阅读说明：本技术 基于三向约束变形的高体积分数SiC纳米线增强铝基复合材料致密化装置及方法 (High-volume-fraction SiC nanowire reinforced aluminum matrix composite densification device and method based on three-dimensional constrained deformation ) 是由 周畅 武高辉 肖云臻 杨文澍 周勇孝 吴翌铭 于 2019-11-27 设计创作，主要内容包括：基于三向约束变形的高体积分数SiC纳米线增强铝基复合材料致密化装置及方法,涉及一种SiC纳米线/Al复合材料致密化装置及方法。目的是解决高SiC<Sub>nw</Sub>含量的SiC纳米线增强铝基复合材料热挤压后易开裂和高温挤压后存在不良反应的问题。装置由模具、模具底板、上压头、下压头和约束体构成。约束体具有圆柱形空腔。方法：组装装置并将铝基复合材料置于圆柱形空腔内,预热后施加压力。本发明方法及模具进行致密化处理时复合材料处于三向压应力下,致密化的同时避免铝基复合材料的开裂。铝基复合材料强度、致密度和延伸率提高。本发明适用于铝基复合材料的致密化。(A device and a method for densifying a high-volume-fraction SiC nanowire reinforced aluminum matrix composite based on three-dimensional constrained deformation relate to a device and a method for densifying a SiC nanowire/Al composite. Aims to solve the problem of high SiC nw The SiC nanowire reinforced aluminum matrix composite material with the content is easy to crack after hot extrusion and has adverse reaction after high-temperature extrusion. The device consists of a die, a die bottom plate, an upper pressure head, a lower pressure head and a restraint body. The constraining body has a cylindrical cavity. The method comprises the following steps: assembling the device, placing the aluminum matrix composite material in the cylindrical cavity, and applying pressure after preheating. The method and the die of the invention are used for densification treatment of the composite material in three directionsUnder the action of force, densification is carried out while cracking of the aluminum matrix composite material is avoided. The aluminum matrix composite material has high strength, compactness and elongation. The invention is suitable for densification of the aluminum matrix composite material.)

基于三向约束变形的高体积分数SiC纳米线增强铝基复合材 料致密化装置及方法

技术领域

本发明涉及一种SiC纳米线/Al复合材料致密化装置及方法。

背景技术

近些年来，以纳米增强体作为增强相的金属基复合材料表现出十分优异的性能，逐渐成为人们的研究重点。一般而言，当增强体的三维尺寸中有一个维度小于100nm则可称之为纳米增强体，根据尺寸特征的不同又可分为零维(纳米颗粒)、一维(纳米线)和二维(纳米片)增强体。铝基复合材料一直以来都是金属基复合材料研究中十分重要的研究方向，其中对以SiC颗粒为增强体的铝基复合材料研究最为深入，原因在于SiC具有十分优异的室温和高温力学性能，与铝基体的界面结合状态良好。SiC_nw(碳化硅纳米线)作为一种一维纳米增强体，在铝基复合材料中表现出比传统SiC颗粒更为突出的强化效率，随着SiC_nw制备工艺的日趋成熟，制备成本的逐渐下降，人们开始越来越多地使用SiC_nw替代传统SiC颗粒来制备SiC_nw/Al复合材料。T.Jintakosol等人通过热压烧结法制备了 SiC_nw含量为5-15vol.％的SiC_nw/Al复合材料，并对其摩擦磨损性能进行了研究，发现SiC_nw的加入显著降低复合材料的摩擦系数和磨损率。Wenshu Yang和Ronghua Dong等人采用压力浸渗法制备了体积分数在10-30％的SiC_nw/Al复合材料，得到的复合材料无不良界面反应，SiC_nw在复合材料中定向排列，表现出十分优异的力学性能。

目前而言，SiC_nw/Al复合材料的制备方法比较有限，主要分为固态法和液态法两种，但都存在着致密度低的问题，致密度低的复合材料中存在的微小空洞，往往会成为裂纹萌生的源头，从而使得复合材料提前断裂，大大降低其塑性。

