高强度高模量铝基复合材料的成型方法

专利名称：高强度高模量铝基复合材料的成型方法
技术领域：
本发明涉及金属基复合材料成型方法，尤其涉及高强度高模量铝基复 合材料的成型方法，属于材料加工技术领域。
背景技术：
铝基复合材料具有重量轻，比强度、比刚度和剪切强度高，热膨胀系 数低，热稳定性、导热、导电、耐腐蚀性能良好等优点，逐渐成为航空、 航天等领域中的理想材料，应用前景广阔。
中国专利200710005629.5公开了一种复合材料成型方法，是先放置纤 维层在模具的模穴内，将一弹性模与一隔离膜覆盖在纤维层上，再将隔离 膜下方与模具的模穴之间抽真空，以形成负压，同时对弹性模施加一机械 压力，使纤维层定型；以消除成型的纤维层表面可能产生的气孔，增加产 品的优良率。此成型方法难以满足航空、航天、高新技术等行业高强度、 高模量铝基复合材料的成型要求。
中国专利93115401.4报道了热收縮纤维增强复合材料成型工艺，采用 层压方法，在一定温度和压力下将增强纤维织物层压复合于聚乙烯中，制 成热縮纤维增强复合材料。此方法工艺简单，但也不适合于高强度高模量 铝基复合材料的成型。

发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种高强度高模量铝 基复合材料的成型法，旨在有效降低铝基复合材料发生加工裂纹的几率， 改善铝基复合材料的微观组织，提高材料强度。本发明的目的通过以下技术方案来实现
高强度高模量铝基复合材料的成型方法，特点具体包括以下步骤一
① 加载阶段将铝基复合材料板材在45(rC 55(TC进行固溶处理，淬
火，将铝基复合材料板材置于模具上，铝基复合材料板材与模具结合部密
封，铝基复合材料板材与模具成型面腔体抽真空至1 X 10—7 MPa 1 X 10—12 MPa，再将铝基复合材料板材与模具置于高压釜中，高压釜产生150MPa 500MPa压力并作用于铝基复合材料板材表面；
② 时效阶段升温至20 300。C，时效处理5 50h;
③ 卸载阶段时效结束后，先将温度降至15 5(TC，然后卸载至常压， 构件因残余弹性变形回复而发生回弹，从而获得相应形状的零件。
进一步地，上述的高强度高模量铝基复合材料的成型方法，步骤①中 铝基复合材料板材固溶处理时间为15min 300min。
更进一步地，上述的高强度高模量铝基复合材料的成型方法，歩骤① 中铝基复合材料板材从固溶处理到淬火转移过程时间在ls 30s，淬火介 质为水，水温在15。C 5(TC。
再进一步地，上述的高强度高模量铝基复合材料的成型方法，步骤① 中铝基复合材料板材与模具结合部设有橡胶密封垫，并涂抹真空密封脂。
本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在
本发明时效成型法是将零件成型和人工时效处理相结合的新型钣金 成型工艺，能大大降低铝基复合材料发生加工裂纹的几率，改善铝基复合 材料的微观组织，提高材料强度，同时，时效成型过程中由于蠕变而导致 应力松弛以及后续回弹，构件残余应力水平较低，其耐疲劳及应力腐蚀能
力有所提高，长期服役性能好；是航空先进制造技术的发展重点，是长寿 命、高可靠制造技术重点发展的方向。具有成型效果好、成型质量稳定、 生产效率高、工装简单、人工影响因素小等优点，非常适合应用于高强度高模量铝基复合材料大平面尺寸、小曲率、型面结构复杂、准确度高的框 肋腹板和壁板类零件精密成型，应用前景看好。


下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明 图1:加载阶段的示意图； 图2:时效阶段的示意图； 图3:卸载阶段的示意图。
具体实施例方式
本发明提供高强度高模量铝基复合材料成型方法，是一种将零件成型 和人工时效处理相结合的新型钣金成型工艺。
时效成型法，对板材施予一定预变形，加温后使部分弹性应变转化为 塑性变形；即通过将弹性变形转化为永久的塑性变形达到成型的目的，成 型过程具体分为加载、时效、卸载三个阶段，如图1 3所示，主要包括 以下三个步骤
