一种预制体预除气真空压渗成形金属基复合材料的方法与装置

本发明属于碳纤维或石墨烯增强的铝基/镁基复合材料制备与成形加工领域，具体涉及一种预制体预除气真空压渗成形金属基复合材料的方法与装置。

背景技术：

1、随着先进航空业朝轻量化、功能化、结构复杂化方向发展，对先进材料需求及高效制备方法提出了更高层次的要求。航空零件中的电器盒、保护罩对于轻量化、可靠性、成本控制有了更高的要求，该类电器盒和保护罩主要用于电磁屏蔽、导热以及能承受各类载荷。

2、目前，该类航空航天用电器盒及保护罩主要采用铝合金、镁合金制造，但该类材料强度较低，且在加工过程中常采用减材成形，采用该方法存在材料利用率低，减重效果较差等缺点。

3、采用碳纤维或石墨烯增强的铝基/镁基复合材料具有耐高温、密度低、比强度和比刚度高、抗疲劳和耐腐蚀性能较好的优点，结合近净成形工艺，可以有效增加材料的服役强度及材料利用率以增加该类材料在航空航天领域竞争力。

4、碳纤维/石墨烯增强铝基/镁基复合材料的性能与制造成本，在很大程度上取决于所采用的制备方法。目前，此类复合材料的制备主要依赖压力浸渗工艺，该工艺多用于板材和块材的成型，而在异形件制备方面应用较少；即使应用于异形件，也需进行模具设计及预制体结构优化，导致制造成本显著增加。同时，传统压力浸渗过程中压力方向单一，不同区域受力不均，容易造成基体铝的浸渗不均匀，进而在复合材料内部产生浸渗缺陷，致使制品的力学性能和功能性变差。

技术实现思路

1、要解决的技术问题：

2、为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种预制体预除气真空压渗成形金属基复合材料的方法与装置，通过对碳纤维/石墨烯等多孔隙预制体进行包覆及预除气，使得预制体处于真空状态，在浸渗中利用负压将熔融合金液浸渗入预制体中，再经过渡舱送入恒压舱；浸渗时破坏密封包壳，利用舱内正压与预制体内部负压形成的协同压差驱动熔体浸渗，配合三舱室连续流转架构，实现复杂异形金属基复合材料件的高效、高质量连续化近净成形生产；从而解决复杂形状碳纤维/石墨烯增强铝基/镁基复合材料件的高效成形及性能提升方面的问题。

3、本发明的技术方案是：一种预制体预除气真空压渗成形金属基复合材料的方法，包括以下步骤：

4、步骤一、预制体预封装负压处理：将多孔预制体置于密封包壳内，对密封包壳内部进行抽真空处理，使所述多孔预制体处于预设负压环境，随后将密封包壳密封，形成预制体负压单元；

5、步骤二、浸渗环境准备：在恒压舱内将基体金属熔化形成熔体，并使恒压舱内维持设定压力及保护性气氛；

6、步骤三、协同压差浸渗：将所述预制体负压单元送入恒压舱内，在恒压舱内破坏所述密封包壳的完整性，使恒压舱内的压力与预制体负压单元内部的负压之间形成协同压差，驱动基体金属熔体渗入多孔预制体的孔隙中，得到浸渗后的复合材料；

7、步骤四、成品输出：将浸渗后的复合材料从恒压舱中移出；

8、步骤五、循环生产：重复上述步骤一至步骤四，实现连续化生产。

9、一种预制体预除气真空压渗成形金属基复合材料的方法，包括以下步骤：

10、步骤一、预制体预封装负压处理：将多孔预制体置于密封包壳内，对密封包壳内部进行抽真空处理，使所述多孔预制体处于预设负压环境，随后将密封包壳密封，形成预制体负压单元；

11、步骤二、浸渗环境准备：在恒压舱内将基体金属熔化形成熔体，并使恒压舱内维持设定压力及保护性气氛；

12、步骤三、预制体负压单元转移：将所述预制体负压单元经进料过渡舱送入恒压舱内，所述进料过渡舱与恒压舱之间设有可开闭的进料隔离门，所述进料隔离门关闭时进料过渡舱可独立进行抽真空及充气加压，以在不破坏恒压舱内压力及保护性气氛的前提下完成预制体负压单元的送入；

13、步骤四、协同压差浸渗：在恒压舱内破坏所述密封包壳的完整性，使恒压舱内的压力与预制体负压单元内部的负压之间形成协同压差，驱动基体金属熔体渗入多孔预制体的孔隙中，得到浸渗后的复合材料；

14、步骤五、成品输出：将浸渗后的复合材料从恒压舱中移出至出料过渡舱，所述出料过渡舱与恒压舱之间设有可开闭的出料隔离门，所述出料隔离门关闭时出料过渡舱可独立进行抽真空及充气加压，以在不破坏恒压舱内压力及保护性气氛的前提下完成成品输出；

15、步骤六、循环生产：重复上述步骤一至步骤五，实现连续化生产。

16、本发明的进一步技术方案是：所述密封包壳为开有若干孔洞的金属薄壳；

17、将密封包壳密封的方式为，采用低熔点钎料将金属薄壳的所有孔洞进行焊接密封；所述低熔点钎料的熔点低于基体金属的熔点；

18、破坏密封包壳完整性的方式为：将所述预制体负压单元整体浸入基体金属熔体中，所述金属薄壳孔洞中的钎料受热熔化使孔洞打开，使预制体负压单元内部的负压环境与恒压舱内的压力连通，形成协同压差。

