原位Al3Ti/Al复合材料一体化成形方法与流程

本发明属于al3ti/al复合材料原位成形技术领域，尤其涉及一种原位al3ti/al复合材料一体化成形方法。

背景技术：

铝基复合材料具有高比强度和比刚度，良好的耐磨损、耐疲劳及抗蠕变性能，并且具备导热导电性能好、热膨胀系数低和尺寸稳定性好等显著优点，在航空航天、交通运输、兵器装备等领域具有重要地位。铝基复合材料可通过外添加或原位反应自生的方式向铝基体中加入一定比例分数的陶瓷(颗粒、纤维、晶须等)或金属间化合物等增强相制备。原位铝基复合材料是通过添加相和铝基体之间的化学反应，生成一种或多种高硬度和高熔点的陶瓷或金属间化合物增强相，并使其均匀分布于铝基体中，从而达到强化基体的效果。原位复合材料的增强相在制备过程中通过化学反应原位生成，因此相对于传统的外加法具有显著优势：(ⅰ)增强相在金属基体内原位形成，便于实现复合材料结构及性能设计；(ⅱ)基体与增强相界面洁净，结合性能好；(ⅲ)增强相对基体组织有一定的细化作用；(ⅳ)增强相无需预处理，工艺流程简化，成本降低。

近年来，ti-al系金属间化合物由于具有高比强度、耐高温、抗氧化等特点而受到广泛关注。其中，al3ti比强度最高且高温抗氧化性能好，而且其与α-al晶格错配度<10％，相比于其它ti-al化合物更容易控制其在富al区的反应行为，因此成为原位铝基复合材料的理想增强相。

al3ti/al复合材料的屈服强度、抗拉强度和高温耐磨损性能相对于基体合金均获得了显著提升，但塑性仍然较低，这也是颗粒增强金属基复合材料存在的共性问题。因此，对制备的金属基复合材料开展后续塑性加工较为困难，难以实现复合材料复杂构件精确塑性成形；而采用铸造方法虽可实现近净成形，但铸件性能较低，无法充分挖掘出金属基复合材料的性能潜力。

挤压铸造技术结合了铸造成型和塑性成形的优势，利用金属处于液态或半固态时所具有的良好流动性，可在较小的压力下充填形状复杂的模具型腔，并且在随后的冷却过程中产生一定量的塑性变形，强制消除因凝固收缩形成的缩孔、疏松等铸造缺陷，从而保证制件具有较高力学性能的同时，实现复杂构件的近净成形。然而目前铝基复合材料挤压铸造技术的基础研究较为薄弱，在高性能承力构件制造领域的实际应用较少，其原因在于采用传统的挤压铸造技术虽可以实现复杂构件近净成形，但难以完全激发出铝基复合材料的性能潜力。因此，开发新型的高性能挤压铸造成形技术尤为迫切。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种原位al3ti/al复合材料一体化成形方法，将超声熔体处理技术和挤压铸造结合，以实现高性能铝基复合材料复杂构件成形成性一体化。

本发明提供了一种原位al3ti/al复合材料一体化成形方法，包括如下步骤：

步骤1，以纯ti颗粒和2024铝合金为原始材料，将2024铝合金熔化，并加热到785℃；将铝箔包覆的纯ti颗粒加入铝合金熔体中，并将超声工具头探入熔体内；启动超声振动系统，对熔体进行超声处理，制得质量分数8wt％的al3ti/al复合材料熔体；

步骤2,将制备的原位al3ti/al复合材料熔体直接浇入成型模具中进行挤压铸造，在挤压铸造成形过程中利用超声振动在熔体中产生的空化效应和声流效应，控制原始ti颗粒和al熔体的反应行为，优化生成的al3ti的形貌和尺寸；

