本發(fā)明屬于金屬基復(fù)合材料加工成型技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種電磁成形裝置及利用該裝置制備纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的方法。

背景技術(shù)：

纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料除了具有高比強(qiáng)度、高比模量和低熱膨脹系數(shù)等特點(diǎn)外，還具有能耐更高溫度、防燃、橫向強(qiáng)度和剛度高、不吸潮、高導(dǎo)熱與導(dǎo)電率，抗輻射性能好、在使用時(shí)不放出氣體等優(yōu)點(diǎn)，顯示了樹(shù)脂基復(fù)合材料不可比擬的特點(diǎn)，得到了國(guó)內(nèi)外研究者的高度重視。

目前用于制備纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的金屬有鋁、銅、鈦、鎳等。使用增強(qiáng)用的纖維有硼纖維、碳化硅纖維、碳纖維及金屬絲纖維等，纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備方法主要有擠壓鑄造法、擴(kuò)散結(jié)合法、真空壓力浸滲法等。擠壓鑄造，將纖維的預(yù)成型體放入金屬模中，適當(dāng)加熱，加壓浸入熔化的基體金屬,在加高壓下令其凝固，從而得到形狀復(fù)雜的復(fù)合材料，此方法周期短，生產(chǎn)效率高。但此方法中若壓力過(guò)大，則易損傷纖維；壓力過(guò)小，則液態(tài)金屬不易完全浸滲到纖維中。并且如果溫度條件選擇不恰當(dāng)，熔化的基體金屬會(huì)與纖維產(chǎn)生嚴(yán)重界面反應(yīng)，損傷纖維。擴(kuò)散結(jié)合法采用金屬箔與經(jīng)表面處理后的纖維絲或已制備好的復(fù)合材料絲或單向纖維排布的層合板按一定的要求層疊相壓鋪設(shè)到一定的厚度來(lái)制備復(fù)合材料預(yù)制件，在惰性氣體保護(hù)下或高真空條件下，通過(guò)高溫、高壓使增強(qiáng)體纖維與基體合金結(jié)合成型，此方法制備復(fù)合材料設(shè)備成本高且工藝復(fù)雜，其實(shí)際應(yīng)用受到很多的限制。真空壓力浸滲法是將纖維預(yù)制件放入模具內(nèi)，將裝置真空密封，將預(yù)制件與金屬基體分別加熱到所需溫度并保溫后通過(guò)惰性氣體施加壓力，將液態(tài)金屬壓入碳纖維預(yù)制件中。此方法設(shè)備要求極高、制備的復(fù)合材料體積大小又受到真空設(shè)備大小的限制。

現(xiàn)有纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料成形方法存在界面反應(yīng)不易控制、纖維損傷或者制備成本高、設(shè)備和工藝復(fù)雜等缺點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足，提供一種電磁成形裝置和利用該裝置制備纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的方法，裝置簡(jiǎn)單，利用該裝置成形時(shí)間極短(達(dá)10^-5秒級(jí))，解決了熱壓法需要長(zhǎng)時(shí)間保壓、生產(chǎn)效率不高的問(wèn)題，另外由于金屬液和纖維材料接觸時(shí)間短，減輕了在壓鑄法中存在的界面反應(yīng)問(wèn)題，并且該方法僅需電磁成形設(shè)備和加熱爐，工藝和設(shè)備成本相較真空壓力浸滲法低。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供的技術(shù)方案是：

提供一種電磁成形裝置，用于制備纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，所述電磁成形裝置包括下壓板7、線圈充放電裝置、線圈固定裝置、坩堝10、坩堝定位裝置、凹模13及凹模緊固裝置；

所述線圈充放電裝置包括放電線圈9；

所述坩堝定位裝置包括用于承托坩堝10的坩堝固定板5，坩堝固定板5上設(shè)有內(nèi)孔，內(nèi)孔邊緣與坩堝10外側(cè)相適，坩堝定位裝置用于控制坩堝的安裝高度，使坩堝10底部與放電線圈9之間的間距為1-3mm；

