Cf/Mg復(fù)合材料異形件成形裝置設(shè)計與實驗研究

暢志遠(yuǎn)，齊樂華，關(guān)俊濤，周計明，馬玉欽

（西北工業(yè)大學(xué) 機電學(xué)院，西安 710072）

Cf/Mg復(fù)合材料異形件成形裝置設(shè)計與實驗研究

暢志遠(yuǎn)，齊樂華，關(guān)俊濤，周計明，馬玉欽

（西北工業(yè)大學(xué) 機電學(xué)院，西安 710072）

為實現(xiàn)Cf/Mg復(fù)合材料異形件的近凈成形，在分析金屬基復(fù)合材料液態(tài)浸滲制備技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了真空壓力浸滲－液固擠壓制備Cf/Mg復(fù)合材料新工藝，并設(shè)計了相應(yīng)的成形裝置.利用設(shè)計的裝置開展2D碳?xì)衷鰪婃V基復(fù)合材料異形件的制備研究.在熔煉溫度為760～820℃，預(yù)制體預(yù)熱溫度為570～610℃，浸滲氣壓0.5 MPa和擠壓載荷10～30 MPa等工藝參數(shù)下，成功制備出Cf/Mg復(fù)合材料異形制件.對復(fù)合材料制件進行宏觀尺寸測量及掃描電鏡（SEM）觀察發(fā)現(xiàn)，制件外形完整，與設(shè)計一致；制件內(nèi)部組織致密、纖維分布均勻；預(yù)制體在制備過程中沒有發(fā)生明顯的變形和破壞.

復(fù)合材料；碳纖維；異形件；真空壓力浸滲；液固擠壓；微觀組織

近年來，金屬基復(fù)合材料得到了長足發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域已從最初的航空、航天、飛行器結(jié)構(gòu)件擴展至汽車、電子和體育用品等領(lǐng)域［1－2］.液態(tài)浸滲法具有成本低、易于批量生產(chǎn)和能夠近凈成形復(fù)雜制件等特點，是應(yīng)用最廣泛的金屬基復(fù)合材料制備方法之一［3］.

液態(tài)浸滲法制備復(fù)合材料過程中的主要問題是增強相與基體合金間的非潤濕性［4］.對于非潤濕的增強相/基體體系，施加適當(dāng)?shù)耐饨鐗毫笠簯B(tài)合金才能夠浸滲至增強預(yù)制體中.最常見的壓力浸滲工藝為真空壓力浸滲和擠壓鑄造.真空壓力浸滲法［5－6］是在真空狀態(tài)下施加壓力將液態(tài)合金浸滲至預(yù)制體中，從而獲得組織致密的復(fù)合材料.洛克希德－馬丁公司和緬因纖維材料公司采用真空輔助鑄造技術(shù)成功制備出Gr/Mg復(fù)合材料管材，并在桁架結(jié)構(gòu)中得到應(yīng)用［7］.北京航空材料研究院［8］采用真空壓力浸滲法制備的多功能SiC/Al復(fù)合材料也成功地應(yīng)用于光學(xué)顯微鏡基板和框架結(jié)構(gòu)等.但工藝周期長，實驗設(shè)備要求高.擠壓鑄造法［9］通過擠壓凸模施加外界載荷，適用于高體積分?jǐn)?shù)復(fù)合材料的制備.日本豐田公司和ART公司采用擠壓鑄造工藝制備的陶瓷纖維增強的鋁基復(fù)合材料活塞已在豐田公司轎車的柴油機上得到應(yīng)用［10］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)采用擠壓鑄造法研制了局部增強鋁基復(fù)合材料負(fù)重輪［11］.然而，擠壓鑄造過程中的載荷較大，制備過程中預(yù)制體容易出現(xiàn)壓縮變形［12］，對預(yù)制體的制備提出了高要求.

為此，本課題組提出了真空壓力浸滲－液固擠壓制備復(fù)合材料新工藝，以降低對預(yù)制體強度的要求.本文設(shè)計了真空壓力浸滲－液固擠壓制備鎂基復(fù)合材料異形制件的裝置，并針對某一典型的異形件開展制備實驗，驗證所開發(fā)裝置的可行性.

