HK1117791B - 用於制备金属基体复合材料的改进方法及使用该方法的装置 - Google Patents

Description

用于制备金属基体复合材料的改进方法及使用该方法的装置

本发明涉及一种用于制备金属基体复合材料(Composite àMatrice Métallique，CMM)的方法。 

本发明还涉及一种用于实施该方法的装置。 

金属基体复合材料(CMM)可以是用例如碳化硅、碳化硼、氧化铝，或者任何其他陶瓷材料的颗粒进行加强的铝合金。 

金属基体复合材料主要用来制造航空领域的金属部件，例如直升飞机的旋翼部件。 

由金属基体复合材料(CMM)制成的部件是基于几十公斤重的坯料而模压成形的，该坯料是通过压制(compaction，成型)预先混合的粉末而获得的。 

在某些已知的方法中，主要步骤压制(或称“成型”)是通过单轴压制完成的，单轴压制导致在坯料里面形成片层(strate)，这不利于用这些坯料模压得到的金属部件的机械性能。 

实际上，每个坯料需要尽可能均匀地分配其构成成分，特别是加强颗粒，以便使基于这些坯料生产的部件具有所要求的机械性能。 

最后，对金属基体复合材料(CMM)制备方法的简化是必要的，以便限制这些金属基体复合材料的生产成本。 

本发明的方法可以弥补上述的缺陷，其基本特征是至少包括以下步骤： 

(a)将预先混合的粉末5冷等压成型(compaction isostatique，等静压成型，等压成形)，以及 

(b)热单轴压制(pressage uniaxial)从步骤(a)得到的压块(或压制物)12。 

这两个步骤可以用最低的成本制成具有改进的机械性能的金属基体复合材料。 

有利地，粉末在一个适当的混合器里面进行干式混合(mélangeràsec)，这个混合器处于加压气体(或压力气体，un gaz sous pression)中，该气体包含中性(或惰性)气体和氧气。 

干式混合粉末的优点是比湿式混合方法更加经济，中性(惰性)气体的存在使得可以避免在干式混合时产生爆炸的危险。 

混合器中的压力优选在15到25毫巴(mBar)之间，中性(惰性)气体是氮气，而氧气比例控制在5％到10％之间。 

对氧气比例的控制使得还能够减小(限制)爆炸的危险。 

更优选地，混合器中的压力是20毫巴而氧气比例是6％。 

粉末混合物5优选由用诸如碳化硅、碳化硼、氧化铝，或者其他陶瓷材料的颗粒加强的铝合金组成。 

更优选地，粉末混合物5包括按质量计94.7％的铝，按质量计4％的铜，按质量计1.3％的镁(的金属混合物)，以及按体积计15％的碳化硅。 

此外，在等压成型步骤(a)之前，粉末混合物5在振动台上面进行压实工序。 

同样，在等压成型步骤(a)之前，通过泵送排出在压实的粉末混合体5中所含的气体，以便得到固体压块(un compact)12。 

在成型(compaction，压制)步骤中，成型流体(fluide decompaction，压缩流体)15优选包含水和润滑添加剂。 

成型流体的压力优选在1500到4000巴之间，更优选是2000巴。 

也可以考虑对步骤(a)得到的压块在温度100到450℃之间、优选440℃进行脱气工序。 

优选地，单轴压制步骤(b)在400到600℃之间，优选450℃温度下，以及在1000到3000巴之间，优选1800巴的施加压力下进行。 

有利地，对步骤(b)得到的坯料进行热挤压。 

非常有利的是，铝基体复合材料通过碳化硅颗粒或者其他陶瓷颗粒例如碳化硼或氧化铝进行加强(renforcer)。 

本发明还涉及用上述方法得到的坯料22。 

此外，本发明还涉及一种用于实施上述方法中步骤(a)的装置，包括： 

-橡胶外壳(gaine en latex，由橡胶制成的外壳)1，粉末混合物5被倒入其中， 

-带孔的圆筒形容器2，橡胶外壳1设置在其内部，和 

-密封隔离部件(或密封隔离装置)7、10、11，将橡胶外壳1内的粉末混合物5密封隔离， 

其中，外壳1、带孔容器2和密封隔离部件7、10、11形成一个用于等压成型的装置14，该装置14能够放在等压压力机的压制液体15中，以经历等压成型步骤(a)。 

有利地，密封隔离部件7、10、11包括至少一个可弹性变形材料的塞子7，该塞子被用力紧配在外壳1内。 

非常有利地，密封隔离部件7、10、11包括外壳1的上端边缘10，该上端边缘向外壳1底部的方向折叠，形成一个环状边缘11，弹性挤靠在带孔容器2侧壁13的外表面13a上。 

