一种铝基复合材料多向双级约束变形装置及其使用方法制造方法及图纸

一种铝基复合材料多向双级约束变形装置及其使用方法。本发明专利技术具体涉及一种铝基复合材料多向双级约束变形装置及其使用方法本发明专利技术是要解决铝基复合材料传统挤压成型方法难以实现材料直径方向尺寸增加的问题。它由下压头、上压头和环状约束模具组成。方法：一、准备高度相同圆柱状坯料和圆柱环状包套材料，两者过盈配合，完成坯料准备；二、预热：将坯料、上、下压头、保温底板和环向约束模具预热至指定温度；三、依次将保温底板、下压头、坯料和上压头放置于压力机平台上；四、操控压力机，将坯料压缩变形；五、热处理。本发明专利技术经多向双级约束变形后能够有效改善复合材料综合性能，并且增加复合材料径向尺寸15～25％；本发明专利技术用于航空航天工业。

A Multi-directional Two-stage Constrained Deformation Device for Aluminum Matrix Composites and Its Application Method

【技术实现步骤摘要】
一种铝基复合材料多向双级约束变形装置及其使用方法
本专利技术具体涉及一种铝基复合材料多向双级约束变形装置及其使用方法。
技术介绍
铝基复合材料综合了铝合金基体和增强体两者的优点，具备了高比强度、高比刚度、优异的物理性能等，因此在航空航天、国防、汽车、运输以及运动器材等领域占据了重要的地位，尤其是航空航天领域，对轻量化提出了更高的要求，因此也进一步提高了对铝基复合材料的质量要求。挤压变形通常是目前铝基复合材料二次成型的主要方式，通过挤压工艺，是铝基复合材料发生强烈的塑性变形，提高复合材料致密度，最终得到性能优异的铝基复合材料。然而，挤压的过程中通常会降低材料直径方向上的尺寸，因此，在大尺寸铝基复合材料制备难度的基础上，挤压成型无疑会新一步降低成型后材料的直径尺寸，因此对一些大尺寸特殊的结构件需求，如导弹的舱体，大尺寸法兰盘等，传统挤压工艺已经难以满足要求。支鹏龙研究高体积分数SiC/Al复合材料三向约束变形工艺及组织性能研究中采用了三向约束装置对45％SiC/Al复合材料进行了约束变形，主要过程使利用压力机对复合材料施加上下压力，而侧向则利用钢模具进行约束，该方法可以实现复合材料约束变形行为。然而该方法并未考虑普遍性，主要表现有：一、此方法适合高体积分数，并未考虑到低体积分数复合材料特点，对于低体积分数无法照搬应用；二、装置中下压头、钢模具与压力机平台直接接触，该部分保温效果较差，易造成坯料局部温度分布不均；因此，对于航空航天等特殊构件轻量化的需求，专利技术一种新型的铝基复合材料成型工艺，针对低体积分数复合材料，且可实现材料直径尺寸增加的成型技术是十分有必要的。
技术实现思路
本专利技术是要解决铝基复合材料传统挤压成型方法难以实现材料直径方向尺寸增加的问题，而提供一种铝基复合材料多向双级约束变形装置及其使用方法。本专利技术一种铝基复合材料多向双级约束变形装置由下压头、上压头和环状约束模具组成；所述下压头和上压头相对设置，坯料设置在下压头和上压头之间，所述环状约束模具环套在下压头和上压头的外围，所述下压头、上压头和环状约束模具的中心轴线在同一直线上，且与压力机平台垂直。本专利技术一种铝基复合材料多向双级约束变形装置的使用方法是按以下步骤进行：一、多向双级约束坯料准备，将包套加工成环状圆柱，然后环套在圆柱状的待变形铝基复合材料上；待变形铝基复合材料与包套的高度相同，且待变形铝基复合材料与包套过盈配合，得到坯料；二、预热：分别对下压头、上压头、环状约束模具、坯料和保温板进行预热；三、装置组合，将保温板放置于压力机平台上，在保温板上依次放置下压头、坯料和上压头，保证三者中心轴线在同一条直线上；然后将环状约束模具环套在下压头、上压头和坯料的外侧；四、约束变形，操控压力机对下压头和上压头施加压力进行挤压成型，即完成约束变形过程；五、热处理：采用机械加工手段将约束变形后的复合材料从包套中取出，进行热处理，最终得到多向双级约束变形的铝基复合材料。本专利技术的有益效果是：本专利技术通过多向双级约束变形装置设计，显著改善复合材料机械、力学性能的同时实现铝基复合材料直径尺寸增加。本专利技术中采用包套与复合材料组合的方式，实现了包套的环向约束复合材料变形，有效的保证了变形质量，减少复合材料变形缺陷，保证环向第一级约束控制；利用多向双级约束变形工艺实现铝基复合材料直径尺寸增加15～25％，实现在目前成熟复合材料规格的基础上，进一步扩大了材料尺寸，增加了复合材料可应用领域；本专利技术约束变形过程中采用将约束模具置于坯料外侧，一方面能够防止缓慢约束变形过程中坯料温度的显著降低；另一方面在坯料变形接触模具时发挥进一步的约束作用，实现环向第二级约束控制，且变形量可控；本专利技术中多向双级约束变形工艺简单、便于操作、成本低廉。附图说明图1为铝基复合材料多向双级约束变形装置的结构示意图；图2为铝基复合材料多向双级约束变形装置的俯视结构示意图。具体实施方式本专利技术技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合，结合图1和图2说明以下具体实施方式。具体实施方式一：本实施方式一种铝基复合材料多向双级约束变形装置由下压头1、上压头2和环状约束模具3组成；所述下压头1和上压头2相对设置，坯料4设置在下压头1和上压头2之间，所述环状约束模具3环套在下压头1和上压头2的外围，所述下压头1、上压头2和环状约束模具3的中心轴线在同一直线上，且与压力机平台垂直。本实施方式中所述包套是保证复合材料形变强化效果的重要因素之一。采用传统的复合材料形变强化过程非常易导致复合材料产生裂纹，导致变形失败；而加入包套后，包套的变形速度显著低于复合材料本身，因此有效的约束铝合金径向方向上的变形，此外包套和复合材料之间的过盈配合更是可以有效的防止变形初期减低复合材料变形失败的几率。本实施方式中加入环向约束模具也是保证复合材料形变强化效果的重要因素之一。约束变形初期环形约束模具可以起到良好的保温作用，是坯料处于适宜变形温度区间；另一方面，当约束变形至后期时，坯料的直径扩大到一定的阶段时，包套的约束变形效果已经弱化，而此时环状约束模具恰好可以继续发挥约束作用，有效控制径向变形速度，实现二级约束控制。具体实施方式二：本实施方式铝基复合材料多向双级约束变形装置的使用方法是按以下步骤进行：一、多向双级约束坯料准备，将包套加工成环状圆柱，然后环套在圆柱状的待变形铝基复合材料上；待变形铝基复合材料与包套的高度相同，且待变形铝基复合材料与包套过盈配合，得到坯料4；二、预热：分别对下压头1、上压头2、环状约束模具3、坯料4和保温板进行预热；三、装置组合，将保温板放置于压力机平台上，在保温板上依次放置下压头1、坯料4和上压头2，保证三者中心轴线在同一条直线上；然后将环状约束模具3环套在下压头1、上压头2和坯料4的外侧；四、约束变形，操控压力机对下压头1和上压头2施加压力进行挤压成型，即完成约束变形过程；五、热处理：采用机械加工手段将约束变形后的复合材料从包套中取出，进行热处理，最终得到多向双级约束变形的铝基复合材料。本实施方式所述铝基复合材料由铝粉末和陶瓷颗粒粉末均匀混合后，通过粉末冶金法复合而成；所述铝粉末主要包括纯铝粉和铝合金粉末；所述陶瓷颗粒主要是碳化硅颗粒，碳化硼颗粒以及氮化铝颗粒等；所述铝粉末的粒径为5～15μm；所述陶瓷颗粒的粒径为1-20μm；所述铝基复合材料中陶瓷颗粒的体积含量为1～30％。具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是：步骤一中所述包套由铝合金加工而成，且该铝合金的种类与铝基复合材料基体的合金种类相同。其他与具体实施方式二相同。具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式二或三不同的是：步骤一中包套加工成环状圆柱，环状圆柱的厚度为20～50mm；所述过盈配合量为0.05～0.2mm。其他与具体实施方式二或三相同。具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式二至四之一不同的是：步骤二中对坯料4进行预热的预热温度为300～500℃，保温时间为2～5h，升温速率为1～6℃/min。其他与具体实施方式二至四之一相同。具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式二至五之一不同的是：步骤二中所述环状约束模具3为钢模具，所述环状约束模具3的内径尺寸比坯料4的外径大10～20％，环状约束模具3本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铝基复合材料多向双级约束变形装置，其特征在于铝基复合材料多向双级约束变形装置由下压头(1)、上压头(2)和环状约束模具(3)组成；所述下压头(1)和上压头(2)相对设置，坯料(4)设置在下压头(1)和上压头(2)之间，所述环状约束模具(3)环套在下压头(1)和上压头(2)的外围，所述下压头(1)、上压头(2)和环状约束模具(3)的中心轴线在同一直线上，且与压力机平台垂直。

