一种电磁成形装置及利用该装置制备纤维增强金属基复合材料的方法与流程

本发明属于金属基复合材料加工成型技术领域，具体涉及一种电磁成形装置及利用该装置制备纤维增强金属基复合材料的方法。

背景技术：

纤维增强金属基复合材料除了具有高比强度、高比模量和低热膨胀系数等特点外，还具有能耐更高温度、防燃、横向强度和刚度高、不吸潮、高导热与导电率，抗辐射性能好、在使用时不放出气体等优点，显示了树脂基复合材料不可比拟的特点，得到了国内外研究者的高度重视。

目前用于制备纤维增强金属基复合材料的金属有铝、铜、钛、镍等。使用增强用的纤维有硼纤维、碳化硅纤维、碳纤维及金属丝纤维等，纤维增强金属基复合材料的制备方法主要有挤压铸造法、扩散结合法、真空压力浸渗法等。挤压铸造，将纤维的预成型体放入金属模中，适当加热，加压浸入熔化的基体金属,在加高压下令其凝固，从而得到形状复杂的复合材料，此方法周期短，生产效率高。但此方法中若压力过大，则易损伤纤维；压力过小，则液态金属不易完全浸渗到纤维中。并且如果温度条件选择不恰当，熔化的基体金属会与纤维产生严重界面反应，损伤纤维。扩散结合法采用金属箔与经表面处理后的纤维丝或已制备好的复合材料丝或单向纤维排布的层合板按一定的要求层叠相压铺设到一定的厚度来制备复合材料预制件，在惰性气体保护下或高真空条件下，通过高温、高压使增强体纤维与基体合金结合成型，此方法制备复合材料设备成本高且工艺复杂，其实际应用受到很多的限制。真空压力浸渗法是将纤维预制件放入模具内，将装置真空密封，将预制件与金属基体分别加热到所需温度并保温后通过惰性气体施加压力，将液态金属压入碳纤维预制件中。此方法设备要求极高、制备的复合材料体积大小又受到真空设备大小的限制。

现有纤维增强金属基复合材料成形方法存在界面反应不易控制、纤维损伤或者制备成本高、设备和工艺复杂等缺点。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种电磁成形装置和利用该装置制备纤维增强金属基复合材料的方法，装置简单，利用该装置成形时间极短(达10^-5秒级)，解决了热压法需要长时间保压、生产效率不高的问题，另外由于金属液和纤维材料接触时间短，减轻了在压铸法中存在的界面反应问题，并且该方法仅需电磁成形设备和加热炉，工艺和设备成本相较真空压力浸渗法低。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：

提供一种电磁成形装置，用于制备纤维增强金属基复合材料，所述电磁成形装置包括下压板7、线圈充放电装置、线圈固定装置、坩埚10、坩埚定位装置、凹模13及凹模紧固装置；

所述线圈充放电装置包括放电线圈9；

所述坩埚定位装置包括用于承托坩埚10的坩埚固定板5，坩埚固定板5上设有内孔，内孔边缘与坩埚10外侧相适，坩埚定位装置用于控制坩埚的安装高度，使坩埚10底部与放电线圈9之间的间距为1-3mm；

所述凹模13为半圆柱形，开口向下，其下沿与坩埚10上沿可扣合形成密闭空间；

所述凹模紧固装置用于固定凹模13，并向凹模13施加压力，使凹模13与坩埚10紧密扣合。

按上述方案，所述下压板7上设有圆柱形凹槽；

所述线圈充放电装置还包括与放电线圈9串联的电容器18及与电容器18并联的供电电源，其中供电电源与充电控制开关19串联，放电线圈9与放电控制开关17串联；

所述线圈固定装置包括同心的带圆柱形凹槽的线圈骨架8及线圈底座6，所述放电线圈9嵌入并固定在线圈骨架8的凹槽内，线圈骨架8嵌入并固定在线圈底座6的凹槽内，线圈底座6嵌入并固定在下压板7的圆形凹槽内。

按上述方案，所述坩埚定位装置还包括固定在下压板7上、沿放电线圈9中心轴线对称安装的两根立柱21，坩埚固定板5通过螺接方式与立柱21上端相连，并用螺栓14调节坩埚固定板5安装高度；