1 復(fù)合材料異形件成形裝置的設(shè)計

1.1 裝置總體設(shè)計

真空壓力浸滲－液固擠壓工藝基本原理是在氣體保護條件下進行預(yù)制體預(yù)熱和合金熔煉，隨后對熔煉坩堝和成形模具同時抽真空，施加氣壓進行合金澆注，并保持氣體壓力實現(xiàn)液態(tài)金屬浸滲，然后，進行擠壓消除預(yù)制體內(nèi)部未浸滲缺陷，最終獲得組織致密的復(fù)合材料.由于液固擠壓階段預(yù)制體內(nèi)部已浸滲有大量液態(tài)合金，因此，有效降低了對預(yù)制體強度的要求.成形過程涉及真空壓力浸滲和液固擠壓兩個步驟，復(fù)合材料的浸滲效果由熔煉溫度、預(yù)熱溫度、浸滲氣壓和擠壓載荷等工藝參數(shù)共同決定.因此，成形裝置需滿足以下要求：一方面，工藝過程中的兩個步驟必須在同一裝置內(nèi)連續(xù)進行；另一方面，對影響浸滲質(zhì)量的工藝參數(shù)，能夠進行實時的檢測和控制.在滿足上述要求的基礎(chǔ)上，設(shè)計了復(fù)合材料真空壓力浸滲－液固擠壓成形裝置，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 復(fù)合材料異形件真空壓力浸滲－液固擠壓一體化成形裝置

裝置由熔煉裝置、成形模具、氣路控制系統(tǒng)和測控裝置組成.熔煉裝置用于基體合金的熔煉，通過澆注管道與成形裝置相連，在氣壓驅(qū)動下進行澆注.成形模具用于實現(xiàn)真空壓力浸滲和液固擠壓致密化兩個步驟.氣路控制系統(tǒng)用于調(diào)控裝置中氣體走向及壓力，通過抽真空和施加氣體壓力的方式來完成相應(yīng)工藝步驟.測控裝置由溫控箱、傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和工控機組成，溫控箱用于熔煉爐和預(yù)熱爐的溫度控制，傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和工控機用于監(jiān)測和記錄工藝過程中的擠壓力與擠壓溫度等信息.

1.2 裝置關(guān)鍵部分設(shè)計

1.2.1 成形模具

成形模具由擠壓筒7、成形凹模16和凸模4等組成.為滿足真空壓力浸滲工藝的密封性要求，擠壓筒上、下端通過密封塊進行密封，上密封塊5由凸模壓緊、下密封塊14由壓環(huán)壓緊，使擠壓筒成為密閉的空間.為了避免合金液在澆注的過程中氧化、燃燒，在擠壓筒側(cè)壁上開有進液口，通過澆注管道9將熔煉坩堝11和成形模具連接，使?jié)沧⑦^程在密閉環(huán)境下進行.

此外，擠壓筒側(cè)壁上還開有通氣口，用于抽真空和通入氬氣.擠壓筒上端壓入一個過盈配合的石墨塊6，擠壓時，由凸模推動石墨塊對液態(tài)合金施加壓力，可避免合金液從間隙噴出，保證液固擠壓具有良好的致密效果.模具下部側(cè)壁上設(shè)有熱電偶孔，通過熱電偶實時獲取模具內(nèi)部溫度信息.

1.2.2 熔煉裝置

熔煉裝置由熔煉爐12、坩堝11組成.合金液采用氣壓澆注，對熔煉坩堝的密封性和強度提出了要求.實驗中熔煉坩堝采用耐高溫的不銹鋼1Cr17Mn6Ni5N制作.坩堝蓋和坩堝采用法蘭連接，用耐高溫石棉板進行密封.坩堝上蓋設(shè)有氣管18、輸液管和氣壓表10.高壓氬氣從進氣口進入坩堝，使合金液從澆注管道澆注到成形模具中.

1.2.3 氣路控制系統(tǒng)

氣路控制系統(tǒng)將熔煉裝置和擠壓模具連成一個整體，主要由高壓氬氣瓶1、真空泵2和通斷控制回路組成.通斷控制回路由一個四通接頭和四個開關(guān)閥組成，通過不同的開關(guān)組合實現(xiàn)四條管道的不同連通狀態(tài).在合金熔煉和預(yù)制體預(yù)熱過程中，合金液和預(yù)制體容易氧化，影響復(fù)合材料性能.通過控制回路連通氣管19和17，將氬氣通入成形模具和熔煉坩堝，并通過排氣閥將多余氣體從一體化裝置排出，在裝置內(nèi)產(chǎn)生保護氣流，避免基體合金和預(yù)制體在加熱過程中的氧化.達(dá)到設(shè)定溫度并保溫一段時間后，通過控制回路連通氣管20和17、18，可對熔煉爐和擠壓筒同時抽真空，保持熔煉腔和擠壓筒腔內(nèi)氣壓平衡，避免合金液進入成形模具；隨后接通氣管18和19，將高壓氬氣通入熔煉坩堝內(nèi)，進行氣壓澆注.澆注完成后，保持氣體壓力對合金液施加載荷，使液態(tài)合金向纖維預(yù)制體浸滲.

