b、10-c、10-d控制每根炉管的浸渗压力。所述真空控制***用于控制电阻炉内的真空度，真空控制***包括真空泵12和真空表13。所述电控机箱4控制电阻炉3内部温度。
实施例2
采用实施例1的装置制备SiCp增强铝基复合材料，包括如下步骤及其工艺条件：
(1)在颗粒尺寸为90μm的SiCp中加入工业淀粉和硅溶胶搅拌均匀，SiCp、工业淀粉和硅溶胶的体积分数分别为70％、20％和10％。通过模压成型制得尺寸为Φ30mm×80mm的SiCp预制体素坯，于900℃烧结得到SiCp预制体；
(2)在四个不锈钢坩埚中放入SiCp预制体和AlSi12合金，通过升降机构将不锈钢坩埚升入电阻炉内部炉管中，密封炉管；
(3)开启真空泵，抽出电阻炉炉管内部空气，使炉管内真空度达到70Pa；
(4)通过电控机箱控制电阻炉升温至750℃使AlSi12合金熔化并保温；
(5)关闭真空泵，打开进气口，使氮气进入电阻炉炉管内，通过气路控制面板调节四根炉管压力为0.1MPa，开始浸渗制备；
(6)浸渗制备结束后，关闭进气口，打开安全阀，使氮气通过排气槽排出；
(7)启动升降机构，将电阻炉炉管内的不锈钢坩埚取出，SiCp增强铝基复合材料制备完成。
实施例3
采用实施例1的装置制备SiCp和B4Cp增强铝基复合材料，包括如下步骤及其工艺条件：
(1)分别在颗粒尺寸为50μm的SiCp和B4Cp中加入工业淀粉和硅溶胶搅拌均匀，增强相、工业淀粉和硅溶胶的体积分数分别为70％、20％和10％。通过模压成型制得尺寸为Φ30mm×80mm的SiCp和B4Cp预制体素坯，于900℃烧结得到SiCp和B4Cp预制体；
(2)在1号和2号不锈钢坩埚中放入SiCp预制体和A356合金，在3号和4号不锈钢坩埚中放入B4Cp预制体和A356合金，通过升降机构将四个不锈钢坩埚升入电阻炉对应炉管中，密封炉管；
(3)开启真空泵，抽出电阻炉炉管内部空气，使炉管内真空度达到80Pa；
(4)通过电控机箱控制电阻炉升温至800℃使A356合金熔化并保温；
(5)关闭真空泵，打开进气口，使氮气进入电阻炉炉管内，通过气路控制面板调节4个炉管压力分别为0.5MPa、1MPa、0.5MPa和1MPa，开始浸渗制备；
(6)浸渗制备结束后，关闭进气口，打开安全阀，使氮气通过排气槽排出；
(7)启动升降机构，将电阻炉炉管内的不锈钢坩埚取出，不同浸渗压力下的SiCp和B4Cp增强铝基复合材料制备完成。
实施例4
采用实施例1的装置制备Al2O3f增强铝基复合材料，包括如下步骤及其工艺条件：
(1)在直径为10μm的Al2O3f中加入工业淀粉和硅溶胶搅拌均匀，Al2O3f、工业淀粉和硅溶胶的体积分数分别为70％、20％和10％。通过模压成型制得尺寸为Φ30mm×80mm的Al2O3f预制体素坯，于900℃烧结得到Al2O3f预制体；
(2)在四个不锈钢坩埚中放入Al2O3f预制体和AlSi12Mg8合金，通过升降机构将不锈钢坩埚升入电阻炉内部炉管中，密封炉管；
(3)开启真空泵，抽出电阻炉炉管内部空气，使炉管内真空度达到50Pa；
(4)通过电控机箱控制电阻炉升温至850℃使AlSi12Mg8合金熔化并保温；
(5)关闭真空泵，打开进气口，使氮气进入电阻炉炉管内，通过气路控制面板调节四根炉管压力为2.5MPa，开始浸渗制备；
(6)浸渗制备结束后，关闭进气口，打开安全阀，使氮气通过排气槽排出；
(7)启动升降机构，将电阻炉炉管内的不锈钢坩埚取出，Al2O3f增强铝基复合材料制备完成。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种铝基复合材料压力浸渗制备装置，其特征在于：包括机架，多个升降机构、电阻炉、浸渗压力控制***、真空控制***和电控机箱，每个升降机构可通过独立的炉管升入电阻炉内部。
2.根据权利要求1所述的一种铝基复合材料压力浸渗制备装置，其特征在于：所述升降机构的个数为4个。
3.根据权利要求1所述的一种铝基复合材料压力浸渗制备装置，其特征在于：所述升降机构通过滑块与导轨实现滑动连接，升降机构上端设置坩埚支架，坩埚支架包括托杆和套筒，托杆连接滑块，套筒内置入耐火砖，套筒上端放置不锈钢坩埚，套筒下端设置排气槽。
4.根据权利要求1所述的一种铝基复合材料压力浸渗制备装置，其特征在于：所述浸渗压力控制***包括惰性气体进气口、压力调节器、气路控制面板和安全阀，所述气路控制面板设置独立的阀门和压力表控制每根炉管的浸渗压力。
5.根据权利要求1所述的一种铝基复合材料压力浸渗制备装置，其特征在于：所述真空控制***包括真空泵和真空表。
6.采用权利要求1～5任一项所述的装置制备颗粒或纤维增强铝基复合材料的方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)在不锈钢坩埚中放入颗粒或纤维预制体和铝合金，通过升降机构将不锈钢坩埚升入电阻炉内部炉管中，密封炉管；
(2)开启真空泵，抽出电阻炉炉管内部空气，使炉管达到真空状态；
(3)通过电控机箱控制电阻炉升温使铝合金熔化并保温；
(4)关闭真空泵，打开惰性气体进气口，使惰性气体进入电阻炉炉管内，通过气路控制面板和压力调节器控制炉管内压力，开始浸渗制备；
(5)浸渗制备结束后，关闭惰性气体进气口，打开安全阀，使惰性气体通过排气槽排出；
(6)启动升降机构，将电阻炉炉管内的不锈钢坩埚取出，颗粒或纤维增强铝基复合材料制备完成。
7.根据权利要求6所述的制备颗粒或纤维增强铝基复合材料的方法，其特征在于：步骤(2)中所述真空状态的真空度为50～80Pa。
8.根据权利要求6所述的制备颗粒或纤维增强铝基复合材料的方法，其特征在于：步骤(3)中所述熔化并保温的温度为750～850℃。
9.根据权利要求6所述的制备颗粒或纤维增强铝基复合材料的方法，其特征在于：步骤(4)中所述浸渗制备炉管内的压力为0.1～2.5MPa。
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