專利名稱：一種用于金屬基復(fù)合材料加工的偽塑性成形方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬基復(fù)合材料領(lǐng)域，涉及一種高體份顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料偽塑
性成形方法。
背景技術(shù)：
具有低膨脹、高導(dǎo)熱、高比模(比剛度)、高耐磨等特性的高體份陶瓷顆粒增強(qiáng)金 屬基復(fù)合材料(尤其是碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料)在航空、航天、電子、軍工等領(lǐng)域有 著廣闊的應(yīng)用前景。以高體份(55%)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料為例，它的比模量可達(dá) 到鋁合金的三倍，熱膨脹系數(shù)還不到鋁合金的40%，平均諧振頻率也比鋁合金高得多(至 少高出60% )，熱導(dǎo)率也更高。該材料已在我國的航空航天精密儀器及軍用電子元器件上 獲得小批量應(yīng)用，并取得顯著的應(yīng)用成效。 目前阻礙高體份顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料大規(guī)模應(yīng)用的最大障礙已不再是從前 的性能、制備技術(shù)或可靠性等材料本身的問題，而是產(chǎn)品的制造成本及制造效率的壁壘。大 量硬脆的陶瓷顆粒的加入使得高體份顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料成為典型的難加工特種材 料。對于傳統(tǒng)的金屬材料而言，產(chǎn)品制造無非是采用鑄造成形、熱壓成形，或者是車、銑、刨、 磨等機(jī)械加工的方法。對于高體份顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料而言，迄今為止還沒有一種可 行、有效的材料復(fù)合后熱成形的二次加工工藝方法。由于陶瓷顆粒含量過高(超過40%)， 高體份顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料即便在很高的溫度(甚至是100(TC)下也根本不具備鑄造 充型所需的流動性，即便是把壓力加工的溫度提高到固_液兩相區(qū)也無法進(jìn)行傳統(tǒng)的熱變 形塑性加工(不可避免地會出現(xiàn)裂紋)。目前主要采用機(jī)加方法成形零件。由于大量硬脆 陶瓷顆粒的加入導(dǎo)致該材料機(jī)加工難度極大，即便是采用金剛石刀具，由于刀具磨損嚴(yán)重、 效率低，周期長，加工的成本非常高。因此，如何另辟蹊徑、尋找一種低成本和高效率的二次 加工方法則成為能否實(shí)現(xiàn)高體份顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料推廣應(yīng)用乃至大規(guī)模應(yīng)用的關(guān) 鍵所在。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種效率高、周期短、加工成本低的用于金屬基復(fù)合材料加
工的偽塑性成形方法，以解決高體份顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料大規(guī)模應(yīng)用的難題。 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種用于金屬基復(fù)合材料加工的偽塑性成形方法，其
特征在于，該方法的操作步驟如下 1、選取復(fù)合材料坯料；復(fù)合材料坯料的基體合金為鋁合金、鎂合金或銅合金其中 之一，增強(qiáng)體為下列陶瓷顆粒其中之一或幾種顆粒的組合碳化硅、氧化鋁、碳化鈦、硼化鈦 或碳化硼，復(fù)合材料中陶瓷顆粒增強(qiáng)體的粒度范圍為1 P m 110 ii m，在復(fù)合材料中所占的 體積分?jǐn)?shù)為40% 65% ; 2、對復(fù)合材料坯料進(jìn)行預(yù)熱；將復(fù)合材料坯料加熱到比基體合金的完全熔化溫度 高出1Q0。C 300。C的溫度，保溫10min 300min ;
3、在上述溫度下對復(fù)合材料坯料粘流體進(jìn)行加壓變形；使用壓力機(jī)、鍛床或軋機(jī) 設(shè)備、以1X10—V—1 5X10—2s—1的應(yīng)變速率進(jìn)行加壓變形，獲得所需形狀的零件毛坯。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是加工效率高，周期短，成本低。本發(fā)明以遠(yuǎn)高于常規(guī)熱變形工藝 溫度、低應(yīng)力的高溫偽塑性成形方式來獲得高體份陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料零部件的 形狀，從而扭轉(zhuǎn)了高體份顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料長期以來因無法進(jìn)行鑄造成形也不能進(jìn) 行壓力加工而不得不依賴成本高、效率低的機(jī)械加工這一工程應(yīng)用中的被動局面。高溫偽 塑性成形小余量零件毛坯的獲得大大減少了產(chǎn)品后續(xù)機(jī)械加工的加工量、提高了產(chǎn)品的生 產(chǎn)效率、降低了制造成本，促進(jìn)了此類復(fù)合材料的推廣應(yīng)用。另外，由于高溫偽塑性成形的 成形應(yīng)力低且無常規(guī)塑性加工過程中的應(yīng)力峰存在，因此本發(fā)明的工藝方法對壓力設(shè)備的 噸位要求大大低于傳統(tǒng)塑性加工，且易于成形較復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零部件。