优选地，外壳1和带孔的圆筒形容器2在等压成型步骤(a)之前以可拆卸的方式设置在一个圆柱形筒(conteneur)3中。 

这种情况下，外壳1上端边缘10向外壳1底部方向折叠，并弹性挤靠圆柱形筒3侧壁12的外表面12a。 

此外，本发明的装置可以带有装置7a，用来实现外壳1抽真空(tirage)，以便在等压成型步骤(a)之前排出粉末混合物5中所含的气体。 

本发明的目的、优点及特征，通过阅读后面的描述并参照附图，变得更加显而易见，这些附图示出了本发明装置的具体实施方式的非限制性实施例，附图中： 

-图1是本发明装置的透视分解图，该装置使得可以在等压成型步骤(a)之前排出残留的气体； 

-图2是组装后的图1装置沿图1的II-II线条的剖面图； 

-图3是与图2装置相同的视图，只是没有筒，并设置在等压压力机(la presse isostatique)中； 

-图4是排气阶段的装置的视图；而 

-图5是单轴压制装置的剖面图。 

下面介绍的非限制性实施例适合于制备由碳化硅颗粒加强的铝基体复合材料。 

预先混合的粉末混合物5，由按质量计94.7％的铝，按质量计4％的铜，按质量计1.3％的镁(的金属混合物)，以及按体积计15％的碳化硅组成，在球磨机里或者传统的粉末混合器里进行干式混合。 

为了避免在粉末混合的时候任何爆炸的危险，环境气体包含在15到25毫巴之间、优选20毫巴的压力下的中性(惰性)气体例如氮气，以及氧气，氧气比例在5到10％之间，优选为6％。 

参考图1和图2，橡胶外壳1安放在带孔容器2里面，使得在外壳1底部和带孔容器2底部之间留出一个自由的空间。 

橡胶外壳1和带孔容器2放在一个筒3里面，这个筒包括一个管道出口4，管道4a通过该管道出口通到容器3内，这个管道4a通过管子与真空泵相连。该管子没有在图上示出。 

在使用适当的部件(未示出)密封封闭装置之后，在管道出口处4进行真空抽气，以便使橡胶外壳1贴在带孔容器2的壁上，限定出一个最大的容积。 

在通过堵塞管道4a停止抽真空之后，将上述的粉末混合物5倒入外壳1中，同时借助一个振动台(未示出)将粉末混合物在这个外壳1里压实。 

为了在后面的工序中得到最佳的密封性，外壳1上端部分10被设置成超出筒3，并向外壳1底部方向折叠，以便形成一个环状边缘，弹性抵靠在筒3侧壁12的外表面12a。 

一个大致圆柱形的由腈类制成的塞子7，用力紧配在外壳1里，留出一个环形边缘11，如上所述，这个边缘是凸出的。 

腈类塞子7的布置和外壳1环形边缘11的布置使得可以获得一个完全密封的系统。 

腈类塞子7包括一个中心孔7a，以通过一个管子(未示出)与真空泵相连。 

进行真空抽气一直到粉末混合物5变成一个固体压块12，然后通过用塞子7b堵住管道7a停止抽真空。 

将一个滤器6，固定在塞子7的内表面9上面，与压实的粉末混合物5相接触，使得可以避免来自粉末混合物5的粉尘在抽气的时候进入真空系统。 

参考图3，由压块12、外壳1、带孔容器2和塞子7组成的形成等压成型装置14的整体被从筒3里取出来，由外壳1的弹性保证的密封使得在将装置14从筒3中取出的同时，环形边缘11贴在带孔容器2侧壁13的外表面13a上。 

将这个装置14浸在等压压力机16的成型液体15里面，成型液体包含水和润滑添加剂，并且通过施加一个在1500到4000巴之间、优选为2000巴的压力经历冷等压成型工序。 

在这个步骤中，压力上升的速度是每分钟20到50巴之间，而上述最大压力的保持时间为至少1分钟。 

用这种方法，对压块12施加的压力施加在其整个表面上，这样可以使压实很均匀，不会形成片层或者其他的材料间断。 

在等压成型工序以后得到的压块12具有约85％的密度。 

在这个工序之后，将外壳1从带孔容器2中取出来，外壳1的外表以及塞子7被仔细清洁，以避免任何与成型液体15和压块12的接触。 

随后，取出外壳1和塞子7，必要时，通过打磨或抛光压块12的上部来去除滤器残留物9。 

参考图4，压块12于是被安放在一个铝材料的管状筒17中，这个管状筒带有底壁18。 

筒17通过焊接相对的铝材料的上壁19而封闭，它带有一个孔20，在孔里面焊接一个管子21，该管子用于与真空泵相连。 

在检查铝材料筒17的密封性之后，进行大约30分钟的真空抽取，并继续进行泵送(抽气)，筒17被放置在一个约440℃的炉中大约12个小时，以便进行脱气工序。 

在这个工序完成之后，管子21被封闭在上壁19的大约10-20cm处。 

容纳有压块12的铝材料筒17接着快速被放入一个预先加热的设备(outillage)23里面，加热温度大于300℃，最好在400到600℃之间，优选是450℃，以便压块12在脱气步骤之后不会冷却。 