【技术特征摘要】
1.一种铝基复合材料多向双级约束变形装置，其特征在于铝基复合材料多向双级约束变形装置由下压头(1)、上压头(2)和环状约束模具(3)组成；所述下压头(1)和上压头(2)相对设置，坯料(4)设置在下压头(1)和上压头(2)之间，所述环状约束模具(3)环套在下压头(1)和上压头(2)的外围，所述下压头(1)、上压头(2)和环状约束模具(3)的中心轴线在同一直线上，且与压力机平台垂直。2.如权利要求1所述的一种铝基复合材料多向双级约束变形装置的使用方法，其特征在于铝基复合材料多向双级约束变形装置的使用方法是按以下步骤进行：一、多向双级约束坯料准备，将包套加工成环状圆柱，然后环套在圆柱状的待变形铝基复合材料上；待变形铝基复合材料与包套的高度相同，且待变形铝基复合材料与包套过盈配合，得到坯料(4)；二、预热：分别对下压头(1)、上压头(2)、环状约束模具(3)、坯料(4)和保温板进行预热；三、装置组合，将保温板放置于压力机平台上，在保温板上依次放置下压头(1)、坯料(4)和上压头(2)，保证三者中心轴线在同一条直线上；然后将环状约束模具(3)环套在下压头(1)、上压头(2)和坯料(4)的外侧；四、约束变形，操控压力机对下压头(1)和上压头(2)施加压力进行挤压成型，即完成约束变形过程；五、热处理：采用机械加工手段将约束变形后的复合材料从包套中取出，进行热处理，最终得到多向双级约束变形的铝基复合材料。3.根据权利要求2所述的一种铝基复合材料多向双级约束变形装置的使用方法，其特征在于步骤一中所述包套由铝合金加工而成，且该铝合金的种类与铝基复合材料基体的合金种类相同。4.根据权利要求3所述的一种铝基复合材料多向双级约束变形装置的使用方法，其特征在于步骤一中包套加工成环状圆柱，环状圆柱的厚度...

【专利技术属性】
技术研发人员：池海涛，陈国钦，
申请(专利权)人：齐齐哈尔翔科新材料有限公司，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23