所述凹模13為半圓柱形，開(kāi)口向下，其下沿與坩堝10上沿可扣合形成密閉空間；

所述凹模緊固裝置用于固定凹模13，并向凹模13施加壓力，使凹模13與坩堝10緊密扣合。

按上述方案，所述下壓板7上設(shè)有圓柱形凹槽；

所述線圈充放電裝置還包括與放電線圈9串聯(lián)的電容器18及與電容器18并聯(lián)的供電電源，其中供電電源與充電控制開(kāi)關(guān)19串聯(lián)，放電線圈9與放電控制開(kāi)關(guān)17串聯(lián)；

所述線圈固定裝置包括同心的帶圓柱形凹槽的線圈骨架8及線圈底座6，所述放電線圈9嵌入并固定在線圈骨架8的凹槽內(nèi)，線圈骨架8嵌入并固定在線圈底座6的凹槽內(nèi)，線圈底座6嵌入并固定在下壓板7的圓形凹槽內(nèi)。

按上述方案，所述坩堝定位裝置還包括固定在下壓板7上、沿放電線圈9中心軸線對(duì)稱安裝的兩根立柱21，坩堝固定板5通過(guò)螺接方式與立柱21上端相連，并用螺栓14調(diào)節(jié)坩堝固定板5安裝高度；

所述凹模緊固裝置包括上壓板3，以及固定在下壓板7上、沿放電線圈9中心軸線對(duì)稱安裝的兩根導(dǎo)柱4，上壓板3通過(guò)螺栓1和螺母2固定在導(dǎo)柱4上端，所述凹模13固定在上壓板3下方，導(dǎo)柱4與立柱21分別安裝在下壓板7四側(cè)。

按上述方案，所述凹模緊固裝置包括上壓板3及兩根連接柱22，所述凹模13固定在上壓板3下方，上壓板3和坩堝固定板5分別通過(guò)螺接方式安裝在連接柱22上；

所述凹模緊固裝置還包括與上壓板3固定的模柄16；

所述坩堝定位裝置還包括2個(gè)管狀的墊塊15，墊塊15內(nèi)徑大于連接柱22外徑，連接柱22底端嵌套在墊塊15內(nèi)。

本發(fā)明還提供利用上述裝置制備纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的方法，其步驟如下：

1)將固態(tài)金屬或合金放置在坩堝10內(nèi)，并將坩堝10置于高溫爐中，通入惰性氣體，加熱至固態(tài)金屬或合金熔化為金屬液后，將坩堝10置于坩堝固定板5上的內(nèi)孔中，用坩堝定位裝置調(diào)整坩堝10的安裝高度，并在坩堝10上沿放置覆蓋坩堝表面的片狀纖維材料，然后將凹模13下沿正對(duì)坩堝10上沿，用凹模13下沿和坩堝10上沿對(duì)片狀纖維材料進(jìn)行壓邊，并用凹模緊固裝置進(jìn)行固定；

2)用供電電源對(duì)電容器18進(jìn)行充電，當(dāng)電容器18的電壓達(dá)到成形電壓后，斷開(kāi)充電控制開(kāi)關(guān)19，閉合放電控制開(kāi)關(guān)17，電容器18對(duì)放電線圈9放電，金屬液在線圈放電產(chǎn)生的電磁力作用下高速向上運(yùn)動(dòng)，與片狀纖維材料高速撞擊并粘連，得到纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。

優(yōu)選的是，所述成形電壓為500-640V。

按上述方案，步驟1)所述固態(tài)金屬或合金為鋁、鎂、銅、鈦、鋁鎂合金、鋁硅合金、鋁銅合金中的一種；步驟1)所述片狀纖維材料為碳纖維或玻璃纖維。

其中一種利用上述裝置制備纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的方法步驟如下：

1)將固態(tài)金屬或合金放置在坩堝10內(nèi)，并將坩堝10置于高溫爐中，通入惰性氣體，加熱至固態(tài)金屬或合金熔化為金屬液后，將坩堝10置于坩堝固定板5上的內(nèi)孔中，用螺栓14調(diào)節(jié)坩堝固定板5安裝高度，然后在坩堝10上沿放置覆蓋坩堝表面的片狀纖維材料，隨后將凹模13下沿正對(duì)坩堝10上沿，用凹模13下沿和坩堝10上沿對(duì)片狀纖維材料進(jìn)行壓邊，并用螺栓1和螺母2將上壓板3固定在導(dǎo)柱4上端；