1.2.4 測控裝置

測控裝置由溫控箱8、數(shù)據(jù)采集卡、壓力傳感器、熱電偶和工控機3組成.采用K型熱電偶采集熔煉溫度和預(yù)熱爐溫度，將采集到的溫度信號送入溫控箱中的控制模塊.溫控箱內(nèi)的控制模塊為兩個獨立的溫控儀，分別控制熔煉溫度和預(yù)熱溫度.該溫度控制器內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器，可以實現(xiàn)對溫度閉環(huán)控制，能控制加熱裝置并使加熱溫度與設(shè)定值偏差在±1℃范圍內(nèi).壓力傳感器和熱電偶采集到工藝過程中的壓力信號和溫度信號并通過數(shù)據(jù)采集卡進入工控機，實現(xiàn)實時監(jiān)測和記錄.

2 復(fù)合材料異形件一體化成形試驗

利用所設(shè)計裝置制備圖2所示的異形制件.該復(fù)合材料異形件基體選用AZ91D合金，預(yù)制體采用體積分?jǐn)?shù)10%碳纖維氈，預(yù)制體按照異形件結(jié)構(gòu)尺寸切割成形.根據(jù)異形件模型設(shè)計了成形凹模，用于固定支撐預(yù)制體，避免預(yù)制體在浸滲壓力下變形、破壞.

圖2 異形件及成形凹模三維模型

2.1 成形工藝

成形工藝如圖3所示.將制備好的碳?xì)诸A(yù)制體放入成形凹模，并置于成形模具內(nèi).隨后，在氬氣保護下預(yù)熱預(yù)制體并熔煉合金.當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定溫度并保溫10～30 min后，關(guān)閉氬氣對裝置抽真空，隨后向熔煉坩堝通入高壓氬氣，將液態(tài)合金澆注至擠壓筒中，保壓2～5 min，完成氣壓浸滲；當(dāng)合金溫度降至液固態(tài)溫度時，移除上密封塊，凸模下壓，保壓5～10 min.最后，斷電隨爐冷卻至室溫后，將復(fù)合材料制件和成形凹模整體取出.

圖3 真空壓力浸滲－液固擠壓示意圖

2.2 工藝參數(shù)選取

2.2.1 熔煉溫度

提高液態(tài)金屬的澆注溫度可以有效降低浸滲阻力.但溫度過高會使金屬吸氣嚴(yán)重，過高溫度使合金與碳纖維反應(yīng)過量，導(dǎo)致復(fù)合材料性能的降低.金屬液澆注溫度應(yīng)在保證金屬液的充填能力和補縮能力的前提下，盡可能低一些.在本實驗中，澆注溫度的選取原則為合金液相線溫度以上100～150℃.但考慮到澆注過程中鎂合金在管道中的熱量損失，溫度應(yīng)略為提高，選取鎂合金的熔煉溫度在760～820℃.

2.2.2 預(yù)制體預(yù)熱溫度

提高碳纖維預(yù)熱溫度，可以增大碳纖維表面活性，使其與金屬的潤濕性改善，從而降低毛細(xì)阻力.此外，高的預(yù)熱溫度可以使金屬液在預(yù)制體中的冷卻速度降低，減緩浸滲過程中黏度阻力增大的趨勢.提高纖維溫度還會使金屬液中形核與晶核長大時間推遲、速度降低，使凝固阻力減小.但溫度過高會使碳纖維氧化嚴(yán)重以及界面反應(yīng)過量.本實驗復(fù)合材料制備過程在氬氣的保護下進行，故不存在碳纖維氧化的現(xiàn)象.纖維預(yù)制體的預(yù)熱溫度宜控制在鎂合金AZ91D的液相線溫度附近，選取在570～610℃的溫度范圍內(nèi).

2.2.3 浸滲氣壓

液態(tài)合金在向纖維預(yù)制體滲流過程中，主要受到毛細(xì)壓力和黏滯阻力的影響.液態(tài)合金前沿有毛細(xì)管力作用，毛細(xì)作用造成的毛細(xì)壓力決定了浸滲過程是自發(fā)滲入還是在外界壓力下啟動.對于纖維分布均勻的預(yù)制體，毛細(xì)壓力Pc［13］可用下式計算：

式中：Vf為纖維體積分?jǐn)?shù)；σlg為液體表面張力；θ為潤濕角；df為纖維直徑.由于液態(tài)鎂合金與碳纖維的潤濕性較差（θ＞90°），毛細(xì)壓力阻礙浸滲，施加外界載荷后浸滲過程才能夠啟動.金屬液在預(yù)制體中以層流形式流動時，會受到粘滯阻力的作用，黏滯阻力產(chǎn)生的壓力降由（2）式計算［14］.

