一种制备连续纤维局部增强铝合金零件的方法 【技术领域】
本发明涉及铝合金精密铸件的制备技术，特指一种制备连续纤维局部增强铝合金零件的方法。该方法将传统熔模铸造工艺中的零件蜡模和增强纤维预制体的制备相结合，利用气体加压使液态金属在压力下充填和凝固，并利用熔模精密铸造的特点，可直接生产连续(长)纤维局部增强铝合金零件。
背景技术
连续纤维局部增强铝合金精密铸件，采用高强度纤维增强服役过程中的高拉应力区，具有普通铝合金铸件无法比拟的承载能力、抗疲劳能力和使用性能、以及钢铁零件无法比拟的比强度和轻量化优势，用作为结构零件可广泛应用于航空、汽车、运动器材等领域，具有广阔的市场前景。多年来连续纤维局部增强铝合金结构零件的工业化生产方法，一直是材料科学领域的研究热点之一。
目前国内外在连续纤维增强金属基复合材料零件的制备上，已经开发出了多种方法，主要包括叠层热压扩散结合、气相沉积热等静压、粉末冶金、铸造法和定向凝固法等。铸造法即采用一些特殊的液态成形工艺来制备复合材料，可直接生产零件毛坯，远比其他方法更为经济，加工也较为方便。目前铸造法生产连续纤维增强铝基复合材料零件，大多采用预制型浸渗技术。增强纤维首先按所要求的方向和体积分数制成一定形状的预制型。预制型被置于铸型型腔中铸件的增强部位，并通过金属铸型上的特殊结构加以固定。液体金属通常在压力下通过浇铸系统浇入铸型，向预制型中浸渗并填充增强纤维丝间的空间。凝固冷却后，可得到连续纤维增强的金属基复合材料铸件毛坯。然而，丝状的增强纤维丝通常直径细小并呈柔性，难以控制其排列和分布，使得预制型的制备难度大，成本高。因此研究开发连续纤维增强铝基复合材料的非预制型铸造技术，低成本地直接生产出复合材料铸件，对这种先进材料的推广应用具有十分重要的意义。
【发明内容】
本发明的目的提供一种不采用预制型浸渗技术，直接生产连续(长)纤维增强铝合金基复合材料零件的新方法。该方法把传统的熔模精密铸造技术和液态金属压力浸渗相结合，无须专门制作纤维预制型，较好地解决了纤维丝的处理、排列和在铸型中的放置等问题。并可充分利用熔模精密铸造高精度高形状自由度的特点，直接生产出各种近净形的复合材料铸件。
整个工艺过程有三部分组成，即：纤维处理和蜡模制作、模壳制备、浇铸和加压凝固，具体为：将纤维束通过高温液态蜡池，等蜡层完全冷却至室温后，将纤维束安放在零件蜡模的相应部位，然后直接在注蜡机上制出带增强纤维的零件蜡模，然后再和浇铸系统蜡模焊合组装在一起，成为完整的蜡模系统；经过数次浸涂料、挂砂循环，在蜡模系统外面会形成陶瓷模壳，陶瓷模壳充分干燥后，进行脱蜡和焙烧；对陶瓷模壳进行液态铝合金浇铸，并在浇铸完成后，立即在模壳型腔上使用氩气进行加压，等完全凝固冷却后，即可得到连续纤维局部增强铝合金零件。
纤维束含直径为10-50μm的纤维500～1000根，由于直径细小呈柔性，故纤维束可通过卷筒牵引，浸入并通过液态蜡池。蜡液的温度为70-90℃，和纤维丝间有较好的润湿性，液态蜡料能渗入纤维丝之间的空隙，并在纤维丝外表形成一定厚度的蜡层。刚从蜡池拉出带蜡层的纤维丝束，由于蜡层仍有相当的温度，具有一定的柔性和变形能力，可以通过卷筒加工成一定的形状或剪切成一定长度备用。
根据零件的形状和纤维增强区的位置，可在零件蜡模压型上考虑安放纤维束的放置。由于蜡层完全冷却至室温后，具有了一定的强度，这使得带蜡层的纤维丝具有了一定的刚性，大大方便了纤维丝的方向性排列和在模具中的安放。此外，也可专门设计增强区的蜡模压型，把带蜡层的纤维按要求的方向排列于压型里，通过压型预先制备出零件纤维增强部分的蜡模，然后再和其他部分焊接组装成完整的带增强纤维的零件蜡模。
