专利名称：一体化镁基复合材料制备装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种一体化镁基复合材料制备装置，还涉及使用该装置制备镁基复合材料的 方法。
技术背景镁基复合材料具有低密度、高比强度、高比模量和优异的阻尼减振性能、低的热膨胀系 数以及优异的铸造性能等，是一种轻量化、高性能结构材料。真空浸渗法制备镁基复合材料，是先抽真空使晶须预制件处于真空状态，然后液态镁合 金在真空造成的负压下渗入预制件中。参照图2 4。文献"浸渍/挤压(SiCw + B4Cp)/Mg(AZ91)复合材料的界面特征，金头男，聂 祚仁，李斗星.中国有色金属学报，2002， 12(2):284 289"公开了一种制备镁基复合材料的方 法，该方法先利用真空液态浸渍法制备复合材料坯料，再将坯料经热挤压成复合材料棒材。 但是，该方法制备镁基复合材料要经过镁合金熔炼、浇注、浸渗、挤压成形四种工艺，所使 用的装置有熔炼装置、浇注、浸渗装置以及挤压装置。熔炼装置包括坩锅6、 A电阻加热器5和坩锅盖15，坩锅6放在A电阻加热器5上，坩 锅盖15置于坩锅6上，与坩锅6的锅沿用起密封作用的垫片8隔离后用沉头螺栓紧固，熔炼 腔16通过管道分别与气压罐4和真空泵1连通，测金属液温度的热电偶9穿过坩锅盖15插 入熔炼腔16内，保证与液面不接触，在熔炼腔16与气压罐4之间的管道上安装有C阀门11， 在熔炼腔16与真空泵1之间的管道上安装有B阀门3。浸渍装置包括密封腔26、浸渍模28，进液管25和通气孔27固定在密封腔26的上端壁 面上，先通过通气孔27对密封腔26抽真空，在压力差作用下镁合金液7通过进液管25浇注 到浸渍模28内的预制体21上，通气孔27通入保护气体，在气体压力作用下进行压力浸渍成 形复合材料坯料29。挤压装置包括凸模17、凹模桶19、 B电阻加热器20、成形模23以及下垫板30，凹模桶 19置于B电阻加热器20中，成形模23置于凹模桶19的下半部分，其上放置复合材料坯料 29，凸模17则放入凹模桶19的上半部分，所有部件均置于下垫板30上。B电阻加热器20 加热1 2小时，使复合材料坯料温度控制在温度在380 45(TC,凸模17下行，将镁基复合 材料挤出成形模23,最终成形镁基复合材料制件。现有技术存在以下不足镁基复合材料成形过程需要分装置、分步骤进行，装置复杂，操作 步骤多；真空液态浸渗过程中难于实现镁合金液的定量浇注；在二次加热和固态热挤压中，镁基复合材料坯料长时间暴露在空气中，容易发生氧化，另外由于强化相与基体的变形抗力、膨胀系 数不同，难于协调一致，二次加热和固态变形可能会影响其结合界面而降低制件性能。 发明内容为了克服现有技术镁基复合材料制备装置分散的不足，本发明提供一种一体化镁基复 合材料制备装置，通过该装置将制备镁基复合材料方法所需的镁合金熔炼、定量浇注、浸 渗、挤压成形四种工艺，在一个完全密封的一体化装置内完成，可一次快速成形镁基复合 材料制件。本发明还提供使用这种装置制备镁基复合材料的方法。本发明解决其技术问题所采用的技术方案 一种一体化镁基复合材料制备装置，包括 熔炼装置和挤压装置，其特点是所述的挤压装置，其凹模桶和成形模底部出口用顶杆密封， 凹模桶上端口用垫块密封，形成一个密封模腔，所述熔炼装置的熔炼腔和挤压装置的模腔通 过三通进液管连通，三通进液管的第三端通过D阀门与气压罐相连，挤压装置的模腔通过管 道与真空泵连通，液位传感器插在熔炼腔内，与坩锅盖采用自密封螺纹连接。