式中：μ為動力黏度；h為浸滲高度；K為滲透系數(shù).由式（1）和式（2）得浸滲所需外加載荷為

本文采用碳纖維平均直徑6μm，浸滲高度20 mm，基體合金為AZ91D，潤濕角θ為120°，σlg為0.6 N/m，K由多孔管模型計算得9.37×10－12m2，μ為3×10－3Pa·s.根據(jù)前期研究浸滲高度為20 mm的預(yù)制體所需時間為0.2～0.4 s［15］.由式（3）計算出浸滲所需外加載荷為0.17～0.31 MPa.由于該計算公式是在理想化的浸滲模型上建立的，且忽略了一些浸滲阻力，因此，實際應(yīng)用中，浸滲壓力應(yīng)高于此值，根據(jù)實驗探索，浸滲氣壓取0.4～0.6 MPa.

2.2.4 擠壓載荷

擠壓載荷的作用是使合金浸滲至氣壓浸滲階段殘留的細(xì)小空隙中，并在壓力下凝固，使生長的枝晶變形排列，并彌補凝固的收縮，獲得致密的復(fù)合材料.較高的擠壓載荷有利于改善浸滲質(zhì)量，提高復(fù)合材料的性能，但過高的載荷對裝置要求較高且容易對纖維造成機械損傷.因此，本實驗中擠壓力載荷在10～30 MPa.

2.3 實驗結(jié)果

在確定實驗參數(shù)的基礎(chǔ)上，采用真空壓力浸滲液固擠壓制備出Cf/Mg復(fù)合材料異形制件，如圖4所示.從圖4可以看出，異形件外形完整，與設(shè)計一致.

圖4 制備的Cf/M g復(fù)合材料異形制件

圖5 為復(fù)合材料制件的縱截面，制件內(nèi)部宏觀浸滲效果良好，沒有明顯的未浸滲區(qū)域和氣孔等缺陷.測量制件斷面尺寸并與預(yù)制體尺寸比較，在該工藝下，預(yù)制體沒有發(fā)生變形.本文所采用的工藝方法可以有效避免預(yù)制體變形、破壞.

圖5 Cf/M g復(fù)合材料異形制件的縱截面

圖6 為Cf/Mg復(fù)合材料異形件縱截面上a、b、c、d的4個部位（如圖5）組織照片.復(fù)合材料中金屬液體浸滲充分，與纖維復(fù)合良好，材料無明顯的分層、夾雜等缺陷；基體組織致密，無顯微孔洞和其他鑄造缺陷；纖維分布均勻，沒有折斷現(xiàn)象發(fā)生，不存在纖維間的搭橋呈束和團聚現(xiàn)象.

圖6 Cf/M g復(fù)合材料組織照片

3 結(jié) 論

1）設(shè)計了復(fù)合材料異形件一體化成形裝置，主要由熔煉裝置、成形模具、氣路控制系統(tǒng)和測控裝置組成，滿足真空壓力浸滲－液固擠壓制備復(fù)合材料的要求.

2）在熔煉溫度為760～820℃，預(yù)制體預(yù)熱溫度為570～610℃，浸滲氣壓0.5 MPa和擠壓載荷10～30 MPa等工藝參數(shù)下，成功制備出鎂基復(fù)合材料異形制件.

3）真空壓力浸滲－液固擠壓法制備的復(fù)合材料異形件中，預(yù)制體沒有發(fā)生變形，增強體分布均勻，基體致密，無顯微孔洞.

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（編輯 呂雪梅）

Design of form ing device for com p lex Cf/M g com posite parts and experimental research

CHANG Zhiyuan，QILehua，GUAN Juntao，ZHOU Jiming，MA Yuqin

（School of Mechanical Engineering，Northwestern Polytechnical University，Xi′an 710072，China）

To achieve near net forming of complex Cf/Mg composite parts，liquid?solid extrusion following vacuum pressure infiltration process was proposed based on analysis of liquid infiltration preparation technology，and relevant forming device was developed by which 2D carbon fiber felt reinforced magnesium matrix composite complex partswere fabricated.The parameterswere as follow：melting temperature of 760～820℃，preheat temperature of 570～610℃，infiltration air pressure of0.5 MPa and extrusion pressure of 10～30 MPa.The shape of the complex parts is complete and consistentwith the design，the compositematerial was dense and the carbon fiberswere uniformly distributed in the composite.

composite；carbon fiber；complex parts；vacuum pressure infiltration；liquid?solid extrusion

TB33

A

1005－0299（2014）01－0036－06

2012－09－06.

國家自然科學(xué)基金資助項目（50972121；51275417）；西北工業(yè)大學(xué)博士論文創(chuàng)新基金資助項目（CX201227）.

暢志遠(yuǎn)（1988－），男，碩士生；

齊樂華（1957－），女，教授，博士生導(dǎo)師.

齊樂華，E?mail qilehua＠nwpu.edu.cn.