1) 加载阶段将铝基复合材料板材在450。C 55(TC进行固溶处理 15min 300min，淬火，从固溶处理到淬火转移过程时间在ls 30s，淬火 介质为水，水温在15。C 5(TC;将铝基复合材料板材置于依据零件形状尺 寸设计好的模具上，模具与实际所需零件留1 20%变形量，以补偿其铝 基复合材料卸载后的回弹量；模具与铝基复合材料板材结合部设有高温橡 胶密封垫，并涂抹高真空密封脂；将铝基复合材料板材与模具成型面腔体 抽真空至1 X 10; MPa 1 X IO"2 MPa，将铝基复合材料板材与模具置于高 压釜中，时效成型高压釜产生150MPa 500MPa压力并均匀作用于铝基复 合材料板材表面；高压釜装置加热温度范围为20 300°C。
2) 时效阶段开始升温，当温度升高至20 30(TC时效温度后，板材 发生弯曲等弹性变形并与模具成型面紧密结合，恒温保持设定时效5 50h;在这个过程中，弹性应力作用下的铝基复合材料板材将发生蠕变变 形，松弛一部分弹性应力并发生一定程度的永久变形。
3)卸载阶段时效结束后，先将温度降至15 50°C，然后卸载至常 压，构件因残余弹性变形回复而发生回弹，从而得到相应形状的零件。
该方法将人工时效与加工成型相结合，利用铝基复合材料在弹性应力 作用下在一定温度(人工时效温度)时发生蠕变变形，从而得到具有一定 形状的结构件，同时利用时效处理得到铝基复合材料所需的性能，利用高 温金属的应力松弛效应，将弹性变形转化为永久塑性变形从而达到成型的 目的。常规塑性成型如轧制、冲压成型时，施加于铝基复合材料的应力高 于其屈服应力，而时效成型时成型应力通常低于其屈服应力，因此相对于 常规塑性变形而言，时效成型大大降低了铝基复合材料发生加工裂纹的几 率。时效成型法改善了铝基复合材料的微观组织，提高材料强度，同时， 时效成型过程中由于蠕变而导致应力松弛以及后续回弹，构件残余应力水 平较低，其耐疲劳及应力腐蚀能力有所提高，长期服役性能更好。
结合本发明的内容提供以下实施实例，对本发明作进一步理解
实施例l:
铝基复合材料的成分质量百分比为Zn8.0wtX， Mg2.3wt%， Cu 2.3 wt%， Zr0.15wt%， Mn《0.05wt%， Cr《0.04wt%， TiB210wt%，余量 为Al。
工艺过程首先，将铝基复合材料板材进行460'C/2h固溶处理，淬火， 模具与实际所需零件额外设计5%变形量，以补偿铝基复合材料卸载后的 回弹量，模具与铝基复合材料板材结合部设高温橡胶密封垫，并涂抹高真 空密封脂，将铝基复合材料板材与模具成型面腔体抽真空至1 X 10—9 MPa， 将铝基复合材料板材与模具置于高压釜中，高压釜装置产生的200MPa压 力，压力均匀作用于铝基复合材料板材表面，高压釜装置加热至120°C， 恒温保持24h，最后将温度降至室温2(TC，然后卸载至常压，获得相应形状的零件。
实施例2:
铝基复合材料的成分质量百分比为Zn8.0wtX， Mg2.3wt%， Cu2.3 wt%， Zr0.15wt%， Mn《0.05wt%， Cr《0.04wt%， TiB210wt%，余量 为Al。
工艺过程首先，将铝基复合材料板材进行55(TC/15min固溶处理， 淬火，模具与实际所需零件额外设计T/^变形量，以补偿铝基复合材料 卸载后的回弹量，模具与铝基复合材料板材结合部设高温橡胶密封垫， 并涂抹高真空密封脂，将铝基复合材料板材与模具成型面腔体抽真空至 lX10—7MPa，将铝基复合材料板材与模具置于高压釜中，高压釜装置产 生的150MPa压力，压力均匀作用于铝基复合材料板材表面，高压釜装 置加热至30(TC，恒温保持5h，最后将温度降至室温5(TC，然后卸载至 常压，获得相应形状的零件。
实施例3:
铝基复合材料的成分质量百分比为Zn8.0 wt%， Mg2.3wt%， Cu 2.3 wt%， Zr0.15wt%， Mn《0.05wt%， Cr《0.04wt%， TiB210wt%，余量 为Al。