采用热挤压的方式对SiC_nw/Al复合材料进行处理，能够提高复合材料的致密度。但由于SiC_nw/Al复合材料的变形能力的限制，热挤压的方式仅适用于SiC_nw体积分数在40％以下的复合材料，无法适用于体积分数在40-60％的高SiC_nw含量的铝基复合材料。体积分数为40-60％的高SiC_nw含量的铝基复合材料在挤压时特别容易出现开裂的情况，即便提高温度，使铝基体趋近于液相线，也无法避免开裂的发生。并且较高的挤压温度还存在着晶粒粗大、界面不良反应等问题，挤压本身也存在着变形不均匀的先天不足。因此，如何实现高体积分数(40～60vol.％)SiC_nw/Al复合材料的致密化成为充分发挥SiC_nw强化效果的难点。

发明内容

本发明为了解决高SiC_nw含量的SiC纳米线增强铝基复合材料热挤压后易开裂的问题，提出一种基于三向约束变形的高体积分数SiC纳米线增强铝基复合材料致密化装置及方法。

本发明基于三向约束变形的高体积分数SiC纳米线增强铝基复合材料致密化装置由模具、模具底板、上压头、下压头和约束体构成；

所述模具为圆筒体，模具设置在模具底板上表面，上压头、下压头和约束体由上至下叠放在模具内部；上压头和下压头为圆柱体，上压头下端面设置有第一圆柱形凸台，下压头上端面设置有与第一凸台的形状和尺寸相同的第二凸台；

所述约束体为圆柱体，约束体的外圆周面与模具的内圆周面间隙配合，约束体由两个相同的半约束体构成，半约束体中心设置有圆形盲孔，两个半约束体的圆形盲孔开口相对设置构成圆柱形空腔。

利用上述基于三向约束变形的高体积分数SiC纳米线增强铝基复合材料致密化装置进行复合材料致密化的方法按照以下步骤进行：

一、组装

取与约束体中心的圆柱形空腔的形状和尺寸相同的铝基复合材料，铝基复合材料置于圆柱形空腔内，然后将模具、模具底板、上压头、下压头和约束体组装形成预制件；

所述约束体的材质与铝基复合材料中基体材质相同；

二、预热

将预制件加热至铝基复合材料中基体熔点以下30～50℃并保温0.5～3h；

三、致密化处理

向上压头施加压力进行致密化处理，即完成。

本发明具优点：

1、采用本发明方法及模具对高体积分数SiC_nw/Al复合材料进行致密化处理时，铝基复合材料处于三向压应力状态下，三向压应力是指上压头施加的轴向向下的压应力、以及模具侧壁施加的周向压应力。三向压应力下铝基复合材料的软性系数α能够达到4左右，大于其它诸多变形处理方式，变形能力极高，能够在实现铝基复合材料致密化的同时避免铝基复合材料的开裂。

2、采用本发明方法及模具对铝基复合材料进行致密化处理后，铝基复合材料延伸率提高了100～200％；铝基复合材料的致密度由低于90％提高到了97～99％；铝基复合材料的屈服强度由低于300MPa提高到450MPa，提升将近50％。与此同时，由于铝基复合材料在上压头和下压头的挤压下向四周延展并铺平，导致纳米线随之延展并铺平，在平面内呈平面二维分布，从而能够更好地发挥出纳米线的强化效果，提高铝基复合材料强度。

3、本发明提出的致密化方法原理简单，操作容易，具有一定的普适性，对于其它增强体、基体，或低、中体积分数的铝基复合材料同样也可以采用。并且本发明装置和约束体较为简单，材料常规，几乎不存在加工困难，成本较为低廉。

附图说明

图1为实施例1中致密化装置的结构示意图；

图2为实施例1中组装后致密化处理前的致密化装置的结构示意图，图中a为致密化处理前的铝基复合材料；

图3为实施例1中致密化处理后的致密化装置的结构示意图，图中a为致密化处理后的铝基复合材料；

图4为实施例1中致密化处理前的铝基复合材料显微组织照片；

图5为实施例1中致密化处理后的铝基复合材料显微组织照片。

具体实施方式

：

本发明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合理组合。

具体实施方式一：本实施方式基于三向约束变形的高体积分数SiC纳米线增强铝基复合材料致密化装置由模具1、模具底板2、上压头3、下压头4和约束体构成；

所述模具1为圆筒体，模具1设置在模具底板2上表面，上压头3、下压头4和约束体由上至下叠放在模具1内部；上压头3和下压头4为圆柱体，上压头3下端面设置有第一圆柱形凸台，下压头4上端面设置有与第一凸台的形状和尺寸相同的第二凸台；