19、本发明的进一步技术方案是：所述密封包壳为刚性模具，所述刚性模具上开设有供熔体进入的通道；

20、将密封包壳密封的方式为，采用低熔点钎料将刚性模具的通道进行焊接密封；所述低熔点钎料的熔点低于基体金属的熔点；

21、破坏密封包壳完整性的方式为：将所述预制体负压单元浸入所述基体金属熔体中，所述通道内的低熔点钎料受热熔化使通道打开，使预制体负压单元内部的负压环境与恒压舱内的压力连通，形成协同压差。

22、本发明的进一步技术方案是：所述预制体负压单元内部抽真空至绝对压力不高于10-1mpa；所述恒压舱内抽真空至绝对压力不高于10-1mpa，经充入惰性气体后恒压舱内压力为0.1～3mpa；所述基体金属熔体温度高于基体金属熔点10～300℃。

23、本发明的进一步技术方案是：所述多孔预制体为碳纤维预制体或石墨烯预制体，所述碳纤维预制体为捆扎的连续纤维束或经卷制、堆叠的连续碳纤维布，纤维体积分数为30％—50％；所述石墨烯预制体孔隙率为85％—92％。

24、一种用于实现所述方法的预制体预除气真空压渗成形金属基复合材料的装置，包括：

25、恒压舱，为可密封腔体，其内部设置有用于容纳和熔化基体金属的熔炼设备，以及用于夹持和转移包壳预制体的转移执行机构；所述恒压舱连接有抽真空及充气加压气路，用于在恒压舱内建立并维持预设压力及保护性气氛；

26、进料过渡舱，设置于恒压舱的一侧，通过进料隔离门与恒压舱可选择地连通；所述进料过渡舱连接有独立的抽真空及充气加压气路，用于在进料隔离门关闭时独立调节进料过渡舱内的压力及气氛，以在不破坏恒压舱内压力及保护性气氛的前提下将预制体负压单元送入恒压舱；

27、出料过渡舱，设置于恒压舱的另一侧，通过出料隔离门与恒压舱可选择地连通；所述出料过渡舱连接有独立的抽真空及充气加压气路，用于在出料隔离门关闭时独立调节出料过渡舱内的压力及气氛，以在不破坏恒压舱内压力及保护性气氛的前提下将浸渗完成的复合材料移出恒压舱；

28、气氛调控系统，分别连接至恒压舱、进料过渡舱和出料过渡舱，用于独立控制各舱室的压力及气氛；

29、控制系统，连接至进料隔离门、出料隔离门、转移执行机构、熔炼设备和气氛调控系统，用于控制各部件协同动作，实现预制体的连续化浸渗生产。

30、本发明的进一步技术方案是：所述恒压舱内靠近进料过渡舱一侧设置有进料舱机械手，所述进料舱机械手用于将置于进料过渡舱内的预制体负压单元移送至恒压舱内；所述恒压舱内得上方设置有桁架机械手，所述桁架机械手可水平移动及垂直移动，用于抓取预制体负压单元，并将其移送至熔炼设备处进行浸渗操作。

31、本发明的进一步技术方案是：所述恒压舱内靠近出料隔离门处设置有出料推杆，所述出料推杆用于将浸渗后的复合材料推入出料过渡舱；所述出料过渡舱用于供浸渗后的复合材料在其中冷却。

32、本发明的进一步技术方案是：所述熔炼设备包括加热炉和设置于加热炉内部的坩埚，所述加热炉内部嵌设有加热棒，所述坩埚上方设置有可开合的坩埚盖板；所述坩埚盖板在浸渗操作时打开以供预制体负压单元浸入基体金属熔体，在非浸渗时段关闭以减少坩埚的热辐射扩散。

33、本发明的进一步技术方案是：所述气氛调控系统包括惰性气体气瓶和真空泵；所述惰性气体气瓶通过管路及阀门组分别连接至恒压舱、进料过渡舱和出料过渡舱；所述真空泵通过管路及阀门组分别连接至恒压舱、进料过渡舱和出料过渡舱；所述惰性气体气瓶和真空泵连通至各舱内的管路和阀门为共用形式；

34、所述恒压舱、进料过渡舱和出料过渡舱各自独立地连接有压力检测装置和真空检测装置。

35、有益效果

36、本发明的有益效果在于：本发明通过对预制体进行包覆和预抽真空处理，使异形预制体内部形成负压环境；使预制体除气工序与主浸渗流程彻底解耦，解决了传统工艺中因预制体原位除气导致设备反复抽充气、生产节拍长的瓶颈问题，实现了恒压舱连续不间断运行，生产效率得到显著提升。

37、在浸渗阶段，熔融合金液与预制体保持隔离，待合金液准备就绪后，再利用桁架机械手将预制体送入合金液中进行浸渗，从而有效避免高温对预制体造成的热损伤。在恒压舱提供的保护气氛环境下，外部正压力与预制体内负压形成协同压差，该压差方向由预制体内部向外引导，促使合金液快速且均匀地渗入预制体内部，显著提升了近净成形质量，能够主动疏通复杂异形件不同区域孔隙中被困的气体，有效解决了常规单向外压浸渗时因压力方向单一、气体排出通道不畅导致的浸渗不均和内部气孔缺陷问题，尤其适用于高孔隙密度、复杂形状预制体的高质量浸渗。

38、此外，在样品取放过程中，仅通过小体积进料过渡舱进行预制体交换，无需对整套设备反复执行抽真空与充气操作，大幅缩短了工艺周期，有利于实现连续化生产，提高生产效率并降低能耗。