2)用供電電源對(duì)電容器18進(jìn)行充電，當(dāng)電容器18的電壓達(dá)到成形電壓后，斷開(kāi)充電控制開(kāi)關(guān)19，閉合放電控制開(kāi)關(guān)17，電容器18對(duì)放電線圈9放電，金屬液在線圈放電產(chǎn)生的電磁力作用下高速向上運(yùn)動(dòng)，與片狀纖維材料高速撞擊并粘連，得到纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。

另外一種利用上述裝置制備纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的方法步驟如下：

1)將固態(tài)金屬或合金放置在坩堝10內(nèi)，并將坩堝10置于高溫爐中，通入惰性氣體，加熱至固態(tài)金屬或合金熔化為金屬液后，將坩堝10置于坩堝固定板5上的內(nèi)孔中，將坩堝固定板5固定在連接柱22上，并在坩堝10上沿放置覆蓋坩堝表面的片狀纖維材料，然后將凹模13下沿正對(duì)坩堝10上沿，用凹模13下沿和坩堝10上沿對(duì)片狀纖維材料進(jìn)行壓邊，然后將上壓板3固定在兩根連接柱22頂端，隨后將連接柱22底端嵌套進(jìn)墊塊15內(nèi)，再用壓力機(jī)對(duì)與上壓板3固定的模柄16施加向下的壓力；

2)用供電電源對(duì)電容器18進(jìn)行充電，當(dāng)電容器18的電壓達(dá)到成形電壓后，斷開(kāi)充電控制開(kāi)關(guān)19，閉合放電控制開(kāi)關(guān)17，電容器18對(duì)放電線圈9放電，金屬液在線圈放電產(chǎn)生的電磁力作用下高速向上運(yùn)動(dòng)，與片狀纖維材料高速撞擊并粘連，得到纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。

本發(fā)明還提供根據(jù)上述方法制備得到的纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，所述纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料厚度為0.5-2mm。

本發(fā)明的有益效果在于：1、本發(fā)明采用放電線圈代替凸模成形，有效解決了傳統(tǒng)壓力成形方法中凸凹模精度配合問(wèn)題、凸凹模磨損問(wèn)題，并且由于不需傳力介質(zhì)，不存在機(jī)械接觸，加工過(guò)程不會(huì)污損金屬液；2、與現(xiàn)有碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料成形技術(shù)相比，本發(fā)明結(jié)合電磁脈沖成形高速率成形特點(diǎn)，金屬液在線圈放電產(chǎn)生的電磁力作用下高速向上運(yùn)動(dòng)，與片狀纖維材料高速撞擊并粘連，金屬液與纖維接觸時(shí)間極短，降低了金屬與纖維結(jié)合時(shí)產(chǎn)生的界面反應(yīng)，有效減緩了界面脆性相的生成，提高了復(fù)合材料的性能；3、本發(fā)明成形過(guò)程中產(chǎn)生瞬態(tài)高壓使金屬液更易浸潤(rùn)纖維材料，并且由于不存在靜壓，纖維不易受到壓力破壞；4、本發(fā)明采用電磁成形，成形時(shí)間極短，可以大大縮短成形的周期，使生產(chǎn)效率大大提高，更加適合大批量生產(chǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例1所述電磁成形裝置的整體示意圖；

圖2為實(shí)施例1所述電磁成形裝置的左視圖；

圖3為實(shí)施例2所述電磁成形裝置的整體示意圖；

圖4為實(shí)施例1所制備的碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的照片；

圖5為實(shí)施例2所制備的碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的照片；

圖6為實(shí)施例3所制備的碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的照片。

附圖標(biāo)記說(shuō)明：

1-螺栓：2-螺母；3-上壓板；4-導(dǎo)柱；5-坩堝固定板；6-線圈底座；7-下壓板；8-線圈骨架；9-放電線圈；10-坩堝；11-金屬液；12-編制碳纖維布；13-凹模；14-螺栓；15-墊塊；16-模柄；17-放電控制開(kāi)關(guān)；18-電容器；19-充電控制開(kāi)關(guān)；20-充電回路電機(jī)；21-立柱；22-連接柱。