具體實(shí)施例方式
下面對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。 一種用于金屬基復(fù)合材料加工的偽塑性成形方 法，其特征在于，該方法的操作步驟如下 1 、選取復(fù)合材料坯料；復(fù)合材料坯料的基體合金為鋁合金、鎂合金或銅合金其中 之一，增強(qiáng)體為下列陶瓷顆粒其中之一或幾種顆粒的組合碳化硅、氧化鋁、碳化鈦、硼化鈦 或碳化硼，復(fù)合材料中陶瓷顆粒增強(qiáng)體的粒度范圍為1 P m 110 ii m，在復(fù)合材料中所占的 體積分?jǐn)?shù)為40% 65% ; 2、對復(fù)合材料坯料進(jìn)行預(yù)熱；將復(fù)合材料坯料加熱到比基體合金的完全熔化溫度 高出100°C 300。C的溫度，保溫10min 300min ; 3、在上述溫度下對復(fù)合材料坯料粘流體進(jìn)行加壓變形；使用壓力機(jī)、鍛床或軋機(jī) 設(shè)備、以1X10—V—1 5X10—2s—1的應(yīng)變速率進(jìn)行加壓變形，獲得所需形狀的零件毛坯。
本發(fā)明的工作原理是由于復(fù)合材料中大量陶瓷顆粒增強(qiáng)體的存在，使得高體份 顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料在比基體合金的完全熔化溫度高出10(TC 30(TC的溫度下仍不 具有液態(tài)金屬的流動性并能保持坯料的原來形狀，此時復(fù)合材料坯料呈現(xiàn)粘流體特征，剛 好適于壓力加工，而在特定的應(yīng)變速率下加壓變形的流動規(guī)律類似于金屬材料的塑性加 工，故而稱其為偽塑性成形。偽塑性成形過程中，由于復(fù)合材料的基體合金始終處于完全熔 化狀態(tài)下，因此在加壓變形時坯料中不會出現(xiàn)裂紋，而若對此類復(fù)合材料進(jìn)行常規(guī)塑性加 工，裂紋是不可避免的。 實(shí)施例1 :本實(shí)施例選取的高體份顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料是碳化硅(SiC)顆 粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，SiC顆粒的名義尺寸為63ym，顆粒在復(fù)合材料中所占體積分?jǐn)?shù)為 55% ，基體合金為Al-Si-Mg系鋁合金，該合金的完全熔化溫度為600°C 。根據(jù)需要切取適當(dāng) 尺寸的該復(fù)合材料坯料，將其加熱至85(TC (即比基體合金完全熔化溫度高出25(TC)并保 溫30min后，使用壓力機(jī)、以5X 10—4s—1的應(yīng)變速率進(jìn)行反向擠壓變形，從而獲得杯形復(fù)合材 料零件毛坯。 實(shí)施例2 :本實(shí)施例選取的高體份顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料是碳化硅(SiC)顆粒、 氧化鋁(A1203)顆?；祀s增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，復(fù)合材料中的SiC顆粒名義尺寸為75ym，氧 化鋁顆粒名義尺寸為17.3ym，這兩種顆粒按8 : 2的比例混合組成，兩種顆粒在復(fù)合材料 中所占體積分?jǐn)?shù)總計為65X，基體合金為A1-Si-Mg系鋁合金，該合金的完全熔化溫度為600°C。根據(jù)需要切取適當(dāng)尺寸的該復(fù)合材料坯料，將其加熱至90(TC (即比基體合金完全 熔化溫度高出300°C )并保溫120min后，使用壓力機(jī)、以1X10—、一1的應(yīng)變速率進(jìn)行壓縮變 形，從而獲得特定形狀的復(fù)合材料零件毛坯。 實(shí)施例3 :本實(shí)施例選取的高體份顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料是氧化鋁(A1203)顆 粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，A1203顆粒名義尺寸為12.8ym，顆粒在復(fù)合材料中所占體積分?jǐn)?shù)為 45% ，基體合金為LY12硬鋁，該合金的完全熔化溫度為638°C 。根據(jù)需要切取適當(dāng)尺寸的該 復(fù)合材料坯料，將其加熱至838t:(即比基體合金完全熔化溫度高出20(TC)并保溫300min 后，使用鍛床、以1X10—2s—1的應(yīng)變速率進(jìn)行鍛壓成形，從而獲得特定形狀的復(fù)合材料零件 毛坯。 實(shí)施例4 :本實(shí)施例選取的高體份顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料是碳化鈦(TiC)顆粒 增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，TiC顆粒名義尺寸為1 y m，顆粒在復(fù)合材料中所占體積分?jǐn)?shù)為40% ，基 體合金為LD2鍛鋁，該合金的完全熔化溫度為652°C 。根據(jù)需要切取適當(dāng)尺寸的該復(fù)合材料 坯料，將其加熱至752t:(即比基體合金完全熔化溫度高出IO(TC )并保溫10min后，使用 軋機(jī)、以5X10—3s—1的應(yīng)變速率進(jìn)行軋制成形，從而獲得板狀復(fù)合材料零件毛坯。