步骤3，使原位al3ti/al复合材料熔体在挤压力和超声振动耦合作用下凝固并产生塑性变形，制得原位al3ti/al复合材料成形构件。

进一步地，步骤1中所述超声振动系统的功率为2kw，频率为20khz，所述超声处理的时间为15min。

进一步地，所述步骤3之后还包括：

采用透射电子显微镜、扫描电子显微镜、金相显微镜、x射线衍射分析系统、电子万能材料试验机对不同参数的挤压铸造成形件进行组织性能检测；分析不同工艺参数对构件微观组织和力学性能的影响机制，包括在液态挤压条件下超声空化效应和声流效应对al3ti形貌和分布的影响规律，以及对复合材料熔体凝固行为的影响机理；

采用蔡司图像分析软件分析构件的微观组织形貌，从热力学和动力学角度获得微观组织、力学性能和成形工艺之间的关系，建立工艺条件-组织特征-力学性能的参数化模型。

进一步地，所述步骤3之后还包括：

采用ansys有限元模拟系统对不同形状尺寸的超声器和挤压头进行谐振分析，获的最优匹配的超声器和挤压头形状尺寸。

进一步地，所述步骤3之后还包括：

采用pro/e三维造型软件建立超声器和挤压头接触几何模型；

将模型导入ansys有限元模拟系统，通过数值模拟计算接触压力对超声波传递效率的影响。

进一步地，所述步骤3之后还包括：

分析不同接触力学条件对成形构件的微观组织的影响，并结合有限元分析结果，得到最佳的接触力学条件；

结合数值模拟-试验结果，计算达到最佳接触力学条件所需的弹簧类型及数量；

建立超声辅助挤压铸造成形装置的几何模型。

进一步地，所述步骤3之后还包括：

以t6热处理为基础，分别优化固溶和时效处理参数，并实现二者之间的最优化组合；

通过正交试验，获得固溶处理级数、固溶处理温度和时间、时效处理级数、时效温度和时间对构件组织性能的影响规律；

从载荷传递、细晶强化、位错强化等角度综合分析挤压铸造al3ti/al复合材料的强化机制。

借由上述方案，通过原位al3ti/al复合材料一体化成形方法，将超声熔体处理技术和挤压铸造结合，实现了高性能铝基复合材料复杂构件成形成性一体化。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为本发明超声原位al3ti/al复合材料熔体制备装置的结构示意图；

图2为应用本发明原位al3ti/al复合材料制备装置制备原位al3ti/al复合材料成形前的示意图；

图3为应用本发明原位al3ti/al复合材料制备装置制备原位al3ti/al复合材料成形后的示意图；

图4为本发明超声器和挤压头接触示意图。

图中标号：

11-换能器；12-超声工具头；13-坩埚；14-感应加热线圈；15-铝合金溶体；16-纯ti颗粒；

21-上模；22-下模；23-复合材料溶体；24-挤压头；25-超声器；26-限位块；27-弹簧；28-液压缸；29-成形构件。

具体实施方式

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

本实施例提供了一种原位al3ti/al复合材料一体化成形方法，包括如下步骤：

步骤1，以纯ti颗粒和2024铝合金为原始材料，将2024铝合金熔化，并加热到785℃；将铝箔包覆的纯ti颗粒加入铝合金熔体中，并将超声工具头探入熔体内；启动超声振动系统，对熔体进行超声处理，制得质量分数8wt％的al3ti/al复合材料熔体；

步骤2,将制备的原位al3ti/al复合材料熔体直接浇入成型模具中进行挤压铸造，在挤压铸造成形过程中利用超声振动在熔体中产生的空化效应和声流效应，控制原始ti颗粒和al熔体的反应行为，优化生成的al3ti的形貌和尺寸；

步骤3，使原位al3ti/al复合材料熔体在挤压力和超声振动耦合作用下凝固并产生塑性变形，制得原位al3ti/al复合材料成形构件。

在本实施例中，步骤1中所述超声振动系统的功率为2kw，频率为20khz，所述超声处理的时间为15min。

在本实施例中，所述步骤3之后还包括：

采用透射电子显微镜、扫描电子显微镜、金相显微镜、x射线衍射分析系统、电子万能材料试验机对不同参数的挤压铸造成形件进行组织性能检测；分析不同工艺参数对构件微观组织和力学性能的影响机制，包括在液态挤压条件下超声空化效应和声流效应对al3ti形貌和分布的影响规律，以及对复合材料熔体凝固行为的影响机理；

