專利名稱：高強(qiáng)度高模量鋁基復(fù)合材料的成型方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬基復(fù)合材料成型方法，尤其涉及高強(qiáng)度高模量鋁基復(fù) 合材料的成型方法，屬于材料加工技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
鋁基復(fù)合材料具有重量輕，比強(qiáng)度、比剛度和剪切強(qiáng)度高，熱膨脹系 數(shù)低，熱穩(wěn)定性、導(dǎo)熱、導(dǎo)電、耐腐蝕性能良好等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為航空、 航天等領(lǐng)域中的理想材料，應(yīng)用前景廣闊。
中國(guó)專利200710005629.5公開了一種復(fù)合材料成型方法，是先放置纖 維層在模具的模穴內(nèi)，將一彈性模與一隔離膜覆蓋在纖維層上，再將隔離 膜下方與模具的模穴之間抽真空，以形成負(fù)壓，同時(shí)對(duì)彈性模施加一機(jī)械 壓力，使纖維層定型；以消除成型的纖維層表面可能產(chǎn)生的氣孔，增加產(chǎn) 品的優(yōu)良率。此成型方法難以滿足航空、航天、高新技術(shù)等行業(yè)高強(qiáng)度、 高模量鋁基復(fù)合材料的成型要求。
中國(guó)專利93115401.4報(bào)道了熱收縮纖維增強(qiáng)復(fù)合材料成型工藝，采用 層壓方法，在一定溫度和壓力下將增強(qiáng)纖維織物層壓復(fù)合于聚乙烯中，制 成熱縮纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。此方法工藝簡(jiǎn)單，但也不適合于高強(qiáng)度高模量 鋁基復(fù)合材料的成型。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種高強(qiáng)度高模量鋁 基復(fù)合材料的成型法，旨在有效降低鋁基復(fù)合材料發(fā)生加工裂紋的幾率， 改善鋁基復(fù)合材料的微觀組織，提高材料強(qiáng)度。本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)
高強(qiáng)度高模量鋁基復(fù)合材料的成型方法，特點(diǎn)具體包括以下步驟一
① 加載階段將鋁基復(fù)合材料板材在45(rC 55(TC進(jìn)行固溶處理，淬
火，將鋁基復(fù)合材料板材置于模具上，鋁基復(fù)合材料板材與模具結(jié)合部密
封，鋁基復(fù)合材料板材與模具成型面腔體抽真空至1 X 10—7 MPa 1 X 10—12 MPa，再將鋁基復(fù)合材料板材與模具置于高壓釜中，高壓釜產(chǎn)生150MPa 500MPa壓力并作用于鋁基復(fù)合材料板材表面；
② 時(shí)效階段升溫至20 300。C，時(shí)效處理5 50h;
③ 卸載階段時(shí)效結(jié)束后，先將溫度降至15 5(TC，然后卸載至常壓， 構(gòu)件因殘余彈性變形回復(fù)而發(fā)生回彈，從而獲得相應(yīng)形狀的零件。
進(jìn)一步地，上述的高強(qiáng)度高模量鋁基復(fù)合材料的成型方法，步驟①中 鋁基復(fù)合材料板材固溶處理時(shí)間為15min 300min。
更進(jìn)一步地，上述的高強(qiáng)度高模量鋁基復(fù)合材料的成型方法，歩驟① 中鋁基復(fù)合材料板材從固溶處理到淬火轉(zhuǎn)移過程時(shí)間在ls 30s，淬火介 質(zhì)為水，水溫在15。C 5(TC。
再進(jìn)一步地，上述的高強(qiáng)度高模量鋁基復(fù)合材料的成型方法，步驟① 中鋁基復(fù)合材料板材與模具結(jié)合部設(shè)有橡膠密封墊，并涂抹真空密封脂。
本發(fā)明技術(shù)方案突出的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的進(jìn)步主要體現(xiàn)在