一种使用上述装置制备镁基复合材料的方法，其特点是包括下述步骤(a) 将预制体放置于凹模桶中，将镁合金锭块放置于坩锅内，密封凹模桶及坩锅；(b) 关闭C阀门11和D阔门12，关闭B阀门3，打开A阀门2，用真空泵对模腔及熔炼腔16 内抽真空，当腔内真空度达到10 15KPa时，停止抽真空；(c) 关闭A阀门和B阀门，关闭C阀门，打开D阀门，通入Ar气，气体压力控制在0.2 0.9MPa;(d) 开启A电阻加热器加热2 5小时，使坩埚温度保持在600 85(TC， B电阻加热器20 加热1 2小时，使预制体及成型模温度控制在温度在400 70(TC,熔化镁合金；(e) 关闭D阀门，同时打开A阀门和B阀门，用真空泵对模腔及坩锅腔抽真空，当炉腔内 真空度达到10 15KPa时，停止抽真空；(f) 关闭A阀门和B阀门，打开C阀门，气体压力控制在0.7 0.9MPa，将镁合金吸入凹 模桶中，进行浇注；(g) 继续通入Ar气，使镁合金液渗入到预制体中，空冷降温，当凹模桶温度降至400 500'C时，关闭C阀门，取走垫块及顶杆，凸模下行，将镁基复合材料挤出成形模，成形出 镁基复合材料制件。本发明的有益效果是本发明通过一体化制备镁基复合材料的装置的设计，将制备镁基 复合材料所需的镁合金熔炼、浇注、浸渗、挤压成形四种工艺，在一个完全密封的一体化装 置内完成。通过对模腔及熔炼腔内的气体压力精密控制，可实现镁合金液的定量浇注及气体 压力浸渗，并由液态一次挤压成形高性能镁基复合材料制件，达到对镁基复合材料的渗挤双控成形，高效节能，实现镁基复合材料制件的设计和制造一体化。另外，整个成形过程在真 空及气体保护气氛下进行，可避免镁合金在制造过程中的氧化燃烧，利用真空吸渗可解决液 态镁合金在预制件中分布不均匀的难题，提高复合材料制件的性能。下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。
图1是本发明一体化镁基复合材料制备装置结构示意图。 图2是现有技术镁合金熔炼装置结构示意图。 图3是现有技术镁合金浇注、浸渗装置结构示意图。 图4是现有技术镁合金挤压装置结构示意图。图中，l-真空泵，2-A阀门，3-B阀门，ll-C阀门，12-D阔门，4-气压罐，5-A电阻加热 器，6-坩锅，7-镁合金液，8-垫片，9-热电偶，10-压力表，13-传感器，14-三通进液管，15-坩锅盖，16-熔炼腔，17-凸模，18-垫块，19-凹模桶，20-B电阻加热器，21-预制体，22-测温 孔，23-成形模，24-顶杆，25-进液管，26-密封腔，27-通气孔，28-浸渍模，29-复合材料坯料， 30-下垫板。
具体实施方式
实施例l。参照图l。本实施例所用金属基体为AZ91D镁合金，预制体采用洛阳耐火材 料研究所生产的硼酸铝晶须，预制体尺寸为045x3Omm，采用湿法制备硼酸铝晶须预制件。本发明的装置包括熔炼装置和挤压成型装置，熔炼装置通过三通进液管14与挤压成型装 置的凹模桶19的模腔相连通，三通进液管14的第三端通过D阀门12与气压罐4相连，凹 模桶19的模腔通过管道与真空泵1连通，熔炼腔16还分别通过管道与气压罐4相连和真空 泵1连通。液位传感器13与坩锅盖15采用自密封螺纹连接，插在熔炼腔16内，测金属液温 度的热电偶9插在熔炼腔16内，保证与液面不接触。