所述约束体为圆柱体，约束体的外圆周面与模具1的内圆周面间隙配合，约束体由两个相同的半约束体5构成，半约束体5中心设置有圆形盲孔，两个半约束体5的圆形盲孔开口相对设置构成圆柱形空腔。

本实施方式具备以下有益效果：

1、采用本实施方式方法及模具对高体积分数SiC_nw/Al复合材料进行致密化处理时，铝基复合材料处于三向压应力状态下，三向压应力是指上压头3施加的轴向向下的压应力、以及模具侧壁施加的周向压应力。三向压应力下铝基复合材料的软性系数α能够达到4左右，大于其它诸多变形处理方式，变形能力极高，能够在实现铝基复合材料致密化的同时避免铝基复合材料的开裂。

2、采用本实施方式装置对铝基复合材料进行致密化处理后，铝基复合材料延伸率提高了100～200％；铝基复合材料的致密度由低于90％提高到了97～99％；铝基复合材料的屈服强度由低于300MPa提高到450MPa，提升将近50％。与此同时，由于铝基复合材料在上压头3和下压头4的挤压下向四周延展并铺平，导致纳米线随之延展并铺平，在平面内呈平面二维分布，从而能够更好地发挥出纳米线的强化效果，提高铝基复合材料强度。

3、本实施方式装置进行致密化方法原理简单，操作容易，具有一定的普适性，对于其它增强体、基体，或低、中体积分数的铝基复合材料同样也可以采用。并且装置和约束体较为简单，材料常规，几乎不存在加工困难，成本较为低廉。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述半约束体5中圆形盲孔的底部距离半约束体5端面的距离为2～5mm。其他步骤和参数与具体实施方式一相同。约束体制成上下对称的两个半约束体5，在铝基复合材料填装入约束体的空腔中时，能与约束体保持紧密贴合，半约束体5中圆形盲孔的底部距离相邻的约束体端面的距离为 2～5mm，因此铝基复合材料的端面与上压头或下压头的距离为2～5mm，能够保证铝基复合材料处于变形较为均匀的区域内，使得铝基复合材料不同部位变形较为一致。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述模具1与模具底板2通过螺栓连接，模具底板2设置有通孔，模具1的侧壁内下端面设置有螺纹孔，螺栓穿过模具底板2的通孔并旋入模具1的侧壁的螺纹孔内。其他步骤和参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述上压头3的外圆周面与模具1的内圆周面间隙配合，下压头4的外圆周面与模具1的内圆周面间隙配合。其他步骤和参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述约束体中心设置的圆柱形空腔的长径比为(0.5～0.1)：1、且约束体中心设置的圆柱形空腔的直径与上压头3中第一凸台的直径的比为(1.5～1.1):1、且模具1的内径与第一凸台的直径的比为(1.6～1.2):1。其他步骤和参数与具体实施方式一至四之一相同。

本实施方式将约束体中心设置的圆柱形空腔的长径比限定为(0.5～0.1)：1、且将约束体中心设置的圆柱形空腔的直径与上压头3中第一凸台的直径的比限定为(1.5～1.1):1 的目的是保证铝基复合材料受力和变形的均匀性。将模具1的内径与第一凸台的直径的比限定在(1.6～1.2):1的目的是在挤压过程中，保证铝基复合材料经历一定的变形量的前提下，使铝基复合材料获取足够大的三向压应力。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述模具材质为不锈钢、耐热合金钢、高温合金或石墨。其他步骤和参数与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式利用基于三向约束变形的高体积分数SiC纳米线增强铝基复合材料致密化装置进行复合材料致密化的方法按照以下步骤进行：