實(shí)施例5 :本實(shí)施例選取的高體份顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料是碳化硅(SiC)顆粒 增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，S iC顆粒的名義尺寸為llOym，顆粒在復(fù)合材料中所占體積分?jǐn)?shù)為 60X，基體合金為LC4超硬鋁，該合金的完全熔化溫度為638t:。根據(jù)需要切取適當(dāng)尺寸 的該復(fù)合材料坯料，將其加熱至938t:(即比基體合金完全熔化溫度高出300°C )并保溫 240min后，使用壓力機(jī)、以1X10—3s—1的應(yīng)變速率進(jìn)行擠壓變形，從而獲得棒狀復(fù)合材料零 件毛坯。 實(shí)施例6 :本實(shí)施例選取的高體份顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料是碳化硼(B4C)顆粒 增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料，B^顆粒的名義尺寸為29.2i!m，顆粒在復(fù)合材料中所占體積分?jǐn)?shù)為 50X，基體合金為MB2鎂合金，該合金的完全熔化溫度為632t:。根據(jù)需要切取適當(dāng)尺寸 的該復(fù)合材料坯料，將其加熱至782t:(即比基體合金完全熔化溫度高出150°C)并保溫 240min后，使用壓力機(jī)、以1X10—3s—1的應(yīng)變速率進(jìn)行壓縮變形，從而獲得特定形狀的復(fù)合 材料零件毛坯。 實(shí)施例7 :本實(shí)施例選取的高體份顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料是硼化鈦(TiB2)顆 粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，TiB2顆粒的名義尺寸為4. 5 i！ m，顆粒在復(fù)合材料中所占體積分?jǐn)?shù)為 45X，基體合金為T2紫銅，該合金的完全熔化溫度為1082°C。根據(jù)需要切取適當(dāng)尺寸的該 復(fù)合材料坯料，將其加熱至1282t:(即比基體合金完全熔化溫度高出20(TC)并保溫60min 后，使用壓力機(jī)、以5X10—2s—1的應(yīng)變速率進(jìn)行壓縮變形，從而獲得特定形狀的復(fù)合材料零 件毛坯。
權(quán)利要求
一種用于金屬基復(fù)合材料加工的偽塑性成形方法，其特征在于，該方法的操作步驟如下1.1、選取復(fù)合材料坯料；復(fù)合材料坯料的基體合金為鋁合金、鎂合金或銅合金其中之一，增強(qiáng)體為下列陶瓷顆粒其中之一或幾種顆粒的組合碳化硅、氧化鋁、碳化鈦、硼化鈦或碳化硼，復(fù)合材料中陶瓷顆粒增強(qiáng)體的粒度范圍為1μm～110μm，在復(fù)合材料中所占的體積分?jǐn)?shù)為40％～65％；1.2、對復(fù)合材料坯料進(jìn)行預(yù)熱；將復(fù)合材料坯料加熱到比基體合金的完全熔化溫度高出100℃～300℃的溫度，保溫10min～300min；1.3、在上述溫度下對復(fù)合材料坯料粘流體進(jìn)行加壓變形；使用壓力機(jī)、鍛床或軋機(jī)設(shè)備、以1×10-4s-1～5×10-2s-1的應(yīng)變速率進(jìn)行加壓變形，獲得所需形狀的零件毛坯。
全文摘要
本發(fā)明屬于金屬基復(fù)合材料領(lǐng)域，涉及一種高體份顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料偽塑性成形方法。本發(fā)明的操作步驟如下選取復(fù)合材料坯料；對復(fù)合材料坯料進(jìn)行預(yù)熱；在上述溫度下對復(fù)合材料坯料粘流體進(jìn)行加壓變形。本發(fā)明以遠(yuǎn)高于常規(guī)壓力加工工藝溫度的高溫偽塑性成形方式來獲得高體份金屬基復(fù)合材料零部件的形狀，回避了高體份陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料無法進(jìn)行鑄造成形也不能進(jìn)行常規(guī)塑性加工的技術(shù)難題，從而大大減少了產(chǎn)品后續(xù)機(jī)械加工的加工量、提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率、降低了成本。
文檔編號B21J5/00GK101722257SQ20091025073
公開日2010年6月9日 申請日期2009年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月10日
發(fā)明者任學(xué)平, 崔巖 申請人:中國航空工業(yè)集團(tuán)公司北京航空材料研究院