工艺过程首先，将铝基复合材料板材进行45(TC/5h固溶处理，淬 火，模具与实际所需零件额外设计20%变形量，以补偿铝基复合材料卸 载后的回弹量，模具与铝基复合材料板材结合部设高温橡胶密封垫，并 涂抹高真空密封脂，将铝基复合材料板材与模具成型面腔体抽真空至1 X10—12MPa，将铝基复合材料板材与模具置于高压釜中，高压釜装置产 生的500MPa压力，压力均匀作用于铝基复合材料板材表面，高压釜装 置加热至100'C，恒温保持50h，最后将温度降至室温15°C，然后卸载 至常压，获得相应形状的零件。
本发明时效成型法是将零件成型和人工时效处理相结合的新型钣金成型工艺，可大大降低铝基复合材料发生加工裂纹的几率，改善铝基复 合材料的微观组织，提高材料强度，同时，时效成型过程中由于蠕变而 导致应力松弛以及后续回弹，构件残余应力水平较低，其耐疲劳及应力 腐蚀能力有所提高，长期服役性能好；是航空先进制造技术的发展重点， 是长寿命、高可靠制造技术重点发展的方向。具有成型效果好、成型质 量稳定、生产效率高、工装简单、人工影响因素小等优点，非常适合应 用于高强度高模量铝基复合材料大平面尺寸、小曲率、型面结构复杂、 准确度高的框肋腹板和壁板类零件精密成型，经济效益和社会效应显著。
以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限 制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利 保护范围之内。
权利要求
1. 高强度高模量铝基复合材料的成型方法，其特征在于具体包括以下步骤——①加载阶段将铝基复合材料板材在450℃～550℃进行固溶处理，淬火，将铝基复合材料板材置于模具上，铝基复合材料板材与模具结合部密封，铝基复合材料板材与模具成型面腔体抽真空至1×10-7MPa～1×10-12MPa，再将铝基复合材料板材与模具置于高压釜中，高压釜产生150MPa～500MPa压力并作用于铝基复合材料板材表面；②时效阶段升温至20～300℃，时效处理5～50h；③卸载阶段时效结束后，先将温度降至15～50℃，然后卸载至常压，构件因残余弹性变形回复而发生回弹，从而获得相应形状的零件。
2. 根据权利要求1所述的高强度高模量铝基复合材料的成型方法， 其特征在于歩骤①中铝基复合材料板材固溶处理时间为15min 300min。
3. 根据权利要求1所述的高强度高模量铝基复合材料的成型方法， 其特征在于步骤①中铝基复合材料板材从固溶处理到淬火转移过程时间 在ls 30s，淬火介质为水，水温在15°C 50°C。
4. 根据权利要求1所述的高强度高模量铝基复合材料的成型方法，其特征在于步骤①中铝基复合材料板材与模具结合部设有橡胶密封垫，并涂抹真空密封脂。
全文摘要
本发明涉及高强度高模量铝基复合材料的成型方法，其工艺先将铝基复合材料板材在450℃～550℃进行固溶，淬火，将铝基复合材料板材置于模具上，铝基复合材料板材与模具结合部密封，铝基复合材料板材与模具成型面腔体抽真空至1×10^-7MPa～1×10^-12MPa，再将板材与模具置于高压釜中，产生150MPa～500MPa压力作用于铝基复合材料板材表面；继而升温至20～300℃，时效5～50h；时效后，将温度降至15～50℃，然后卸载至常压，构件因残余弹性变形回复而发生回弹，获得相应形状的零件。此方法能大大降低铝基复合材料发生加工裂纹的几率，改善微观组织，提高材料强度；适用于高强度高模量铝基复合材料大平面尺寸、型面结构复杂、准确度高的框肋腹板和壁板类零件精密成型。
文档编号C22F1/04GK101429635SQ20081024471
公开日2009年5月13日 申请日期2008年11月26日 优先权日2008年11月26日
发明者乐永康, 张建平, 毛建伟 申请人:苏州有色金属研究院有限公司