陶瓷模壳的制备和传统的熔模铸造工艺一样，通常经过6～8次浸涂料、挂砂循环，在蜡模的外面会形成一个陶瓷模壳，模壳地厚度为10～20mm。在蜡模的外面会形成一个有一定厚度和强度的陶瓷模壳，纤维丝的两端也已被陶瓷模壳牢牢地粘住。脱蜡在高压蒸汽釜中进行，脱蜡时压力为0.6MPa左右。脱蜡后模壳的焙烧温度，主要根据模壳材料，通常为700～1000℃。
浇铸后铝液的凝固过程中，采用氩气气体加压，压力通常控制在0.6-1.0MPa。以充分保证铝液对纤维丝之间的充填和浸渗，同时液态金属在压力下凝固，可使铸件的组织致密，具有更好的机械性能。浇铸和加压凝固也可以用于低压铸造机上进行，以实现半机械化生产。
铸件完全凝固冷却后，进行打模清理，切除浇冒口，并进行必要的表面清整，这样就可得到所需要的连续纤维增强的铝合金铸件。
本发明开发的工艺方法可用于生产不同铝合金基体和纤维材料组成的复合材料。增强区域纤维的体积百分比可根据不同使用要求在40-60％之间变化；充型凝固过程中采用气体加压，压力通常控制在0.6-1.0MPa。浇铸和加压凝固也可以用于低压铸造机上进行，以实现半机械化生产。
【附图说明】
图1.本发明工艺的流程图
a.纤维经滚筒浸入蜡池；b.零件蜡模制备；c.浸涂料(循环)；d.挂砂(循环)；e.脱蜡；f.模壳焙烧；g.浇铸，加压凝固；h.脱模清理；i.切割浇冒口，表面清整
图2实施例1的连续纤维增强铝合金试样的照片
a.毛坯；b.加工后的试样
图3实施例1的试样的断面组织
【具体实施方式】
实施例1：
根据上述发明的工艺，制作了50％体积分数γ-Al2O3纤维(产自日本Sumitomo Chemical公司，型号Altex SN，纤维丝直径15μm，抗拉强度1.8GPa)增强铝合金(Al-6％Zn-1％Mg-0.1％Cu)试棒、试块以及连续纤维局部增强铝合金试块。图2a为这三个试样的毛坯照片，图2b为加工后的试样。试棒和小试块为连续纤维整体增强，用于性能测试。大试块为连续纤维局部增强，试块中间为增强区，两侧为非增强区，使用该试块可验证本发明的工艺可行性，并可测定增强区和非增强区间的宏观内应力。所测得的50％纤维增强铝合金复合材料，沿纤维方向以及垂直于纤维方向的抗拉强度和弹性模量，结果见表1。此外，对试棒内的纤维分布情况也进行了观测，图3为试样的断面组织照片，可见纤维能比较均匀地分布于整个断面。
实施例2：
采用本发明生产的纤维局部增强铝合金运动自行车曲拐连杆，替代原来的高强度锻钢件，重量可减轻约69％。连杆中部受力臂段采用45％体积百分比γ-Al2O3纤维(产自日本SumitomoChemical公司，型号Altex SN，纤维丝直径15μm，抗拉强度1.8GPa)局部增强，基体材料为铸造铝硅合金。陶瓷浆料采用锆英粉耐火材料和硅溶胶粘结剂，面层(两层)挂砂材料为锆英粉(颗粒大小0.25mm)，加固层为莫莱石粉(颗粒大小0.8-1.4mm)，模壳共8层，厚约20mm。脱蜡在蒸汽釜中进行，压力为0.6MPa，持压时间为90秒。模壳焙烧在电炉中进行，被烧温度为850℃。由于模壳焙烧后，没有立即浇铸，故浇铸前对模壳进行了预热，预热温度为750℃。铝合金在电阻坩埚炉中熔炼，浇铸温度为700℃。浇铸后，用氩气对模壳内的铝液进行加压，压力为0.8MPa，持压时间为5分钟。铸件冷却凝固并冷却到室温后，打去模壳，切除浇冒口，并打磨清整后，得到成品。零件具有较高的表面光洁度，具有和锻钢曲拐连杆相同的外观质量。中部受力臂采用纤维增强，大大提高了零件的承载能力和使用寿命。
表1、50％γ-Al2O3纤维增强铝合金试样的机械性能
性能 试验测定值 沿纤维方向的抗拉强度，σb0°(MPa) 1003 垂直于纤维方向的抗拉强度，σb90°(MPa) 220 沿纤维方向的弹性模量，E0°(GPa) 135 垂直于纤维方向的弹性模量，E90°(GPa) 80