一、组装

取与约束体中心的圆柱形空腔的形状和尺寸相同的铝基复合材料，铝基复合材料置于圆柱形空腔内，然后将模具1、模具底板2、上压头3、下压头4和约束体组装形成预制件；

所述约束体的材质与铝基复合材料中基体材质相同；约束体的选择对三向约束所产生的压应力大小有着十分重要的影响，对于体积分数在40～60％左右的高SiC_nw含量的铝基复合材料，本实施例选用的约束体的材质与铝基复合材料中基体材质一致，因此约束体的强度和铝基复合材料基体强度匹配，发生变形时，铝基复合材料基体的变形与约束体一致。

二、预热

将预制件加热至铝基复合材料中基体熔点以下30～50℃并保温0.5～3h；该预热条件下铝基复合材料更加容易变形；如果采用过高的预热温度会导致铝基复合材料发生不良界面反应或生成脆性化合物，从而降低力学性能。

三、致密化处理

向上压头3施加压力进行致密化处理，即完成。

1、采用本实施方式方法及模具对高体积分数SiC_nw/Al复合材料进行致密化处理时，铝基复合材料处于三向压应力状态下，三向压应力是指上压头3施加的轴向向下的压应力、以及模具侧壁施加的周向压应力。三向压应力下铝基复合材料的软性系数α能够达到4左右，大于其它诸多变形处理方式，变形能力极高，能够在实现铝基复合材料致密化的同时避免铝基复合材料的开裂。

2、采用本实施方式方法对铝基复合材料进行致密化处理后，铝基复合材料延伸率提高了100～200％；铝基复合材料的致密度由低于90％提高到了97～99％；铝基复合材料的屈服强度由低于300MPa提高到450MPa，提升将近50％。与此同时，由于铝基复合材料在上压头3和下压头4的挤压下向四周延展并铺平，导致纳米线随之延展并铺平，在平面内呈平面二维分布，从而能够更好地发挥出纳米线的强化效果，提高铝基复合材料强度。

3、本发明提出的致密化方法原理简单，操作容易，具有一定的普适性，对于其它增强体、基体，或低、中体积分数的铝基复合材料同样也可以采用。并且本实施方式采用的装置和约束体较为简单，材料常规，几乎不存在加工困难，成本较为低廉。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同的是：步骤一所述铝基复合材料中基体材质为铝或铝合金；所述铝合金为铝硅合金、铝铜合金、铝镁合金、铝硅铜合金、铝铜镁合金、铝锌镁合金、铝锌镁铜合金、铝硅铜镁、铝硅镁合金合金、铝锂合金或铝铍合金。其他步骤和参数与具体实施方式七相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式七或八不同的是：步骤一所述的铝基复合材料中SiC_nw的体积含量为40～60％，SiC_nw平均直径为50～500nm，长径比100～300。其他步骤和参数与具体实施方式七或八相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式七至九之一不同的是：步骤三中向上压头3施加压力进行致密化处理时，上压头3相对下压头4的移动速度为5～50mm/min，上压头3相对下压头4的位移量为约束体高度的20～50％。其他步骤和参数与具体实施方式七至九之一相同。

采用以下实施例验证本实施例的有益效果：

实施例1：

本实施例基于三向约束变形的高体积分数SiC纳米线增强铝基复合材料致密化装置由模具1、模具底板2、上压头3、下压头4和约束体构成；

所述模具1为圆筒体，模具1设置在模具底板2上表面，上压头3、下压头4和约束体由上至下叠放在模具1内部；上压头3和下压头4为圆柱体，上压头3下端面设置有第一圆柱形凸台，下压头4上端面设置有与第一凸台的形状和尺寸相同的第二凸台；

所述约束体为圆柱体，约束体的外圆周面与模具1的内圆周面间隙配合，约束体由两个相同的半约束体5构成，半约束体5中心设置有圆形盲孔，两个半约束体5的圆形盲孔开口相对设置构成圆柱形空腔。