采用蔡司图像分析软件分析构件的微观组织形貌，从热力学和动力学角度获得微观组织、力学性能和成形工艺之间的关系，建立工艺条件-组织特征-力学性能的参数化模型。

在本实施例中，所述步骤3之后还包括：

采用ansys有限元模拟系统对不同形状尺寸的超声器和挤压头进行谐振分析，获的最优匹配的超声器和挤压头形状尺寸。

在本实施例中，所述步骤3之后还包括：

采用pro/e三维造型软件建立超声器和挤压头接触几何模型；

将模型导入ansys有限元模拟系统，通过数值模拟计算接触压力对超声波传递效率的影响。

在本实施例中，所述步骤3之后还包括：

分析不同接触力学条件对成形构件的微观组织的影响，并结合有限元分析结果，得到最佳的接触力学条件；

结合数值模拟-试验结果，计算达到最佳接触力学条件所需的弹簧类型及数量；

建立超声辅助挤压铸造成形装置的几何模型。

在本实施例中，所述步骤3之后还包括：

以t6热处理为基础，分别优化固溶和时效处理参数，并实现二者之间的最优化组合；

通过正交试验，获得固溶处理级数、固溶处理温度和时间、时效处理级数、时效温度和时间对构件组织性能的影响规律；

从载荷传递、细晶强化、位错强化等角度综合分析挤压铸造al3ti/al复合材料的强化机制。

参图1至图4所示，该方可通过原位铝基材料制备装置及al3ti/al复合材料熔体制备装置实施。

原位铝基材料制备装置包括上模21、下模22、挤压头24、超声器25、限位块26及弹簧27；上模21与下模22连接构成模具型腔，模具型腔内容纳有原位al3ti/al复合材料熔体23；挤压头24顶端顶入模具型腔内，超声器25顶端与挤压头24底端接触连接；弹簧27一端与超声器25连接，另一端连接液压缸28；限位块26设于挤压头24两侧，上端设有限位槽，下端与液压缸28连接；挤压头24底部设有限位部，限位部与限位槽配合；

在挤压铸造成形过程中，通过弹簧27预紧力将超声器25和挤压头24锁紧，随着液压缸28上升，挤压头24在超声振动作用下推动al3ti/al复合材料熔体23充填模具型腔；充型结束时，液压缸28继续上升并压缩弹簧27，待限位块26与挤压头24接触时，全部液压载荷通过挤压头24作用于al3ti/al复合材料熔体23，al3ti/al复合材料熔体23在挤压力和超声振动耦合作用下凝固并产生塑性变形，制得原位铝基材料成形构件29。

在本实施例中，挤压头24与超声器25的谐振频率相近。

al3ti/al复合材料熔体制备装置包括超声振动系统、坩埚13及感应加热线圈14，坩埚13外周设有感应加热线圈14，坩埚13内装有铝合金溶体15及铝箔包覆的纯ti颗粒16，超声振动系统包括换能器11及超声工具头12；

通过感应加热线圈14将铝合金溶体15及纯ti颗粒16加热到785℃，并将超声工具头12探入熔体内；启动超声振动系统，对熔体进行超声处理，制得质量分数8wt％的al3ti/al复合材料熔体。

在本实施例中，超声振动系统的功率为2kw，频率为20khz，超声处理的时间为15min。

本实施例将超声熔体处理技术与原位铸造相结合，通过挤压铸造方法制备al3ti/al复合材料复合材料，实现al3ti/al复合材料高效制备和近净成形一体化，突破了制备方法中外加法(将al2o3陶瓷颗粒加入到铝合金熔体中，通过机械搅拌使其结合，制得非连续增强的铝基复合材料)存在增强相润湿性不佳，与基体结合不好的关键问题，同时解决了原位铸造制备al3ti颗粒增强铝基复合材料的工艺特征、制造路线等还不能很好地确定的技术难题。