本發(fā)明時(shí)效成型法是將零件成型和人工時(shí)效處理相結(jié)合的新型鈑金 成型工藝，能大大降低鋁基復(fù)合材料發(fā)生加工裂紋的幾率，改善鋁基復(fù)合 材料的微觀組織，提高材料強(qiáng)度，同時(shí)，時(shí)效成型過程中由于蠕變而導(dǎo)致 應(yīng)力松弛以及后續(xù)回彈，構(gòu)件殘余應(yīng)力水平較低，其耐疲勞及應(yīng)力腐蝕能
力有所提高，長(zhǎng)期服役性能好；是航空先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展重點(diǎn)，是長(zhǎng)壽 命、高可靠制造技術(shù)重點(diǎn)發(fā)展的方向。具有成型效果好、成型質(zhì)量穩(wěn)定、 生產(chǎn)效率高、工裝簡(jiǎn)單、人工影響因素小等優(yōu)點(diǎn)，非常適合應(yīng)用于高強(qiáng)度高模量鋁基復(fù)合材料大平面尺寸、小曲率、型面結(jié)構(gòu)復(fù)雜、準(zhǔn)確度高的框 肋腹板和壁板類零件精密成型，應(yīng)用前景看好。


下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步說明 圖1:加載階段的示意圖； 圖2:時(shí)效階段的示意圖； 圖3:卸載階段的示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供高強(qiáng)度高模量鋁基復(fù)合材料成型方法，是一種將零件成型 和人工時(shí)效處理相結(jié)合的新型鈑金成型工藝。
時(shí)效成型法，對(duì)板材施予一定預(yù)變形，加溫后使部分彈性應(yīng)變轉(zhuǎn)化為 塑性變形；即通過將彈性變形轉(zhuǎn)化為永久的塑性變形達(dá)到成型的目的，成 型過程具體分為加載、時(shí)效、卸載三個(gè)階段，如圖1 3所示，主要包括 以下三個(gè)步驟
1) 加載階段將鋁基復(fù)合材料板材在450。C 55(TC進(jìn)行固溶處理 15min 300min，淬火，從固溶處理到淬火轉(zhuǎn)移過程時(shí)間在ls 30s，淬火 介質(zhì)為水，水溫在15。C 5(TC;將鋁基復(fù)合材料板材置于依據(jù)零件形狀尺 寸設(shè)計(jì)好的模具上，模具與實(shí)際所需零件留1 20%變形量，以補(bǔ)償其鋁 基復(fù)合材料卸載后的回彈量；模具與鋁基復(fù)合材料板材結(jié)合部設(shè)有高溫橡 膠密封墊，并涂抹高真空密封脂；將鋁基復(fù)合材料板材與模具成型面腔體 抽真空至1 X 10; MPa 1 X IO"2 MPa，將鋁基復(fù)合材料板材與模具置于高 壓釜中，時(shí)效成型高壓釜產(chǎn)生150MPa 500MPa壓力并均勻作用于鋁基復(fù) 合材料板材表面；高壓釜裝置加熱溫度范圍為20 300°C。
2) 時(shí)效階段開始升溫，當(dāng)溫度升高至20 30(TC時(shí)效溫度后，板材 發(fā)生彎曲等彈性變形并與模具成型面緊密結(jié)合，恒溫保持設(shè)定時(shí)效5 50h;在這個(gè)過程中，彈性應(yīng)力作用下的鋁基復(fù)合材料板材將發(fā)生蠕變變 形，松弛一部分彈性應(yīng)力并發(fā)生一定程度的永久變形。
3)卸載階段時(shí)效結(jié)束后，先將溫度降至15 50°C，然后卸載至常 壓，構(gòu)件因殘余彈性變形回復(fù)而發(fā)生回彈，從而得到相應(yīng)形狀的零件。
該方法將人工時(shí)效與加工成型相結(jié)合，利用鋁基復(fù)合材料在彈性應(yīng)力 作用下在一定溫度(人工時(shí)效溫度)時(shí)發(fā)生蠕變變形，從而得到具有一定 形狀的結(jié)構(gòu)件，同時(shí)利用時(shí)效處理得到鋁基復(fù)合材料所需的性能，利用高 溫金屬的應(yīng)力松弛效應(yīng)，將彈性變形轉(zhuǎn)化為永久塑性變形從而達(dá)到成型的 目的。常規(guī)塑性成型如軋制、沖壓成型時(shí)，施加于鋁基復(fù)合材料的應(yīng)力高 于其屈服應(yīng)力，而時(shí)效成型時(shí)成型應(yīng)力通常低于其屈服應(yīng)力，因此相對(duì)于 常規(guī)塑性變形而言，時(shí)效成型大大降低了鋁基復(fù)合材料發(fā)生加工裂紋的幾 率。時(shí)效成型法改善了鋁基復(fù)合材料的微觀組織，提高材料強(qiáng)度，同時(shí)， 時(shí)效成型過程中由于蠕變而導(dǎo)致應(yīng)力松弛以及后續(xù)回彈，構(gòu)件殘余應(yīng)力水 平較低，其耐疲勞及應(yīng)力腐蝕能力有所提高，長(zhǎng)期服役性能更好。