所述半约束体5中圆形盲孔的底部距离半约束体5端面的距离为3mm。

所述模具1与模具底板2通过螺栓连接，模具底板2设置有通孔，模具1的侧壁内下端面设置有螺纹孔，螺栓穿过模具底板2的通孔并旋入模具1的侧壁的螺纹孔内。

所述上压头3的外圆周面与模具1的内圆周面间隙配合，下压头4的外圆周面与模具 1的内圆周面间隙配合。

所述约束体中心设置的圆柱形空腔的长径比为0.5：1、且约束体中心设置的圆柱形空腔的直径与上压头3中第一凸台的直径的比为1.2:1、且模具1的内径与第一凸台的直径的比为1.4:1。

所述模具材质为不锈钢。

包套处理一般用于挤压工艺中，包套处理不能提供三向压应力，只能提高所处理材料的表面质量，不能保证其变形的均匀性。本实施例装置及方法使铝基复合材料获取足够大的三向压应力，塑性差且变形能力弱的铝基复合材料在三向压应力下更加容易发生均匀的变形。

利用上述基于三向约束变形的高体积分数SiC纳米线增强铝基复合材料致密化装置进行复合材料致密化的方法按照以下步骤进行：

一、组装

取与约束体中心的圆柱形空腔的形状和尺寸相同的铝基复合材料，铝基复合材料置于圆柱形空腔内，然后将模具1、模具底板2、上压头3、下压头4和约束体组装形成预制件；

将铝基复合材料置于圆柱形空腔内之前，在模具1的内壁、约束体中心的圆柱形空腔的内壁、上压头3中第一凸台的端面和圆周面、以及下压头4中第二凸台的端面和圆周面涂抹脱模剂。

所述约束体的材质与铝基复合材料中基体材质相同；

所述铝基复合材料中基体材质为铝铜合金，铝铜合金中Cu的质量分数为4％；

所述的铝基复合材料中SiC_nw的体积含量为50％，SiC_nw平均直径为400nm，长径比200；

二、预热

将预制件加热至铝基复合材料中基体熔点以下40℃并保温0.5～3h；

三、致密化处理

向上压头3施加压力进行致密化处理，即完成；

步骤三中向上压头3施加压力进行致密化处理时，上压头3相对下压头4的移动速度为20mm/min，上压头3相对下压头4的位移量为约束体高度的30％。

图1为实施例1中致密化装置的结构示意图；图2为实施例1中组装后致密化处理前的致密化装置的结构示意图，图中a为致密化处理前的铝基复合材料；图3为实施例1 中致密化处理后的致密化装置的结构示意图，图中a为致密化处理后的铝基复合材料；图 4为实施例1中致密化处理前的铝基复合材料显微组织照片；图5为实施例1中致密化处理后的铝基复合材料显微组织照片。从图4和图5能够看出，经过变形处理过后铝基复合材料中存在的空洞消失，致密度显著提高，并且经在变形处理过后在铝基复合材料与压头接触的平面内SiC_nw呈二维分布。

1、采用本实施例方法及模具对高体积分数SiC_nw/Al复合材料进行致密化处理时，铝基复合材料处于三向压应力状态下，三向压应力是指上压头3施加的轴向向下的压应力、以及模具侧壁施加的周向压应力。三向压应力下铝基复合材料的软性系数α能够达到4 左右，大于其它诸多变形处理方式，变形能力极高，能够在实现铝基复合材料致密化的同时避免铝基复合材料的开裂。

2、采用本实施例对铝基复合材料进行致密化处理后，铝基复合材料延伸率提高了200％；铝基复合材料的致密度由90％提高到了99％；铝基复合材料的屈服强度由300MPa提高到450MPa，提升将近50％。与此同时，由于铝基复合材料在上压头3和下压头4的挤压下向四周延展并铺平，导致纳米线随之延展并铺平，在平面内呈平面二维分布，从而能够更好地发挥出纳米线的强化效果，提高铝基复合材料强度。

3、本实施例提出的致密化方法原理简单，操作容易，具有一定的普适性，对于其它增强体、基体，或低、中体积分数的铝基复合材料同样也可以采用。并且本实施例装置和约束体较为简单，材料常规，几乎不存在加工困难，成本较为低廉。