当前位置: 首页 > 专利查询>中北大学专利>正文

原位Al3Ti/Al复合材料一体化成形方法技术

技术编号:21908578 阅读:27 留言:0更新日期:2019-08-21 10:49
本发明专利技术涉及一种原位Al3Ti/Al复合材料一体化成形方法,包括:以纯Ti颗粒和2024铝合金为原始材料,将2024铝合金熔化,并加热到785℃;将纯Ti颗粒加入铝合金熔体中,并将超声工具头探入熔体内;启动超声振动系统,对熔体进行超声处理,制得Al3Ti/Al复合材料熔体;将制备的原位Al3Ti/Al复合材料熔体直接浇入成型模具中进行挤压铸造,在挤压铸造成形过程中利用超声振动在熔体中产生的空化效应和声流效应,控制原始Ti颗粒和Al熔体的反应行为,优化生成的Al3Ti的形貌和尺寸;使原位Al3Ti/Al复合材料熔体在挤压力和超声振动耦合作用下凝固并产生塑性变形,制得原位Al3Ti/Al复合材料成形构件。本发明专利技术将超声熔体处理技术和挤压铸造结合,实现了高性能铝基复合材料复杂构件成形成性一体化。

Integrated Forming Method of In-situ Al3Ti/Al Composites

【技术实现步骤摘要】
原位Al3Ti/Al复合材料一体化成形方法
本专利技术属于Al3Ti/Al复合材料原位成形
,尤其涉及一种原位Al3Ti/Al复合材料一体化成形方法。
技术介绍
铝基复合材料具有高比强度和比刚度,良好的耐磨损、耐疲劳及抗蠕变性能,并且具备导热导电性能好、热膨胀系数低和尺寸稳定性好等显著优点,在航空航天、交通运输、兵器装备等领域具有重要地位。铝基复合材料可通过外添加或原位反应自生的方式向铝基体中加入一定比例分数的陶瓷(颗粒、纤维、晶须等)或金属间化合物等增强相制备。原位铝基复合材料是通过添加相和铝基体之间的化学反应,生成一种或多种高硬度和高熔点的陶瓷或金属间化合物增强相,并使其均匀分布于铝基体中,从而达到强化基体的效果。原位复合材料的增强相在制备过程中通过化学反应原位生成,因此相对于传统的外加法具有显著优势:(ⅰ)增强相在金属基体内原位形成,便于实现复合材料结构及性能设计;(ⅱ)基体与增强相界面洁净,结合性能好;(ⅲ)增强相对基体组织有一定的细化作用;(ⅳ)增强相无需预处理,工艺流程简化,成本降低。近年来,Ti-Al系金属间化合物由于具有高比强度、耐高温、抗氧化等特点而受到广泛关注。其中,Al3Ti比强度最高且高温抗氧化性能好,而且其与α-Al晶格错配度<10%,相比于其它Ti-Al化合物更容易控制其在富Al区的反应行为,因此成为原位铝基复合材料的理想增强相。Al3Ti/Al复合材料的屈服强度、抗拉强度和高温耐磨损性能相对于基体合金均获得了显著提升,但塑性仍然较低,这也是颗粒增强金属基复合材料存在的共性问题。因此,对制备的金属基复合材料开展后续塑性加工较为困难,难以实现复合材料复杂构件精确塑性成形;而采用铸造方法虽可实现近净成形,但铸件性能较低,无法充分挖掘出金属基复合材料的性能潜力。挤压铸造技术结合了铸造成型和塑性成形的优势,利用金属处于液态或半固态时所具有的良好流动性,可在较小的压力下充填形状复杂的模具型腔,并且在随后的冷却过程中产生一定量的塑性变形,强制消除因凝固收缩形成的缩孔、疏松等铸造缺陷,从而保证制件具有较高力学性能的同时,实现复杂构件的近净成形。然而目前铝基复合材料挤压铸造技术的基础研究较为薄弱,在高性能承力构件制造领域的实际应用较少,其原因在于采用传统的挤压铸造技术虽可以实现复杂构件近净成形,但难以完全激发出铝基复合材料的性能潜力。因此,开发新型的高性能挤压铸造成形技术尤为迫切。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种原位Al3Ti/Al复合材料一体化成形方法,将超声熔体处理技术和挤压铸造结合,以实现高性能铝基复合材料复杂构件成形成性一体化。