一种提高铝基复合材料尺寸稳定性的频谱谐波处理方法
【专利摘要】本发明属于金属基复合材料领域，涉及到一种提高铝基复合材料尺寸稳定性的频谱谐波处理方法。其特征在于，该方法的操作步骤如下：应用傅里叶分析方法对铝基复合材料进行频谱分析，优选出效果最佳的五种谐波频率和两个备选谐波频率，施加合适的能量依次按照上述五种谐波频率进行适当时间的处理，若有共振频率则自动跳开去处理下一个频率，振动产生的多方向动应力与多维分布的残余应力叠加造成塑性变形，从而达到降低峰值残余应力和均化残余应力、提高尺寸稳定性的目的。该方法大幅度改善了传统热时效处理效率低、工期长、耗能大、成本高的缺点，而且占地面积小、设备轻便易携、不受工件体积大小限制。
【专利说明】一种提高铝基复合材料尺寸稳定性的频谱谐波处理方法
【技术领域】
[0001]本发明属于金属基复合材料领域，涉及一种提高铝基复合材料尺寸稳定性的频谱谐波处理方法。
技术背景
[0002]本发明涉及的铝基复合材料为高体份碳化硅颗粒/铝基(简写为SiCp/Al)复合材料，它具有较高的比刚度、比强度、弹性模量、耐磨性、低热膨胀系数和高热导率等优良的力学及物理性能，且制造成本低，其性能与传统的铝合金、钛合金和碳钢相比具有明显优势(比模量可达到铝合金的三倍，热膨胀系数不足铝合金的40%，密度是碳钢的38%，热导率是钛合金的近40倍)。该材料在航空航天、军事、汽车、电子、体育运动等领域具有广阔的应用前景，并且已在我国的航空航天精密仪器及军用电子元器件上获得小批量应用，并取得显著的应用成效。
[0003]由于高体份SiCp/Al复合材料常常被应用到精密仪器仪表中，精密仪器仪表对材料的残余应力和尺寸稳定性要求极为苛刻。目前高体份SiCp/Al复合材料主要的尺寸稳定化处理方法是热时效法，不同的热时效温度、时间都会都材料的尺寸稳定性造成影响，不当的处理方法还会降低材料的尺寸稳定性，而且普通的热时效处理方法还存在能耗高、排放高、成本高、效率低、工期长等弊端，因此寻找一种环境友好、成本低、效率高、工艺易于控制的新方法是高体份SiCp/Al复合材料在精密仪器仪表中推广应用乃至大规模应用的关键所在。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是:提供一种高体份SiCp/Al复合材料尺寸稳定化处理的环境友好、成本低、效率高的新方法。
[0005]本发明采取以下技术方案:
一种提高铝基复合材料尺寸稳定性的频谱谐波时效处理方法，其特征在于:第一步骤:选择合适的激振器，将激振器用弓形夹紧固在工件上或将试样用夹具固定在装有激振器的平台上；第二步骤:对铝基复合材料进行傅里叶分析，在转速6000rpm内寻找5个谐波频率和2个备选谐波频率并排序；第三步骤:选择合适的振动时间；第四步骤对铝基复合材料依次按照上面选取的谐波频率和振动时间进行振动时效处理。
[0006]在所述的第一步骤中选取激振力为3510KN的激振器。
[0007]在所述的第二步骤中激振器的转速在300(T6000rpm,稳频精度为:lrpm。
[0008]在所述的第三步骤中振动处理的时间选取2~30分钟，振动次数选取f 3次，在进行完每个频率的振动后自动搜索进入下一个频率进行振动。
[0009]所使用的铝基复合材料为高体份SiCp/Al复合材料，增强体SiC的含量为45%~70%，SiC颗粒分布均匀。
[0010]本发明的优点是:该处理方法与传统处理方法相比，具有生产效率高、成本低、对环境友好、能耗小、占地面积小、设备轻便易携、不受工件体积大小限制，残余应力下降明显，尺寸稳定性改善效果突出等优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1为未经过频谱谐波时效处理的高体份(55%) SiCp/Al复合材料温度和应变随时间变化曲线；
图2为经过频谱谐波时效处理的高体份(55%) SiCp/Al复合材料温度和应变随时间变化曲线；
图3为未经过和经过频谱谐波时效处理高体份(55%) SiCp/Al复合材料温度和应变随时间变化点线对比图；
图4为高体份(45%) SiCp/Al复合材料零件正面图；
图5为高体份(45%) SiCp/Al复合材料零件反面图；
图6为高体份(45%) SiCp/Al复合材料零件在频谱谐波时效处理前后残余应力变化点线对比图；
图7为高体份SiCp/Al复合材料U型试样平面图；
图8为高体份(65%) SiCp/Al复合材料未经过和经过频谱谐波时效处理冷热循环检测前后平面度柱形对比图；
图9为高体份(65%) SiCp/Al复合材料未经过和经过频谱谐波时效处理冷热循环检测前后平行度柱形对比图；
图10为高体份(65%)SiCp/Al复合材料未经过和经过频谱谐波时效处理冷热循环检测前后垂直度柱形对比图；