在熔炼腔16与真空泵1之间的管道上 安装有B阀门3。成形模23和凹模桶19之间采用间隙配合，底部平齐，B电阻加热器20包 围凹模桶19，在凹模桶19侧壁，靠近预制体21的中心部位开有三个直径为05的测温孔22，用于放置测温的热电偶。凹模桶19和成形模23底部出口用顶杆24进行密封，在凹模桶19 上端口上放置铜垫块18，利用凸模17加压进行密封，形成一个密封模腔。真空泵l和凹模 桶19之间的管道上安装有A阀门2,凹模桶19与连接真空泵的管道采用自密封螺纹连接， 三通进液管14与凹模桶19模腔采用自密封螺纹相连。将液位传感器13和热电偶9的输出线 连于外部接口电路，计算机通过外部电路接收电压变化信号。按上述方式连接装配完成后，关闭控制气压输入的C阀门11和D阀门12，关闭B阀门3，打 开A阀门2，用真空，模腔及熔炼腔16内抽真空，当腔内真空度达到10 15KPa时，停止抽真空，继续下一步操作；否则，检査各接口处的密封瞎况，对于自密封螺纹连接在管口缠绕麻绳增强 其密封性，按上面的连換顿序装配完毕后，继续下面的操作。关闭A阔门2和B阀门3，关闭C阀 门ll，打开D阀门12，通入Ar气，通过观察压力表IO，控制气体压力在0.2 0.9MPa;启动温度 控制系统，A电阻加热器5加热2 3小时，使坩埚温度温度保持在600 85(TC， B电阻加热器20 加热1 2小时，使预制体及成型模,控制在温度在400 70(TC，使得AZ91D镁合金全部熔化； 关闭D阀门12，同时打开A阀门2和B阀门3，用真空泵对模腔及熔炼腔抽真空，利用压力平衡 既能使熔融镁合金不被吸进模腔，又能抽出预制体中的空气，避免在随后的浸渗过程中夹約孑L缺 陷，当炉腔内真空度达到10 15KPa时，停止抽真空；关闭A阀门2和B阀门3，打开C阀门ll， 气体压力控制在0.7 0.9MPa，利用气压和真空形成的压差将^金吸入凹模桶19中，通过液位传 感器13测液面高度，当达到所需镁合金量的液面高度时，关闭C阀门ll，打开D阀门12，实现镁 合金的定量浇注；继续通入气压，使镁合金液在气压作用下向下渗流，浸入到预制体21中，空冷降 温，当凹模桶温度在400 50(TC时，关闭C阀门ll，取走铜垫块18及顶杆24，凸模17下行，将 镁基复合材茅报出成形模23， 一次成形出高性能镁基复合材料制件。实施例2。对硼酸铝晶须预制体进行涂层处理，采用用溶胶一凝胶法在硼酸铝晶须表面 制得氧化铝涂层，以达到对晶须表面改性的目的。步骤(l)将制备好的有氧化铝涂层的硼酸铝晶须预制体放置于凹模桶19中，将AZ91D 镁合金锭块放置于坩锅熔炼腔16中，连接装置及电路，将凹模桶19及坩锅6密封；(2) 关闭A阀门2和B阀门3，关闭C阀门ll，打开D阀门12，通入Ar气，气体压 力控制在0.2 0.9MPa;(3) 启动温度控制系统，A电阻加热器5加热2 5小时，使坩埚温度温度保持在600 85(TC， B电阻加热器20加热1 2小时，使预制体及成型模温度控制在温度在400 700°C， 使得AZ91D镁合金全部熔化；(4) 关闭D阀门12，同时打开A阀门2和B阀门3，用真空泵对模腔及坩锅腔抽真空， 当炉腔内真空度达到10 15KPa时，停止抽真空；(5) 关闭A阀门2和B阀门3，打开C阀门11，气体压力控制在0.7 0.9MPa，利用 气压和真空形成的压差将镁合金吸入凹模桶19中，通过液位传感器13测得的液面高度实现 镁合金的定量浇注；(6) 继续通入Ar气，使镁合金液在气压作用下向下渗流，渗入到碳纤维预制体21中，空 冷降温，当凹模桶温度降至400 50(TC时，关闭C阀门ll，取走铜垫块18及顶杆24，凸模17 下行，将镁基复合材料挤出成形模23， 一次成形出高性能碳纤维增强镁基复合材料制件。