結(jié)合本發(fā)明的內(nèi)容提供以下實(shí)施實(shí)例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步理解
實(shí)施例l:
鋁基復(fù)合材料的成分質(zhì)量百分比為Zn8.0wtX， Mg2.3wt%， Cu 2.3 wt%， Zr0.15wt%， Mn《0.05wt%， Cr《0.04wt%， TiB210wt%，余量 為Al。
工藝過程首先，將鋁基復(fù)合材料板材進(jìn)行460'C/2h固溶處理，淬火， 模具與實(shí)際所需零件額外設(shè)計(jì)5%變形量，以補(bǔ)償鋁基復(fù)合材料卸載后的 回彈量，模具與鋁基復(fù)合材料板材結(jié)合部設(shè)高溫橡膠密封墊，并涂抹高真 空密封脂，將鋁基復(fù)合材料板材與模具成型面腔體抽真空至1 X 10—9 MPa， 將鋁基復(fù)合材料板材與模具置于高壓釜中，高壓釜裝置產(chǎn)生的200MPa壓 力，壓力均勻作用于鋁基復(fù)合材料板材表面，高壓釜裝置加熱至120°C， 恒溫保持24h，最后將溫度降至室溫2(TC，然后卸載至常壓，獲得相應(yīng)形狀的零件。
實(shí)施例2:
鋁基復(fù)合材料的成分質(zhì)量百分比為Zn8.0wtX， Mg2.3wt%， Cu2.3 wt%， Zr0.15wt%， Mn《0.05wt%， Cr《0.04wt%， TiB210wt%，余量 為Al。
工藝過程首先，將鋁基復(fù)合材料板材進(jìn)行55(TC/15min固溶處理， 淬火，模具與實(shí)際所需零件額外設(shè)計(jì)T/^變形量，以補(bǔ)償鋁基復(fù)合材料 卸載后的回彈量，模具與鋁基復(fù)合材料板材結(jié)合部設(shè)高溫橡膠密封墊， 并涂抹高真空密封脂，將鋁基復(fù)合材料板材與模具成型面腔體抽真空至 lX10—7MPa，將鋁基復(fù)合材料板材與模具置于高壓釜中，高壓釜裝置產(chǎn) 生的150MPa壓力，壓力均勻作用于鋁基復(fù)合材料板材表面，高壓釜裝 置加熱至30(TC，恒溫保持5h，最后將溫度降至室溫5(TC，然后卸載至 常壓，獲得相應(yīng)形狀的零件。
實(shí)施例3:
鋁基復(fù)合材料的成分質(zhì)量百分比為Zn8.0 wt%， Mg2.3wt%， Cu 2.3 wt%， Zr0.15wt%， Mn《0.05wt%， Cr《0.04wt%， TiB210wt%，余量 為Al。
工藝過程首先，將鋁基復(fù)合材料板材進(jìn)行45(TC/5h固溶處理，淬 火，模具與實(shí)際所需零件額外設(shè)計(jì)20%變形量，以補(bǔ)償鋁基復(fù)合材料卸 載后的回彈量，模具與鋁基復(fù)合材料板材結(jié)合部設(shè)高溫橡膠密封墊，并 涂抹高真空密封脂，將鋁基復(fù)合材料板材與模具成型面腔體抽真空至1 X10—12MPa，將鋁基復(fù)合材料板材與模具置于高壓釜中，高壓釜裝置產(chǎn) 生的500MPa壓力，壓力均勻作用于鋁基復(fù)合材料板材表面，高壓釜裝 置加熱至100'C，恒溫保持50h，最后將溫度降至室溫15°C，然后卸載 至常壓，獲得相應(yīng)形狀的零件。
本發(fā)明時(shí)效成型法是將零件成型和人工時(shí)效處理相結(jié)合的新型鈑金成型工藝，可大大降低鋁基復(fù)合材料發(fā)生加工裂紋的幾率，改善鋁基復(fù) 合材料的微觀組織，提高材料強(qiáng)度，同時(shí)，時(shí)效成型過程中由于蠕變而 導(dǎo)致應(yīng)力松弛以及后續(xù)回彈，構(gòu)件殘余應(yīng)力水平較低，其耐疲勞及應(yīng)力 腐蝕能力有所提高，長(zhǎng)期服役性能好；是航空先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展重點(diǎn)， 是長(zhǎng)壽命、高可靠制造技術(shù)重點(diǎn)發(fā)展的方向。具有成型效果好、成型質(zhì) 量穩(wěn)定、生產(chǎn)效率高、工裝簡(jiǎn)單、人工影響因素小等優(yōu)點(diǎn)，非常適合應(yīng) 用于高強(qiáng)度高模量鋁基復(fù)合材料大平面尺寸、小曲率、型面結(jié)構(gòu)復(fù)雜、 準(zhǔn)確度高的框肋腹板和壁板類零件精密成型，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效應(yīng)顯著。