所述凹模紧固装置包括上压板3，以及固定在下压板7上、沿放电线圈9中心轴线对称安装的两根导柱4，上压板3通过螺栓1和螺母2固定在导柱4上端，所述凹模13固定在上压板3下方，导柱4与立柱21分别安装在下压板7四侧。

按上述方案，所述凹模紧固装置包括上压板3及两根连接柱22，所述凹模13固定在上压板3下方，上压板3和坩埚固定板5分别通过螺接方式安装在连接柱22上；

所述凹模紧固装置还包括与上压板3固定的模柄16；

所述坩埚定位装置还包括2个管状的垫块15，垫块15内径大于连接柱22外径，连接柱22底端嵌套在垫块15内。

本发明还提供利用上述装置制备纤维增强金属基复合材料的方法，其步骤如下：

1)将固态金属或合金放置在坩埚10内，并将坩埚10置于高温炉中，通入惰性气体，加热至固态金属或合金熔化为金属液后，将坩埚10置于坩埚固定板5上的内孔中，用坩埚定位装置调整坩埚10的安装高度，并在坩埚10上沿放置覆盖坩埚表面的片状纤维材料，然后将凹模13下沿正对坩埚10上沿，用凹模13下沿和坩埚10上沿对片状纤维材料进行压边，并用凹模紧固装置进行固定；

2)用供电电源对电容器18进行充电，当电容器18的电压达到成形电压后，断开充电控制开关19，闭合放电控制开关17，电容器18对放电线圈9放电，金属液在线圈放电产生的电磁力作用下高速向上运动，与片状纤维材料高速撞击并粘连，得到纤维增强金属基复合材料。

优选的是，所述成形电压为500-640V。

按上述方案，步骤1)所述固态金属或合金为铝、镁、铜、钛、铝镁合金、铝硅合金、铝铜合金中的一种；步骤1)所述片状纤维材料为碳纤维或玻璃纤维。

其中一种利用上述装置制备纤维增强金属基复合材料的方法步骤如下：

1)将固态金属或合金放置在坩埚10内，并将坩埚10置于高温炉中，通入惰性气体，加热至固态金属或合金熔化为金属液后，将坩埚10置于坩埚固定板5上的内孔中，用螺栓14调节坩埚固定板5安装高度，然后在坩埚10上沿放置覆盖坩埚表面的片状纤维材料，随后将凹模13下沿正对坩埚10上沿，用凹模13下沿和坩埚10上沿对片状纤维材料进行压边，并用螺栓1和螺母2将上压板3固定在导柱4上端；

2)用供电电源对电容器18进行充电，当电容器18的电压达到成形电压后，断开充电控制开关19，闭合放电控制开关17，电容器18对放电线圈9放电，金属液在线圈放电产生的电磁力作用下高速向上运动，与片状纤维材料高速撞击并粘连，得到纤维增强金属基复合材料。

另外一种利用上述装置制备纤维增强金属基复合材料的方法步骤如下：

1)将固态金属或合金放置在坩埚10内，并将坩埚10置于高温炉中，通入惰性气体，加热至固态金属或合金熔化为金属液后，将坩埚10置于坩埚固定板5上的内孔中，将坩埚固定板5固定在连接柱22上，并在坩埚10上沿放置覆盖坩埚表面的片状纤维材料，然后将凹模13下沿正对坩埚10上沿，用凹模13下沿和坩埚10上沿对片状纤维材料进行压边，然后将上压板3固定在两根连接柱22顶端，随后将连接柱22底端嵌套进垫块15内，再用压力机对与上压板3固定的模柄16施加向下的压力；

2)用供电电源对电容器18进行充电，当电容器18的电压达到成形电压后，断开充电控制开关19，闭合放电控制开关17，电容器18对放电线圈9放电，金属液在线圈放电产生的电磁力作用下高速向上运动，与片状纤维材料高速撞击并粘连，得到纤维增强金属基复合材料。

本发明还提供根据上述方法制备得到的纤维增强金属基复合材料，所述纤维增强金属基复合材料厚度为0.5-2mm。

本发明的有益效果在于：1、本发明采用放电线圈代替凸模成形，有效解决了传统压力成形方法中凸凹模精度配合问题、凸凹模磨损问题，并且由于不需传力介质，不存在机械接触，加工过程不会污损金属液；2、与现有碳纤维增强金属基复合材料成形技术相比，本发明结合电磁脉冲成形高速率成形特点，金属液在线圈放电产生的电磁力作用下高速向上运动，与片状纤维材料高速撞击并粘连，金属液与纤维接触时间极短，降低了金属与纤维结合时产生的界面反应，有效减缓了界面脆性相的生成，提高了复合材料的性能；3、本发明成形过程中产生瞬态高压使金属液更易浸润纤维材料，并且由于不存在静压，纤维不易受到压力破坏；4、本发明采用电磁成形，成形时间极短，可以大大缩短成形的周期，使生产效率大大提高，更加适合大批量生产。