本专利技术提供了一种原位Al3Ti/Al复合材料一体化成形方法,包括如下步骤:步骤1,以纯Ti颗粒和2024铝合金为原始材料,将2024铝合金熔化,并加热到785℃;将铝箔包覆的纯Ti颗粒加入铝合金熔体中,并将超声工具头探入熔体内;启动超声振动系统,对熔体进行超声处理,制得质量分数8wt%的Al3Ti/Al复合材料熔体;步骤2,将制备的原位Al3Ti/Al复合材料熔体直接浇入成型模具中进行挤压铸造,在挤压铸造成形过程中利用超声振动在熔体中产生的空化效应和声流效应,控制原始Ti颗粒和Al熔体的反应行为,优化生成的Al3Ti的形貌和尺寸;步骤3,使原位Al3Ti/Al复合材料熔体在挤压力和超声振动耦合作用下凝固并产生塑性变形,制得原位Al3Ti/Al复合材料成形构件。进一步地,步骤1中所述超声振动系统的功率为2kW,频率为20kHz,所述超声处理的时间为15min。进一步地,所述步骤3之后还包括:采用透射电子显微镜、扫描电子显微镜、金相显微镜、X射线衍射分析系统、电子万能材料试验机对不同参数的挤压铸造成形件进行组织性能检测;分析不同工艺参数对构件微观组织和力学性能的影响机制,包括在液态挤压条件下超声空化效应和声流效应对Al3Ti形貌和分布的影响规律,以及对复合材料熔体凝固行为的影响机理;采用蔡司图像分析软件分析构件的微观组织形貌,从热力学和动力学角度获得微观组织、力学性能和成形工艺之间的关系,建立工艺条件-组织特征-力学性能的参数化模型。进一步地,所述步骤3之后还包括:采用ANSYS有限元模拟系统对不同形状尺寸的超声器和挤压头进行谐振分析,获的最优匹配的超声器和挤压头形状尺寸。进一步地,所述步骤3之后还包括:采用Pro/E三维造型软件建立超声器和挤压头接触几何模型;将模型导入ANSYS有限元模拟系统,通过数值模拟计算接触压力对超声波传递效率的影响。进一步地,所述步骤3之后还包括:分析不同接触力学条件对成形构件的微观组织的影响,并结合有限元分析结果,得到最佳的接触力学条件;结合数值模拟-试验结果,计算达到最佳接触力学条件所需的弹簧类型及数量;建立超声辅助挤压铸造成形装置的几何模型。进一步地,所述步骤3之后还包括:以T6热处理为基础,分别优化固溶和时效处理参数,并实现二者之间的最优化组合;通过正交试验,获得固溶处理级数、固溶处理温度和时间、时效处理级数、时效温度和时间对构件组织性能的影响规律;从载荷传递、细晶强化、位错强化等角度综合分析挤压铸造Al3Ti/Al复合材料的强化机制。借由上述方案,通过原位Al3Ti/Al复合材料一体化成形方法,将超声熔体处理技术和挤压铸造结合,实现了高性能铝基复合材料复杂构件成形成性一体化。上述说明仅是本专利技术技术方案的概述,为了能够更清楚了解本专利技术的技术手段,并可依照说明书的内容予以实施,以下以本专利技术的较佳实施例并配合附图详细说明如后。附图说明图1为本专利技术超声原位Al3Ti/Al复合材料熔体制备装置的结构示意图;图2为应用本专利技术原位Al3Ti/Al复合材料制备装置制备原位Al3Ti/Al复合材料成形前的示意图;图3为应用本专利技术原位Al3Ti/Al复合材料制备装置制备原位Al3Ti/Al复合材料成形后的示意图;图4为本专利技术超声器和挤压头接触示意图。图中标号:11-换能器;12-超声工具头;13-坩埚;14-感应加热线圈;15-铝合金溶体;16-纯Ti颗粒;21-上模;22-下模;23-复合材料溶体;24-挤压头;25-超声器;26-限位块;27-弹簧;28-液压缸;29-成形构件。具体实施方式下面结合附图和实施例,对本专利技术的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本专利技术,但不用来限制本专利技术的范围。本实施例提供了一种原位Al3Ti/Al复合材料一体化成形方法,包括如下步骤:步骤1,以纯Ti颗粒和2024铝合金为原始材料,将2024铝合金熔化,并加热到785℃;将铝箔包覆的纯Ti颗粒加入铝合金熔体中,并将超声工具头探入熔体内;启动超声振动系统,对熔体进行超声处理,制得质量分数8wt%的Al3Ti/Al复合材料熔体;步骤2,将制备的原位Al3Ti/Al复合材料熔体直接浇入成型模具中进行挤压铸造,在挤压铸造成形过程中利用超声振动在熔体中产生的空化效应和声流效应,控制原始Ti颗粒和Al熔体的反应行为,优化生成的Al3Ti的形貌和尺寸;步骤3,使原位Al3Ti/Al复合材料熔体在挤压力和超声振动耦合作用下凝固并产生塑性变形,制得原位Al3Ti/Al复合材料成形构件。在本实施例中,步骤1中所述超声振动系统的功率为2kW,频率本文档来自技高网
...

