纳米SiC颗粒增强7075铝基复合材料半固态浆料的成型装置和成型方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半固态浆料的成型装置和成型方法，是申请日为2014年11月27日、申请号为201410705946.8的《纳米SiC颗粒增强7075铝基复合材料半固态浆料的制备及成型装置和制备及成型方法》分案申请。
【背景技术】
[0002]由于纳米陶瓷颗粒铝基复合材料具有低密度、高比强度和比刚度、高弹性模量、高耐磨性、高热导率和低热膨胀系数等一系列优异性能，使其在航空、航天、交通运输、核工业及兵器工业等领域受到广泛关注。同时，为适应国家“节能、减排、降耗”的大政方针，实现经济的可持续、快速发展，结构件正向轻量化和高可靠性飞速发展，颗粒增强铝基复合材料被广泛用于装备制造业中的复杂承力结构件。这就对其成形技术提出了更高要求。其中精确控形(控制结构件的形状)和精确控性(控制结构件的力学性能)是最重要的两个要求。精确控形是指该技术能够完全成形出所需结构件形状且尺寸精度满足设计要求。精确控性是指该技术不仅能够保证结构件的力学性能要求而且能够使其具有更高的力学性能。在铝基复合材料结构件的众多成形技术中，以铸造方法消耗少、工艺简单、不受零件形状限制而备受青睐。但铸造本身工艺容易带来诸多缺陷，使其性能不易满足使用要求(控性差)。为此，转向锻造加工，这就势必增加加工成本，且工艺流程长，零件形状也不能太复杂(控形差)。为此，必须在铸造和塑性加工之间进行融合嫁接，寻求一种工序省、加工容易、易控形和控性且成本不高的新方法。半固态触变成形技术具有这一优势。半固态触变成形技术是一种继承了铸、锻工艺的综合优点的精密、近净成形技术，能够有效地实现控形与控性的统一。与传统的液态压铸相比，半固态触变成形技术具有成形温度低(液-固相温区)、模具寿命长、组织均匀及其力学性能高等优点；与固态锻造相比，它的显著优点是用较小的力、较低的成本一次成形形状复杂、力学性能接近于锻件水平的结构件。
[0003]纳米颗粒增强铝基复合材料的半固态触变成形技术是目前半固态加工技术领域和铝基复合材料结构件制造技术领域的一个重要发展方向。而如何制备高质量的纳米颗粒增强铝基复合材料半固态浆料又是该技术发展中急需解决的关键问题。目前颗粒增强铝基复合材料半固态浆料的主要制备方法就是粉末冶金法和半固态机械搅拌法。虽然粉末冶金方法制备的纳米颗粒铝基复合材料具有界面结合良好、颗粒分布均匀的优点，但其也明显存在制备成本高、难以制备大尺寸半固态坯料的缺点。半固态机械搅拌利用半固态浆料中固相颗粒的支撑和衬托作用使陶瓷颗粒得到一定的分散，从而使该技术在陶瓷颗粒尺寸为几微米至几十微米时比较有效。但是一旦增强相粒子尺寸减小至纳米尺寸时，即使利用半固态机械搅拌，也很难使纳米颗粒获得很好的分散和界面润湿效果。由于纳米颗粒增强相的尺寸极小，这给纳米颗粒增强铝基复合材料半固态坯料的制备和成形带来很多技术困难，从而影响半固态坯料的质量和触变成形结构件的组织性能。所以，要发展纳米颗粒增强铝基复合材料半固态触变成形技术，必须制备高质量半固态坯料。而要制备高质量的纳米颗粒铝基复合材料半固态坯料，必须首先解决纳米颗粒和铝基体的界面润湿、纳米颗粒的絮凝(或团簇)及铝固相颗粒的球化、细化的技术瓶颈问题。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是要解决现有制备的粒增强铝基复合材料半固态浆料存在纳米颗粒和铝基体的界面润湿性差，纳米颗粒易絮凝，成型的方法成本高，工艺流程长和控形差的问题，而提供纳米SiC颗粒增强7075铝基复合材料半固态浆料的成型装置和成型方法。
[0005]纳米SiC颗粒增强7075铝基复合材料半固态浆料的制备装置包括超生震荡装置、热电偶、电阻炉、盖板、搅拌器、电机、框架和坩祸；
[0006]所述的坩祸置于电阻炉中；盖板覆盖在电阻炉的上端面上，盖板的中间位置上设有冲孔，超生震荡装置或搅拌器通过盖板上的冲孔，伸入到坩祸内部；搅拌器的上端与电机相连接，电机与框架使用螺栓固定连接。