具體實(shí)施方式

為使本領(lǐng)域技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

實(shí)施例1

如圖1、2所示，本實(shí)施方式的一種纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料電磁脈沖成形裝置。所述電磁成形裝置包括下壓板7、線圈充放電裝置、線圈固定裝置、坩堝10、坩堝定位裝置、凹模13及凹模緊固裝置。下壓板7上設(shè)有圓柱形凹槽。線圈充放電裝置包括放電線圈9、與放電線圈9串聯(lián)的電容器18及與電容器18并聯(lián)的供電電源，其中供電電源與充電控制開(kāi)關(guān)19串聯(lián)，放電線圈9與放電控制開(kāi)關(guān)17串聯(lián)。線圈固定裝置包括同心的帶圓柱形凹槽的線圈骨架8及線圈底座6，所述放電線圈9嵌入并固定在線圈骨架8的凹槽內(nèi)，線圈骨架8嵌入并固定在線圈底座6的凹槽內(nèi)，線圈底座6嵌入并固定在下壓板7的圓形凹槽內(nèi)。坩堝定位裝置包括用于承托坩堝10的坩堝固定板5，坩堝固定板5上設(shè)有內(nèi)孔，內(nèi)孔邊緣與坩堝10外側(cè)相適，坩堝定位裝置用于控制坩堝的安裝高度，使坩堝10底部與放電線圈9之間的間距為1mm。所述凹模13為半圓柱形，開(kāi)口向下，其下沿與坩堝10上沿可扣合形成密閉空間。所述凹模緊固裝置用于固定凹模13，并向凹模13施加壓力，使凹模13與坩堝10緊密扣合。

坩堝定位裝置還包括固定在下壓板7上、沿放電線圈9中心軸線對(duì)稱安裝的兩根立柱21，坩堝固定板5通過(guò)螺接方式與立柱21上端相連，并用螺栓14調(diào)節(jié)坩堝固定板5安裝高度。所述凹模緊固裝置包括上壓板3，以及固定在下壓板7上、沿放電線圈9中心軸線對(duì)稱安裝的兩根導(dǎo)柱4，上壓板3通過(guò)螺栓1和螺母2固定在導(dǎo)柱4上端，所述凹模13固定在上壓板3下方，導(dǎo)柱4與立柱21分別安裝在下壓板7四側(cè)。

本實(shí)施方式利用上述電磁脈沖成形裝置制備纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，具體為制備厚度2mm的碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，增強(qiáng)體采用雙向編織的碳纖維布，其型號(hào)為C-03P-180，單絲為T300，直徑約6-7μm，密度為1.78g·cm³，面重量密度為120g·m²，增強(qiáng)體的拉伸強(qiáng)度為3530MPa，彈性模量為230GPa。金屬基體采用鋁含量99.9％的鋁粉和鎂含量99.9％的鎂粉，配比為鎂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5％的鋁合金基體。所述方法包括如下步驟：

1)將固態(tài)金屬或合金放置在坩堝10內(nèi)，并將坩堝10置于高溫爐中，通入氮?dú)?，氮?dú)饬魉?L/min，加熱至740℃，合金熔化為金屬液后，將坩堝10置于坩堝固定板5上的內(nèi)孔中，用螺栓14調(diào)節(jié)坩堝固定板5安裝高度，并在坩堝10上沿放置片狀纖維材料，覆蓋坩堝表面，然后通過(guò)螺栓1和螺母2調(diào)節(jié)上壓板3的高度，使固定在上壓板3下方的凹模13下沿正對(duì)坩堝10上沿，并用凹模13下沿和坩堝10上沿對(duì)片狀纖維材料進(jìn)行壓邊；

2)用供電電源對(duì)電容器18進(jìn)行充電，本實(shí)例放電電容為12300μF、放電電壓為500V，放電能量為1.54kJ，當(dāng)電容器18的電壓達(dá)到500V后，斷開(kāi)充電控制開(kāi)關(guān)19，閉合放電控制開(kāi)關(guān)17，電容器18對(duì)放電線圈9放電，金屬液在線圈放電產(chǎn)生的電磁力作用下高速向上運(yùn)動(dòng)，與片狀纖維材料高速撞擊并粘連，得到纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。所得復(fù)合材料成形件照片如圖4所示，其厚度為2mm。

