一种用于金属基复合材料加工的伪塑性成形方法技术

本发明专利技术属于金属基复合材料领域，涉及一种高体份颗粒增强金属基复合材料伪塑性成形方法。本发明专利技术的操作步骤如下：选取复合材料坯料；对复合材料坯料进行预热；在上述温度下对复合材料坯料粘流体进行加压变形。本发明专利技术以远高于常规压力加工工艺温度的高温伪塑性成形方式来获得高体份金属基复合材料零部件的形状，回避了高体份陶瓷颗粒增强金属基复合材料无法进行铸造成形也不能进行常规塑性加工的技术难题，从而大大减少了产品后续机械加工的加工量、提高了产品的生产效率、降低了成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于金属基复合材料领域，涉及一种高体份颗粒增强金属基复合材料伪塑性成形方法。
技术介绍
具有低膨胀、高导热、高比模(比刚度)、高耐磨等特性的高体份陶瓷颗粒增强金 属基复合材料(尤其是碳化硅颗粒增强铝基复合材料)在航空、航天、电子、军工等领域有 着广阔的应用前景。以高体份(55%)碳化硅颗粒增强铝基复合材料为例，它的比模量可达 到铝合金的三倍，热膨胀系数还不到铝合金的40%，平均谐振频率也比铝合金高得多(至 少高出60% )，热导率也更高。该材料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。 目前阻碍高体份颗粒增强金属基复合材料大规模应用的最大障碍已不再是从前 的性能、制备技术或可靠性等材料本身的问题，而是产品的制造成本及制造效率的壁垒。大 量硬脆的陶瓷颗粒的加入使得高体份颗粒增强金属基复合材料成为典型的难加工特种材 料。对于传统的金属材料而言，产品制造无非是采用铸造成形、热压成形，或者是车、铣、刨、 磨等机械加工的方法。对于高体份颗粒增强金属基复合材料而言，迄今为止还没有一种可 行、有效的材料复合后热成形的二次加工工艺方法。由于陶瓷颗粒含量过高(超过40%)， 高体份颗粒增强金属基复合材料即便在很高的温度(甚至是100(TC)下也根本不具备铸造 充型所需的流动性，即便是把压力加工的温度提高到固_液两相区也无法进行传统的热变 形塑性加工(不可避免地会出现裂纹)。目前主要采用机加方法成形零件。由于大量硬脆 陶瓷颗粒的加入导致该材料机加工难度极大，即便是采用金刚石刀具，由于刀具磨损严重、 效率低，周期长，加工的成本非常高。因此，如何另辟蹊径、寻找一种低成本和高效率的二次 加工方法则成为能否实现高体份颗粒增强金属基复合材料推广应用乃至大规模应用的关 键所在。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种效率高、周期短、加工成本低的用于金属基复合材料加工的伪塑性成形方法，以解决高体份颗粒增强金属基复合材料大规模应用的难题。 本专利技术的技术解决方案是，其特征在于，该方法的操作步骤如下 1、选取复合材料坯料；复合材料坯料的基体合金为铝合金、镁合金或铜合金其中 之一，增强体为下列陶瓷颗粒其中之一或几种颗粒的组合碳化硅、氧化铝、碳化钛、硼化钛 或碳化硼，复合材料中陶瓷颗粒增强体的粒度范围为1 P m 110 ii m，在复合材料中所占的 体积分数为40% 65% ; 2、对复合材料坯料进行预热；将复合材料坯料加热到比基体合金的完全熔化温度 高出1Q0。C 300。C的温度，保温10min 300min ; 3、在上述温度下对复合材料坯料粘流体进行加压变形；使用压力机、锻床或轧机 设备、以1X10—V—1 5X10—2s—1的应变速率进行加压变形，获得所需形状的零件毛坯。 本专利技术的优点是加工效率高，周期短，成本低。本专利技术以远高于常规热变形工艺 温度、低应力的高温伪塑性成形方式来获得高体份陶瓷颗粒增强金属基复合材料零部件的 形状，从而扭转了高体份颗粒增强金属基复合材料长期以来因无法进行铸造成形也不能进 行压力加工而不得不依赖成本高、效率低的机械加工这一工程应用中的被动局面。高温伪 塑性成形小余量零件毛坯的获得大大减少了产品后续机械加工的加工量、提高了产品的生 产效率、降低了制造成本，促进了此类复合材料的推广应用。另外，由于高温伪塑性成形的 成形应力低且无常规塑性加工过程中的应力峰存在，因此本专利技术的工艺方法对压力设备的 吨位要求大大低于传统塑性加工，且易于成形较复杂结构的零部件。具体实施例方式下面对本专利技术做进一步详细说明。 