【技术保护点】
1.一种原位Al3Ti/Al复合材料一体化成形方法,其特征在于,包括如下步骤:步骤1,以纯Ti颗粒和2024铝合金为原始材料,将2024铝合金熔化,并加热到785℃;将铝箔包覆的纯Ti颗粒加入铝合金熔体中,并将超声工具头探入熔体内;启动超声振动系统,对熔体进行超声处理,制得质量分数8wt%的Al3Ti/Al复合材料熔体;步骤2,将制备的原位Al3Ti/Al复合材料熔体直接浇入成型模具中进行挤压铸造,在挤压铸造成形过程中利用超声振动在熔体中产生的空化效应和声流效应,控制原始Ti颗粒和Al熔体的反应行为,优化生成的Al3Ti的形貌和尺寸;步骤3,使原位Al3Ti/Al复合材料熔体在挤压力和超声振动耦合作用下凝固并产生塑性变形,制得原位Al3Ti/Al复合材料成形构件。

【技术特征摘要】
1.一种原位Al3Ti/Al复合材料一体化成形方法,其特征在于,包括如下步骤:步骤1,以纯Ti颗粒和2024铝合金为原始材料,将2024铝合金熔化,并加热到785℃;将铝箔包覆的纯Ti颗粒加入铝合金熔体中,并将超声工具头探入熔体内;启动超声振动系统,对熔体进行超声处理,制得质量分数8wt%的Al3Ti/Al复合材料熔体;步骤2,将制备的原位Al3Ti/Al复合材料熔体直接浇入成型模具中进行挤压铸造,在挤压铸造成形过程中利用超声振动在熔体中产生的空化效应和声流效应,控制原始Ti颗粒和Al熔体的反应行为,优化生成的Al3Ti的形貌和尺寸;步骤3,使原位Al3Ti/Al复合材料熔体在挤压力和超声振动耦合作用下凝固并产生塑性变形,制得原位Al3Ti/Al复合材料成形构件。2.根据权利要求1所述的原位Al3Ti/Al复合材料一体化成形方法,其特征在于,步骤1中所述超声振动系统的功率为2kW,频率为20kHz,所述超声处理的时间为15min。3.根据权利要求1所述的原位Al3Ti/Al复合材料一体化成形方法,其特征在于,所述步骤3之后还包括:采用透射电子显微镜、扫描电子显微镜、金相显微镜、X射线衍射分析系统、电子万能材料试验机对不同参数的挤压铸造成形件进行组织性能检测;分析不同工艺参数对构件微观组织和力学性能的影响机制,包括在液态挤压条件下超声空化效应和声流效应对Al3Ti形貌和分布的影响规律,以及对复合材料熔体凝固行为的影响机理;采用蔡司图像分析软件分析...

【专利技术属性】
技术研发人员:徐宏张新任霁萍张国伟石阳毛红奎
申请(专利权)人:中北大学
类型:发明
国别省市:山西,14

网友询问留言 已有0条评论
  • 还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。

1