實(shí)施例2

如圖3所示，本實(shí)施方式的一種纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料電磁脈沖成形裝置。所述電磁成形裝置包括下壓板7、線圈充放電裝置、線圈固定裝置、坩堝10、坩堝定位裝置、凹模13及凹模緊固裝置。下壓板7上設(shè)有圓柱形凹槽。線圈充放電裝置包括放電線圈9、與放電線圈9串聯(lián)的電容器18及與電容器18并聯(lián)的供電電源，其中供電電源與充電控制開(kāi)關(guān)19串聯(lián)，放電線圈9與放電控制開(kāi)關(guān)17串聯(lián)。線圈固定裝置包括同心的帶圓柱形凹槽的線圈骨架8及線圈底座6，所述放電線圈9嵌入并固定在線圈骨架8的凹槽內(nèi)，線圈骨架8嵌入并固定在線圈底座6的凹槽內(nèi)，線圈底座6嵌入并固定在下壓板7的圓形凹槽內(nèi)。坩堝定位裝置包括用于承托坩堝10的坩堝固定板5，坩堝固定板5上設(shè)有內(nèi)孔，內(nèi)孔邊緣與坩堝10外側(cè)相適，坩堝定位裝置用于控制坩堝的安裝高度，使坩堝10底部與放電線圈9之間的間距為3mm。所述凹模13為半圓柱形，開(kāi)口向下，其下沿與坩堝10上沿可扣合形成密閉空間。所述凹模緊固裝置用于固定凹模13，并向凹模13施加壓力，使凹模13與坩堝10緊密扣合。

凹模緊固裝置包括上壓板3及兩根連接柱22，所述凹模13固定在上壓板3下方，上壓板3和坩堝固定板5分別通過(guò)螺接方式安裝在連接柱22上。所述凹模緊固裝置還包括與上壓板3固定的模柄16。所述坩堝定位裝置還包括2個(gè)管狀的墊塊15，墊塊15內(nèi)徑大于連接柱22外徑，連接柱22底端嵌套在墊塊15內(nèi)。

利用本實(shí)施例所述電磁脈沖成形裝置實(shí)現(xiàn)制備纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料電磁脈沖成形的方法，具體制備厚度0.5mm的碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，增強(qiáng)體采用雙向編織的碳纖維布，其型號(hào)為C-03P-180，單絲為T300，直徑約6-7μm，密度為1.78g·cm³，面重量密度為120g·m²，增強(qiáng)體的拉伸強(qiáng)度為3530MPa，彈性模量為230GPa。金屬基體采用鋁含量99.9％的鋁粉和鎂含量99.9％的鎂粉，配比為鎂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5％的鋁合金基體。所述方法包括如下步驟：

1)將固態(tài)金屬或合金放置在坩堝10內(nèi)，并將坩堝10置于高溫爐中，通入氮?dú)?，氮?dú)饬魉?L/min，加熱至740℃，合金熔化為金屬液后，將坩堝10置于坩堝固定板5上的內(nèi)孔中，并在坩堝10上沿放置片狀纖維材料，覆蓋坩堝表面，將坩堝固定板5固定在連接柱22上，然后將凹模13下沿正對(duì)坩堝10上沿，用凹模13下沿和坩堝10上沿對(duì)片狀纖維材料進(jìn)行壓邊，然后將上壓板3固定在兩根連接柱22頂端，隨后將連接柱22底端嵌套進(jìn)墊塊15內(nèi)，再用壓力機(jī)對(duì)模柄16施加向下的壓力；

2)用供電電源對(duì)電容器18進(jìn)行充電，本實(shí)例放電電容為12300μF、放電電壓為570V，放電能量為2.00kJ，當(dāng)電容器18的電壓達(dá)到570V后，斷開(kāi)充電控制開(kāi)關(guān)19，閉合放電控制開(kāi)關(guān)17，電容器18對(duì)放電線圈9放電，金屬液在線圈放電產(chǎn)生的電磁力作用下高速向上運(yùn)動(dòng)，與片狀纖維材料高速撞擊并粘連，得到纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。

本實(shí)施例所得復(fù)合材料成形件照片如圖5所示，其厚度為0.5mm。

實(shí)施例3

本實(shí)施例采用與實(shí)施例1相同的裝置制備纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，未公開(kāi)的技術(shù)特征與實(shí)施例1相同，不同之處在于步驟2)中放電電容為12300μF、放電電壓為640V，放電能量為2.52kJ。坩堝10底部與放電線圈9之間的間距為3mm。本實(shí)施例所得復(fù)合材料成形件照片如圖6所示，其厚度為0.5mm。