在整个热单轴压制操作期间，保持上述温度。 

设备23带有一个中央的圆柱形孔(alésage)24，直径约等于筒17的直径，使得在上述的孔24中可以插入筒17。 

由于后面解释的原因，筒17搁置在一个形成基体弹射器25的部件上，它牢固地或者可拆卸地固定在中央孔24的内表面26上。 

一个冲头27于是在箭头所示的垂直方向上对筒22施加压力，压力在1000到3000巴之间，优选为1800巴，一直到冲头27不再移动，使达到的压力保持约1分钟时间。 

垂直施加的压力可以使基体(matrice)在这个压力下相对保持居中。 

在单轴压制工序之后，拔出冲头27，由单轴压制工序之后在铝筒17里容纳的压块22构成的坯料22通过一个弹射器29通过按箭头20所示的方向施加压力而被弹出设备23，这个弹射器设置在冲头27的相对侧。 

通过活动的基体弹射器(éjecteur de matrice，凹模顶料杆)25在中央孔24里的滑动，可以将坯料22从设备的上部弹射而出。 

于是进行机械去皮工序，以便去掉坯料22周围的筒的铝层。 

在单轴压制工序之后，得到一个密度为100％的坯料22。 

这个坯料22是在约400℃的温度下热挤压而成的，以便使坯料具有更好的内聚性和最佳的机械性能。 

于是可以对坯料22进行加工，以便通过锻造、机械加工或任何其他已知的技术来制成金属部件。 

通过采用这种方法，碳化硅颗粒均匀地分布在所获得的坯料中，该坯料呈现改良的机械性能。 

用这种方法得到的金属基体复合材料的性能取决于铝基体的特性、加强颗粒的比例以及对产品所做的热处理。 

对于按体积计在15到40％之间变化的加强率，抗断裂强度通常高于500Mpa，杨氏模量在95到130Gpa之间。 

10⁷周期疲劳极限应力(contrainte limite)在250到350Mpa之间，这导致基于按照上述方法制成的金属基体复合材料制备的机械部件可以具有比传统材料多10倍的使用寿命。 

Claims (16)

1.用于制备金属基体复合材料的方法，包含至少一个混合步骤，在适当的混合器中将铝基合金粉末进行干式混合，这个混合器处于加压气体中，所述气体含有中性气体和氧气，所述方法还包括以下步骤：

(a)将预先混合的粉末(5)冷等压成型，以及

(a1)在100至450℃之间的温度下对通过步骤(a)获得的压块进行脱气12小时，

(a2)快速地将经过脱气的压块放入预先加热的设备里，加热温度大于300℃，以便所述经过脱气的压块在脱气步骤之后不会冷却，

(b)将步骤(a2)得到的压块(12)热单轴压制，在整个热单轴压制操作期间，保持温度大于300℃，以及

其中，在所述混合器中的压力在15到25毫巴之间，其中所述中性气体是氮气，氧气比例控制在5到10％之间。

2.根据权利要求1所述的方法，所述混合器中的压力在20毫巴，而氧气比例为6％。

3.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，在所述等压成型步骤(a)之前，在振动台上对所述预先混合的粉末(5)进行压实工序。

4.根据权利要求3所述的方法，在所述等压成型步骤(a)之前，包含在压实的所述预先混合的粉末(5)中的气体通过泵送排出，以便得到一个固体压块(12)。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述等压成型步骤(a)包括浸入包含水和润滑添加剂的成型流体(15)中。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述成型流体(15)的压力在1500到4000巴之间。 

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述成型流体(15)的压力是2000巴。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，使在所述步骤(a)获得的压块在440℃的温度下经历脱气工序。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述热单轴压制工序在400℃到600℃之间的温度下进行，而其中施加的压力在1000到3000巴之间。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述热单轴压制工序在450℃的温度及1800巴的压力下进行。

11.根据权利要求1所述的方法，其中，将步骤(b)得到的坯料热挤压。

12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述金属基体复合材料是铝基体复合材料，所述铝基体复合材料通过陶瓷颗粒进行加强。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述陶瓷颗粒是碳化硅、碳化硼或氧化铝颗粒。

14.根据权利要求1所述的方法，其中，所述粉末包括：

预先混合的粉末混合物，包含按质量计94.7％的铝，按质量计4％的铜，按质量计1.3％的镁，

以及按体积计15％的碳化硅。

15.根据上述权利要求1到14中任一项所述的方法获得的坯料。

16.基于权利要求15所述的坯料采用锻造或机械加工技术获得的金属部件。