[0007]纳米SiC颗粒增强7075铝基复合材料半固态浆料的制备方法，具体是按以下方法制备的:
[0008]一、制备液态7075铝合金:将电阻炉升温至650°C，然后将7075铝合金挤压态坯料放入坩祸内，再在温度为650°C下保温lOmin?16min，得到液态7075铝合金；
[0009]二、超声清洗:以乙醇为清洗剂，将纳米SiC颗粒在功率为100W下超声清洗2min?3min，再进行干燥，得到超声清洗后的纳米SiC颗粒；
[0010]三、混合、超声:将超声清洗后的纳米SiC颗粒加入到温度为650°C的液态7075铝合金中，得到纳米SiC颗粒和7075铝合金的混合熔液；再将超生震荡装置置于纳米SiC颗粒和7075铝合金的混合熔液中，超声处理19min?22min ；
[0011]步骤三中所述的纳米SiC颗粒的体积与纳米SiC颗粒和7075铝合金的混合熔液的体积比为(1.0 ~ 1.5):100 ；
[0012]四、搅拌、降温:将超生震荡装置移开，再将搅拌器置于到纳米SiC颗粒和7075铝合金的混合熔液中，开启电机，边搅拌边降温，得到温度为618°C?621°C的纳米SiC颗粒和7075铝合金的混合熔液；
[0013]五、制备半固态浆料:利用搅拌器对温度为618°C?621°C的纳米SiC颗粒和7075招合金的混合恪液进行搅拌19min?21min，得到纳米纳米SiC颗粒增强7075招基复合材料半固态浆料；
[0014]步骤五所述的纳米SiC颗粒增强7075铝基复合材料半固态浆料是由液态7075铝合金、纳米SiC颗粒和固相7075铝合金晶粒组成的。
[0015]纳米SiC颗粒增强7075铝基复合材料半固态浆料的成形装置包括下模板、第一螺栓、加热器、压板、凸模、固定板、上模板、第二螺栓、第三螺栓、凹模套、凹模、型腔和顶杆；
[0016]所述的上模板的下端面与固定板的上端面固接，凸模的上端装在固定板内且与上模板的下端面连接，固定板通过第二螺栓与上模板固定连接；
[0017]所述的压板设置在凹模和凹模套的上端面，压板通过第三螺栓与凹模套相连接；压板的端面上设有与凸模正对的冲孔，凸模的下端穿过压板上的冲孔，且置于凹模内部；凹模装在凹模套中；凹模套设有加热器，凹模和凹模套固定在下模板的上端面上，且下模板通过第一螺栓与凹模套相连接；下模板的端面上设有与凸模正对的冲孔，顶杆的顶端设置在凹模中，顶杆的底端穿过下模板的冲孔；凸模、凹模和顶组成型腔。
[0018]纳米SiC颗粒增强7075铝基复合材料半固态浆料的成形方法，具体是按以下步骤完成的:
[0019]一、预热:利用加热器将纳米SiC颗粒增强7075铝基复合材料半固态浆料的成形装置的温度加热至115°C?135°C，然后再利用喷枪将含有石墨的水溶液润滑剂均匀地喷涂在型腔的表面；再利用液压机将凸模的底端伸入到凹模内95mm?100mm ；
[0020]步骤一中所述的含有石墨的水溶液中石墨的质量分数为10%?15% ;
[0021]步骤一中所述的加热器的功率为8kW?9kW ；
[0022]二、加热:利用加热器将纳米SiC颗粒增强7075铝基复合材料半固态浆料的成形装置的温度加热至295°C?305°C，再在温度为295°C?305°C下保温28min?33min，得到加热后的纳米SiC颗粒增强7075铝基复合材料半固态浆料的成形装置；
[0023]三、加料:利用压力机将凸模与凹模分离至200mm?250mm，再将纳米SiC颗粒增强7075铝基复合材料半固态浆料加入到型腔中；
[0024]四、加压:利用压力机带动凸模向下移动，与凹模合模，再在压力为390MPa?400MPa下保压时间为90s?100s ;此时温度一直保持在295°C?305°C ；
[0025]五、取出、冷却:利用压力机将顶杆的底端向上移动，使型腔中的纳米SiC颗粒增强7075铝基复合材料筒形件从压板上的冲孔顶出，冷却至室温，得到纳米SiC颗粒增强7075铝基复合材料筒型件。
[0026]本发明的有益效果是:
[0027]—、本发明提出的超声辅助半固态