权利要求
1、一种一体化镁基复合材料制备装置，包括熔炼装置和挤压装置，其特征在于所述的挤压装置，其凹模桶和成形模底部出口用顶杆密封，凹模桶上端口用垫块密封，形成一个密封模腔，所述熔炼装置的熔炼腔和挤压装置的模腔通过三通进液管连通，三通进液管的第三端通过D阀门与气压罐相连，挤压装置的模腔通过管道与真空泵连通，液位传感器插在熔炼腔内，与坩锅盖采用自密封螺纹连接。
2、 根据权利要求l所述的一体化镁基复合材料制备装置，其特征在于所述的凹模桶上 端口用垫块密封，是利用凸模加压方式进行。
3、 根据权利要求l所述的一体化镁基复合材料制备装置，其特征在于所述的凹模桶侧 壁有测温孔。
4、 根据权利要求l所述的一体化镁基复合材料制备装置，其特征在于所述的凹模桶模 腔与三通进液管采用自密封螺纹相连。
5、 根据权利要求l所述的一体化镁基复合材料制备装置，其特征在于所述的凹模桶与 连接真空泵的管道采用自密封螺纹连接。
6、 一种使用权利要求l所述装置制备镁基复合材料的方法，其特征在于包括下述步骤-(a) 将预制体放置于凹模桶中，将镁合金锭块放置于坩锅内，密封凹模桶及坩锅；(b) 关闭C阀门11和D阀门12,关闭B阀门3，打开A阀门2，用真空泵对模腔及熔炼腔16 内抽真空，当腔内真空度达到10 15KPa时，停止抽真空；(c) 关闭A阀门和B阀门，关闭C阀门，打开D阀门，通入Ar气，气体压力控制在0.2 0.9MPa;(d) 开启A电阻加热器加热2 5小时，使坩埚温度保持在600 850'C， B电阻加热器20 加热1 2小时，使预制体及成型模温度控制在温度在400 70(TC，熔化镁合金；(e) 关闭D阀门，同时打开A阀门和B阀门，用真空泵对模腔及坩锅腔抽真空，当炉腔内 真空度达到10 15KPa时，停止抽真空；(f) 关闭A阀门和B阀门，打开C阀门，气体压力控制在0.7 0.9MPa，将镁合金吸入凹 模桶中，进行浇注；(g) 继续通入Ar气，使镁合金液渗入到预制体中，空冷降温，当凹模桶温度降至400 50(TC时，关闭C阀门，取走垫块及顶杆，凸模下行，将镁基复合材料挤出成形模，成形出镁 基复合材料制件。
全文摘要
本发明公开了一种一体化镁基复合材料制备装置，包括熔炼装置和挤压装置，其特点是所述的挤压装置，其凹模桶和成形模底部出口用顶杆密封，凹模桶上端口用垫块密封，形成一个密封模腔，所述熔炼装置的熔炼腔和挤压装置的模腔通过三通进液管连通，三通进液管的第三端通过D阀门与气压罐相连，挤压装置的模腔通过管道与真空泵连通，液位传感器插在熔炼腔内，与坩埚盖采用自密封螺纹连接。本发明通过一体化镁基复合材料制备装置的设计，将制备镁基复合材料所需的镁合金熔炼、浇注、浸渗、挤压成形四种工艺，在一个完全密封的一体化装置内完成。
文档编号B22D23/04GK101219471SQ200810017359
公开日2008年7月16日 申请日期2008年1月22日 优先权日2008年1月22日
发明者周计明, 欧阳海波, 王振军, 苏力争, 齐乐华 申请人:西北工业大学