下面对本发明作进一步详细说明。

al3ti为d022型面心四方结构，晶格常数在低于620℃温度下晶体变形主要通过孪生方式进行，孪生面是<111>，孪生方向是{112}。该晶体结构的滑移系只有四个，因而塑性较差，室温脆性严重，导致其实际应用受到限制。因此，al3ti不能直接作为高温结构材料，但作为复合材料基体或增强相可发挥其性能特点，并且尤其适合作为非连续增强铝基复合材料的增强相。al3ti密度为3.3g/cm³，与sic密度3.27g/cm³接近，弹性模量为216gpa，熔点约为1350℃，可通过铸造法原位反应制得。al3ti与α-al晶格错配度<10％，常作为al合金的形核剂，可以有效细化晶粒，al3ti与α-al界面相容性优于sic，易与铝基体形成紧密结合，因而是理想的增强相。浇铸凝固后得到原位al3ti颗粒增强铝基复合材料。al3ti颗粒对α-al有强烈的异质形核作用，该作用下al3ti颗粒均匀分布在al基体中，并与al基体保持稳固的界面结合。

挤压铸造是对浇入模具中的液态或固液混合态的金属或合金施加较高的机械压力，使其成形和凝固而获得制件的工艺方法。其工艺过程为:将液态金属浇入模具，然后施以高压，使已凝固的金属(外壳)产生塑性变形，未凝固金属承受等静压，并在高压下凝固，最后脱模得到制件。由于高压凝固和塑性变形同时存在，得到的制件无缩孔、缩松等缺陷，组织致密，力学性能高于普通铸件，接近或相当于锻件水平；无需冒口补缩，因而材料利用率高，工序简化。

高能超声作用于金属熔体时会引发一系列物理现象，当超声能量足够高时(功率密度大于100w/cm²)，将在熔体内部产生超声空化效应，即熔体内部的微小气泡在超声波作用下振荡、生长，形成空化泡，空化泡不断聚集声场能量，当能量达到并超过某一阈值时，空化泡崩溃并释放出巨大的能量，在局部区域产生瞬时的高温高压。这种作用会加快反应物之间的相互扩散，极大提高非均相反应速率，促进固体新相形成，并能有效控制颗粒的尺寸和分布情况。

超声波在金属熔体中传播时，声波在熔体粘度的作用下振幅不断衰减，熔体内部形成声压梯度，驱使熔体流动，当声源处声压超过一定值时，产生流体的喷射，并在整个熔体内部形成环流，即为超声声流效应。超声空化效应和声流效应都会对金属熔体起到搅拌作用。

本实施例以纯ti颗粒和2024铝合金为原始材料，采用超声感应熔炼法制备原位al3ti/al复合材料熔体，使原位al3ti/al复合材料熔体在挤压力和超声振动耦合作用下凝固并产生一定的塑性变形，实现高性能原位al3ti/al复合材料高效制备及精密成形。具体技术方案包括：

(1)超声振动系统和挤压铸造装置的耦合方案

超声器25和挤压头24的几何关系和接触关系决定了超声波在耦合成形系统中的传输效率，因此二者需要拥有相近的谐振频率，此外还需在二者之间施加一定的压力，过大或过小的压力均可能降低超声波传输效率。本实施例采用ansys有限元软件对不同形状尺寸的超声器25和挤压头24进行谐振分析，设计最优匹配的超声器和挤压头形状尺寸；采用弹簧27使超声器25和挤压头24接触，并施加一定的预紧力，如图4所示。采用pro/e三维造型软件建立超声器和挤压头接触几何模型；将模型导入ansys有限元模拟系统，通过数值模拟计算接触压力对超声波传递效率的影响；采用耦合装置对铝熔体进行超声处理，分析不同接触力学条件对成形构件的微观组织的影响，并结合有限元分析结果，得到最佳的接触力学条件；结合数值模拟-试验结果，计算达到最佳接触力学条件所需的弹簧类型、数量等；最后建立超声挤压铸造装置及部件的几何模型。