附图说明

图1为本发明实施例1所述电磁成形装置的整体示意图；

图2为实施例1所述电磁成形装置的左视图；

图3为实施例2所述电磁成形装置的整体示意图；

图4为实施例1所制备的碳纤维增强铝基复合材料的照片；

图5为实施例2所制备的碳纤维增强铝基复合材料的照片；

图6为实施例3所制备的碳纤维增强铝基复合材料的照片。

附图标记说明：

1-螺栓：2-螺母；3-上压板；4-导柱；5-坩埚固定板；6-线圈底座；7-下压板；8-线圈骨架；9-放电线圈；10-坩埚；11-金属液；12-编制碳纤维布；13-凹模；14-螺栓；15-垫块；16-模柄；17-放电控制开关；18-电容器；19-充电控制开关；20-充电回路电机；21-立柱；22-连接柱。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

实施例1

如图1、2所示，本实施方式的一种纤维增强金属基复合材料电磁脉冲成形装置。所述电磁成形装置包括下压板7、线圈充放电装置、线圈固定装置、坩埚10、坩埚定位装置、凹模13及凹模紧固装置。下压板7上设有圆柱形凹槽。线圈充放电装置包括放电线圈9、与放电线圈9串联的电容器18及与电容器18并联的供电电源，其中供电电源与充电控制开关19串联，放电线圈9与放电控制开关17串联。线圈固定装置包括同心的带圆柱形凹槽的线圈骨架8及线圈底座6，所述放电线圈9嵌入并固定在线圈骨架8的凹槽内，线圈骨架8嵌入并固定在线圈底座6的凹槽内，线圈底座6嵌入并固定在下压板7的圆形凹槽内。坩埚定位装置包括用于承托坩埚10的坩埚固定板5，坩埚固定板5上设有内孔，内孔边缘与坩埚10外侧相适，坩埚定位装置用于控制坩埚的安装高度，使坩埚10底部与放电线圈9之间的间距为1mm。所述凹模13为半圆柱形，开口向下，其下沿与坩埚10上沿可扣合形成密闭空间。所述凹模紧固装置用于固定凹模13，并向凹模13施加压力，使凹模13与坩埚10紧密扣合。

坩埚定位装置还包括固定在下压板7上、沿放电线圈9中心轴线对称安装的两根立柱21，坩埚固定板5通过螺接方式与立柱21上端相连，并用螺栓14调节坩埚固定板5安装高度。所述凹模紧固装置包括上压板3，以及固定在下压板7上、沿放电线圈9中心轴线对称安装的两根导柱4，上压板3通过螺栓1和螺母2固定在导柱4上端，所述凹模13固定在上压板3下方，导柱4与立柱21分别安装在下压板7四侧。

本实施方式利用上述电磁脉冲成形装置制备纤维增强金属基复合材料，具体为制备厚度2mm的碳纤维增强铝基复合材料，增强体采用双向编织的碳纤维布，其型号为C-03P-180，单丝为T300，直径约6-7μm，密度为1.78g·cm³，面重量密度为120g·m²，增强体的拉伸强度为3530MPa，弹性模量为230GPa。金属基体采用铝含量99.9％的铝粉和镁含量99.9％的镁粉，配比为镁质量分数为5％的铝合金基体。所述方法包括如下步骤：

1)将固态金属或合金放置在坩埚10内，并将坩埚10置于高温炉中，通入氮气，氮气流速5L/min，加热至740℃，合金熔化为金属液后，将坩埚10置于坩埚固定板5上的内孔中，用螺栓14调节坩埚固定板5安装高度，并在坩埚10上沿放置片状纤维材料，覆盖坩埚表面，然后通过螺栓1和螺母2调节上压板3的高度，使固定在上压板3下方的凹模13下沿正对坩埚10上沿，并用凹模13下沿和坩埚10上沿对片状纤维材料进行压边；