以上僅是本發(fā)明的具體應(yīng)用范例，對(duì)本發(fā)明的保護(hù)范圍不構(gòu)成任何限 制。凡采用等同變換或者等效替換而形成的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明權(quán)利 保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1. 高強(qiáng)度高模量鋁基復(fù)合材料的成型方法，其特征在于具體包括以下步驟——①加載階段將鋁基復(fù)合材料板材在450℃～550℃進(jìn)行固溶處理，淬火，將鋁基復(fù)合材料板材置于模具上，鋁基復(fù)合材料板材與模具結(jié)合部密封，鋁基復(fù)合材料板材與模具成型面腔體抽真空至1×10-7MPa～1×10-12MPa，再將鋁基復(fù)合材料板材與模具置于高壓釜中，高壓釜產(chǎn)生150MPa～500MPa壓力并作用于鋁基復(fù)合材料板材表面；②時(shí)效階段升溫至20～300℃，時(shí)效處理5～50h；③卸載階段時(shí)效結(jié)束后，先將溫度降至15～50℃，然后卸載至常壓，構(gòu)件因殘余彈性變形回復(fù)而發(fā)生回彈，從而獲得相應(yīng)形狀的零件。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高強(qiáng)度高模量鋁基復(fù)合材料的成型方法， 其特征在于歩驟①中鋁基復(fù)合材料板材固溶處理時(shí)間為15min 300min。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高強(qiáng)度高模量鋁基復(fù)合材料的成型方法， 其特征在于步驟①中鋁基復(fù)合材料板材從固溶處理到淬火轉(zhuǎn)移過程時(shí)間 在ls 30s，淬火介質(zhì)為水，水溫在15°C 50°C。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高強(qiáng)度高模量鋁基復(fù)合材料的成型方法，其特征在于步驟①中鋁基復(fù)合材料板材與模具結(jié)合部設(shè)有橡膠密封墊，并涂抹真空密封脂。
全文摘要
本發(fā)明涉及高強(qiáng)度高模量鋁基復(fù)合材料的成型方法，其工藝先將鋁基復(fù)合材料板材在450℃～550℃進(jìn)行固溶，淬火，將鋁基復(fù)合材料板材置于模具上，鋁基復(fù)合材料板材與模具結(jié)合部密封，鋁基復(fù)合材料板材與模具成型面腔體抽真空至1×10^-7MPa～1×10^-12MPa，再將板材與模具置于高壓釜中，產(chǎn)生150MPa～500MPa壓力作用于鋁基復(fù)合材料板材表面；繼而升溫至20～300℃，時(shí)效5～50h；時(shí)效后，將溫度降至15～50℃，然后卸載至常壓，構(gòu)件因殘余彈性變形回復(fù)而發(fā)生回彈，獲得相應(yīng)形狀的零件。此方法能大大降低鋁基復(fù)合材料發(fā)生加工裂紋的幾率，改善微觀組織，提高材料強(qiáng)度；適用于高強(qiáng)度高模量鋁基復(fù)合材料大平面尺寸、型面結(jié)構(gòu)復(fù)雜、準(zhǔn)確度高的框肋腹板和壁板類零件精密成型。
文檔編號(hào)C22F1/04GK101429635SQ20081024471
公開日2009年5月13日 申請(qǐng)日期2008年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月26日
發(fā)明者樂永康, 張建平, 毛建偉 申請(qǐng)人:蘇州有色金屬研究院有限公司