图11为高体份(70%)SiCp/Al复合材料未经过和经过频谱谐波时效处理冷热循环检测前后平面度柱形对比图；
图12为高体份(70%)SiCp/Al复合材料未经过和经过频谱谐波时效处理冷热循环检测前后平行度柱形对比图；
图13为高体份(70%)SiCp/Al复合材料未经过和经过频谱谐波时效处理冷热循环检测前后垂直度柱形对比图；
图14为高体份(65%)SiCp/Al复合材料未经过和经过一次、两次、三次频谱谐波时效处理冷热循环检测前后平面度柱形对比图；
图15为高体份(65%)SiCp/Al复合材料未经过和经过一次、两次、三次频谱谐波时效处理冷热循环检测前后平行度柱形对比图；
图16为高体份(65%)SiCp/Al复合材料未经过和经过一次、两次、三次频谱谐波时效处理冷热循环检测前后垂直度柱形 对比图。
【具体实施方式】
[0012]实施例1
本实施例选取材料为高体份SiCp/Al (55%)复合材料，增强体SiC颗粒均匀分布在Al基体中，试样为棒材，直径为5mm,长度为25mm。
[0013]具体实施方法:首先，对一批试样进行频谱谐波时效处理，具体处理步骤:第一步骤，选取激振力为65KN的激振器，将试样固定在装有该激振器的振动平台上。第二步骤，通过傅里叶分析找出五个最优激振频率和两个备选激振频率，振动转速分别是:4048rpm、4278rpm、4408rpm、4575rpm、4720rpm、4905rpm、5134rpm。第三步骤，振动时间依次是 18min、16min、16min、14min、14min、14min、12min,进行振动处理。用于对比的另一批试样不做处理；其次，对处理和未处理的试样进行尺寸稳定性检测，检测是在热膨胀仪DIL402C ( Δ L分辨率:0.125nm)仪器上进行，试样在该仪器上在线经过7次冷、热循环，循环温度范围是-1(T50°C，升、降温速率为4°C /min，具体数据详见图1、图2、图3 ;最后，对比图1、图2、图3中的数据。试样在经过以上在线检测后变形量、尺寸波动幅度较小的尺寸稳定性较高，结果表明:经过频谱谐波时效处理的试样尺寸稳定性提高显著。
[0014]实施例2
本实施例选取材料为高体份SiCp/Al (45%)复合材料，增强体SiC均匀分布在Al基体中，实验零件见图4、图5。
[0015]具体实施方法:首先，在零件图4面上均匀分布选取7个点，并测量它们的残余应力；其次，对零件进行谐波时效处理，具体处理步骤:第一步骤，选取激振力为35KN的激振器，将试样固定在装有该激振器的振动平台上。第二步骤，通过傅里叶分析找出五个最优激振频率和两个备选激振频率，振动转速分别是:3000rpm、3298rpm、3487rpm、3613rpm、3852rpm、3996rpm、4207rpm。第三步骤，振动时间依次是 22min、20min、20min、18min、18min、16min、16min，进行振动处理；再次，在同样的位置测量上面选取的7个点的残余应力。具体实验数据见表1 ;最后，依据表1中数据作图6，通过图6我们可以看出，经过频谱谐波时效处理之后，达到了降低零件峰值残余应力和均化残余应力的目的。由于频谱谐波时效处理不改变材料的组织，所以残余应力的降低和均化会改善材料的尺寸稳定性。
[0016]表1:零件—谱谐波时效处理前后残余应力g值对比
【权利要求】
1.一种提高铝基复合材料尺寸稳定性的频谱谐波时效处理方法，其特征在于:第一步骤:选择合适的激振器，将激振器用弓形夹紧固在工件上或将试样用夹具固定在装有激振器的平台上；第二步骤:对铝基复合材料进行傅里叶分析，在转速6000rpm以内寻找5个谐波频率和2个备选谐波频率并排序；第三步骤:选择合适的振动时间；第四步骤对铝基复合材料依次按照上面选取的谐波频率和振动时间进行振动时效处理。
2.根据权利要求1所述的铝基复合材料尺寸稳定化处理方法，其特征在于:第一步骤中选取激振力为35~80KN的激振器。
3.根据权利要求1所述的铝基复合材料尺寸稳定化处理方法，其特征在于:第二步骤中将激振器的转速控制在3000-6000rpm范围内，稳频精度为:lrpm。
4.根据权利要求1所述的铝基复合材料尺寸稳定化处理方法，其特征在于:第三步骤中振动处理的时间选取2~30分钟，振动次数选取1- 3次，在进行完每个频率的振动后自动搜索进入下一个频率进行振动。
5.根据权利要求1所述的铝基复合材料尺寸稳定化处理方法，其特征在于:所使用的铝基复合材料为高体份SiCp/Al复合材料，增强体SiC的含量为45%~70%，SiC颗粒分布均匀。
【文档编号】C22F1/04GK103602934SQ201310565105
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2013年11月14日 优先权日:2013年11月14日
【发明者】崔岩, 王理华, 刘书奎 申请人:北方工业大学