2)用供电电源对电容器18进行充电，本实例放电电容为12300μF、放电电压为500V，放电能量为1.54kJ，当电容器18的电压达到500V后，断开充电控制开关19，闭合放电控制开关17，电容器18对放电线圈9放电，金属液在线圈放电产生的电磁力作用下高速向上运动，与片状纤维材料高速撞击并粘连，得到纤维增强金属基复合材料。所得复合材料成形件照片如图4所示，其厚度为2mm。

实施例2

如图3所示，本实施方式的一种纤维增强金属基复合材料电磁脉冲成形装置。所述电磁成形装置包括下压板7、线圈充放电装置、线圈固定装置、坩埚10、坩埚定位装置、凹模13及凹模紧固装置。下压板7上设有圆柱形凹槽。线圈充放电装置包括放电线圈9、与放电线圈9串联的电容器18及与电容器18并联的供电电源，其中供电电源与充电控制开关19串联，放电线圈9与放电控制开关17串联。线圈固定装置包括同心的带圆柱形凹槽的线圈骨架8及线圈底座6，所述放电线圈9嵌入并固定在线圈骨架8的凹槽内，线圈骨架8嵌入并固定在线圈底座6的凹槽内，线圈底座6嵌入并固定在下压板7的圆形凹槽内。坩埚定位装置包括用于承托坩埚10的坩埚固定板5，坩埚固定板5上设有内孔，内孔边缘与坩埚10外侧相适，坩埚定位装置用于控制坩埚的安装高度，使坩埚10底部与放电线圈9之间的间距为3mm。所述凹模13为半圆柱形，开口向下，其下沿与坩埚10上沿可扣合形成密闭空间。所述凹模紧固装置用于固定凹模13，并向凹模13施加压力，使凹模13与坩埚10紧密扣合。

凹模紧固装置包括上压板3及两根连接柱22，所述凹模13固定在上压板3下方，上压板3和坩埚固定板5分别通过螺接方式安装在连接柱22上。所述凹模紧固装置还包括与上压板3固定的模柄16。所述坩埚定位装置还包括2个管状的垫块15，垫块15内径大于连接柱22外径，连接柱22底端嵌套在垫块15内。

利用本实施例所述电磁脉冲成形装置实现制备纤维增强金属基复合材料电磁脉冲成形的方法，具体制备厚度0.5mm的碳纤维增强铝基复合材料，增强体采用双向编织的碳纤维布，其型号为C-03P-180，单丝为T300，直径约6-7μm，密度为1.78g·cm³，面重量密度为120g·m²，增强体的拉伸强度为3530MPa，弹性模量为230GPa。金属基体采用铝含量99.9％的铝粉和镁含量99.9％的镁粉，配比为镁质量分数为5％的铝合金基体。所述方法包括如下步骤：

1)将固态金属或合金放置在坩埚10内，并将坩埚10置于高温炉中，通入氮气，氮气流速5L/min，加热至740℃，合金熔化为金属液后，将坩埚10置于坩埚固定板5上的内孔中，并在坩埚10上沿放置片状纤维材料，覆盖坩埚表面，将坩埚固定板5固定在连接柱22上，然后将凹模13下沿正对坩埚10上沿，用凹模13下沿和坩埚10上沿对片状纤维材料进行压边，然后将上压板3固定在两根连接柱22顶端，随后将连接柱22底端嵌套进垫块15内，再用压力机对模柄16施加向下的压力；

2)用供电电源对电容器18进行充电，本实例放电电容为12300μF、放电电压为570V，放电能量为2.00kJ，当电容器18的电压达到570V后，断开充电控制开关19，闭合放电控制开关17，电容器18对放电线圈9放电，金属液在线圈放电产生的电磁力作用下高速向上运动，与片状纤维材料高速撞击并粘连，得到纤维增强金属基复合材料。

本实施例所得复合材料成形件照片如图5所示，其厚度为0.5mm。

实施例3

本实施例采用与实施例1相同的装置制备纤维增强金属基复合材料，未公开的技术特征与实施例1相同，不同之处在于步骤2)中放电电容为12300μF、放电电压为640V，放电能量为2.52kJ。坩埚10底部与放电线圈9之间的间距为3mm。本实施例所得复合材料成形件照片如图6所示，其厚度为0.5mm。