一种用于金属基复合材料加工的伪塑性成形方 法，其特征在于，该方法的操作步骤如下 1 、选取复合材料坯料；复合材料坯料的基体合金为铝合金、镁合金或铜合金其中 之一，增强体为下列陶瓷颗粒其中之一或几种颗粒的组合碳化硅、氧化铝、碳化钛、硼化钛 或碳化硼，复合材料中陶瓷颗粒增强体的粒度范围为1 P m 110 ii m，在复合材料中所占的 体积分数为40% 65% ; 2、对复合材料坯料进行预热；将复合材料坯料加热到比基体合金的完全熔化温度 高出100°C 300。C的温度，保温10min 300min ; 3、在上述温度下对复合材料坯料粘流体进行加压变形；使用压力机、锻床或轧机 设备、以1X10—V—1 5X10—2s—1的应变速率进行加压变形，获得所需形状的零件毛坯。 本专利技术的工作原理是由于复合材料中大量陶瓷颗粒增强体的存在，使得高体份 颗粒增强金属基复合材料在比基体合金的完全熔化温度高出10(TC 30(TC的温度下仍不 具有液态金属的流动性并能保持坯料的原来形状，此时复合材料坯料呈现粘流体特征，刚 好适于压力加工，而在特定的应变速率下加压变形的流动规律类似于金属材料的塑性加 工，故而称其为伪塑性成形。伪塑性成形过程中，由于复合材料的基体合金始终处于完全熔 化状态下，因此在加压变形时坯料中不会出现裂纹，而若对此类复合材料进行常规塑性加 工，裂纹是不可避免的。 实施例1 :本实施例选取的高体份颗粒增强金属基复合材料是碳化硅(SiC)颗 粒增强铝基复合材料，SiC颗粒的名义尺寸为63ym，颗粒在复合材料中所占体积分数为 55% ，基体合金为Al-Si-Mg系铝合金，该合金的完全熔化温度为600°C 。根据需要切取适当 尺寸的该复合材料坯料，将其加热至85(TC (即比基体合金完全熔化温度高出25(TC)并保 温30min后，使用压力机、以5X 10—4s—1的应变速率进行反向挤压变形，从而获得杯形复合材 料零件毛坯。 实施例2 :本实施例选取的高体份颗粒增强金属基复合材料是碳化硅(SiC)颗粒、 氧化铝(A1203)颗粒混杂增强铝基复合材料，复合材料中的SiC颗粒名义尺寸为75ym，氧 化铝颗粒名义尺寸为17.3ym，这两种颗粒按8 : 2的比例混合组成，两种颗粒在复合材料 中所占体积分数总计为65X，基体合金为A1-Si-Mg系铝合金，该合金的完全熔化温度为600°C。根据需要切取适当尺寸的该复合材料坯料，将其加热至90(TC (即比基体合金完全 熔化温度高出300°C )并保温120min后，使用压力机、以1X10—、一1的应变速率进行压縮变 形，从而获得特定形状的复合材料零件毛坯。 实施例3 :本实施例选取的高体份颗粒增强金属基复合材料是氧化铝(A1203)颗 粒增强铝基复合材料，A1203颗粒名义尺寸为12.8ym，颗粒在复合材料中所占体积分数为 45% ，基体合金为LY12硬铝，该合金的完全熔化温度为638°C 。根据需要切取适当尺寸的该 复合材料坯料，将其加热至838t:(即比基体合金完全熔化温度高出20(TC)并保温300min 后，使用锻床、以1X10—2s—1的应变速率进行锻压成形，从而获得特定形状的复合材料零件 毛坯。 实施例4 :本实施例选取的高体份颗粒增强金属基复合材料是碳化钛(TiC)颗粒 增强铝基复合材料，TiC颗粒名义尺寸为1 y m，颗粒在复合材料中所占体积分数为40% ，基 体合金为LD2锻铝，该合金的完全熔化温度为652°C 。根据需要切取适当尺寸的该复合材料 坯料，将其加热至752t:(即比基体合金完全熔化温度高出IO(本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于金属基复合材料加工的伪塑性成形方法，其特征在于，该方法的操作步骤如下：１．１、选取复合材料坯料；复合材料坯料的基体合金为铝合金、镁合金或铜合金其中之一，增强体为下列陶瓷颗粒其中之一或几种颗粒的组合：碳化硅、氧化铝、碳化钛、硼化钛或碳化硼，复合材料中陶瓷颗粒增强体的粒度范围为１μｍ～１１０μｍ，在复合材料中所占的体积分数为４０％～６５％；１．２、对复合材料坯料进行预热；将复合材料坯料加热到比基体合金的完全熔化温度高出１００℃～３００℃的温度，保温１０ｍｉｎ～３００ｍｉｎ；１．３、在上述温度下对复合材料坯料粘流体进行加压变形；使用压力机、锻床或轧机设备、以１×１０↑［－４］ｓ↑［－１］～５×１０↑［－２］ｓ↑［－１］的应变速率进行加压变形，获得所需形状的零件毛坯。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：崔岩，任学平，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司北京航空材料研究院，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]