(2)超声原位al3ti/al复合材料熔体制备

以纯ti颗粒和2024铝合金为原始材料。首先采用感应熔炼方法将2024铝合金熔化，并加热到785℃；随后将铝箔包覆的纯ti颗粒加入铝合金熔体中，并使超声工具头探入熔体内(深度为60mm)；启动超声振动系统，其功率为2kw，频率为20khz，对熔体进行超声处理，时间为15min；最后制备质量分数8wt％的al3ti/al复合材料熔体。

(3)组织性能测试及成形机制分析

采用透射电子显微镜(tem)、扫描电子显微镜(sem)、金相显微镜(om)、x射线衍射分析(xrd)、instron电子万能材料试验机等先进的检测设备对不同参数的挤压铸造成形件进行组织性能检测；分析不同工艺参数对构件微观组织和力学性能的影响机制，特别是在液态挤压条件下超声空化效应和声流效应对增强相形貌和分布的影响规律，以及对复合材料熔体凝固行为的影响机理；采用蔡司专业图像分析软件分析构件的微观组织形貌，如增强相形貌和分布、晶粒形状、尺寸、均匀度等，从热力学和动力学角度获得微观组织、力学性能和成形工艺之间的关系，建立工艺条件-组织特征-力学性能的参数化模型。

(4)适用于超声挤压铸造al3ti/al复合材料的专用热处理工艺和强韧化机制。

al3ti/al复合材料熔体由超声感应熔炼制备后，在超声振动-液态挤压耦合作用下流动、凝固并发生一定塑性变形，其组织形态和常规超声铸造法所制备的复合材料存在较大差别，因此专用的热处理工艺，以进一步激发复合材料的性能潜力。本实施例以t6热处理为基础，分别优化固溶和时效处理参数，并实现二者之间的最优化组合。通过正交试验，获得固溶处理级数、固溶处理温度和时间、时效处理级数、时效温度和时间对构件组织性能的影响规律；从载荷传递、细晶强化、位错强化等角度综合分析挤压铸造al3ti/al复合材料的强化机制。

本发明具有如下技术效果：

1)通过将超声熔体处理技术引入原位al3ti/al复合材料制备和挤压铸造成形过程中，利用超声振动在熔体中产生的空化效应和声流效应，控制原始ti颗粒和al熔体的反应行为，优化生成物(al3ti)的形貌和尺寸，可以显著细化晶粒、降低组织偏析，提高金属凝固组织和性能的均匀性。

2)通过超声振动-挤压铸造高效耦合成形装置，将制备的原位al3ti/al复合材料熔体直接浇入成型模具中，使超声振动有效作用于铝基复合材料熔体的充型、凝固及塑性变形过程中，实现高性能原位al3ti/al复合材料高效制备及精密成形。

3)将超声熔体处理技术和挤压铸造技术有机结合，使超声振动有效作用于原位铝基复合材料熔体制备、充型、凝固及塑性变形过程中，可充分发挥出超声熔体处理技术的组织性能调控优势和挤压铸造成形技术的近净成形特点。

4)将原位al3ti/al复合材料、挤压铸造和超声熔体处理的优势有机结合，从而进一步优化成形构件的微观组织和力学性能，在实现原位al3ti/al复合材料高效制备和精密成形一体化的基础上，最大程度地挖掘铝基复合材料的性能潜力和挤压铸造的技术优势，并将其转化为复合材料构件的服役性能优势，具有极大的发展前景和应用空间。

5)超声振动功率的有效传输，能够保证成形质量，提高成形效率，从而实现原位铝基复合材料高效制备和精密成形一体化。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。