专利名称：原位铝基复合材料的差压铸造制备方法
技术领域：
本发明涉及的是一种铸造技术领域的制备方法，特别是一种原位铝基复合材料的差压铸造制备方法。
背景技术：
差压铸造属于精密铸造领域。应用于航空、航天、电子等工业大型、薄壁和复杂铝铸件的生产中。差压铸造是一种特殊的反重力铸造方法，其成形特点是，铸造成形过程中，金属液体的流动方向与重力的作用相反，这样可以控制金属液的流速，从而减少浇注过程中出现的卷气和夹渣现象。差压铸造方法是60年代初发展起来的铸造新方法，这种方法源于低压铸造，它兼有低压铸造和压力釜铸造的特点。其原理是金属液在一定的压差下成形，在高压下凝固。主要特点有减少铸件气孔、针孔缺陷；在液态金属填充铸型时，型壁的沟纹或粗糙部分存在一层气体薄膜，铸件表面质量大大改善；差压铸造还明显减少大型复杂铸件凝固时的热裂倾向。差压铸造的补缩压力是低压铸造的数倍(倍数由凝固时上腔压力确定)。与低压铸造相比差压铸造可减少凝固时间20％～25％，减少了凝固期内的变质衰退现象，细化了晶粒。目前为止还没有相关文献给出差压铸造在实际应用时的参数，在工程应用中，如果不能恰当的设计充型参数往往会带来不必要的经济损失。
经对现有技术的文献检索发现，曾建民、周尧和等在《压铸世界》2002，4，19-22上发表“碳化硅颗粒增强铝基复合材料精密铸件的低压铸造”一文，该文指出复合材料的流动性能不及基体合金，因此复合材料的成形多借助于压力或离心力。颗粒增强复合材料是多相材料，因此材料的充型能力不仅取决于基体合金的性质和工艺参数，也取决于颗粒在熔体中的浓度和分布状态。总的趋势是，随着颗粒分布的增加，材料的流动能力降低。螺旋型试样的测试结果表明，当体积分数增加到15％时，流动程度减少一半左右。
在进一步的检索中，至今尚未发现将差压铸造的制备方法应用到铝基复合材料的制备的报导。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种原位铝基复合材料的差压铸造制备方法，使其将差压铸造的方法应用到原位铝基复合材料零件的制备中，能铸造成型薄壁、复杂、高精度的铝基复合材料铸件。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明将液态金属重熔，通入惰性气体进行保护，熔化后搅拌；铸型和坩锅分别置于上、下型腔中，密封后用真空精炼除气；精炼后对上、下型腔增压到初始同步压力，然后进行差压铸造升液充填，即逐渐增加下型腔的压力，将复合材料金属液沿反重力方向压入型腔，铸型充填完成后，结壳保压，然后上、下型腔同时加压，加压过程中保持上、下型腔压差恒定，使得铸件凝固环境迅速转为高压，铸件在高压下补缩、凝固，直至凝固结束。
复合材料在惰性气体保护下搅拌，搅拌时间为15-50min。惰性气体为N2或者Ar2。
复合材料采用抽真空精炼除气，具体是抽真空到-0.1Mpa时保持真空精炼，真空精炼时间15-60min。
精炼后对上、下型腔增压到初始同步压力，上、下型腔内的压力范围-0.1Mpa-10Mpa。
复合材料差压铸造升液充填时，上、下型腔内压差0.2-1atm，复合材料差压充填时间5-50s。
充填铸型完成后，在上、下型腔压差不变的情况下，上、下型腔同时加压到1-30atm，凝固保压时间为1-30min。
铸型充填完成后，增加了结壳保压阶段，保压时间1s-5s。
铝基复合材料熔体粘度高，温度对复合材料的流动性影响很敏感，用普通合金的铸造工艺成形很困难。按上述方法，复合材料在真空下精炼除气，代替传统的六氯乙烷除气，可以避免在除气过程中，大量的气泡在精炼熔体的时候把颗粒也一起带走，从而影响复合材料的性能。在小的同步压力P同步下充型，在高的压力下凝固，使得复合材料的成形阻力减少，而凝固时外界具有高的气压，可以得到组织致密的铸件。为了避免金属液在高的压力作用破坏型壁，并且考虑到复合材料熔体在充型时具有充型延迟现象而增加了结壳保压阶段，最终得到组织性能优异的复合材料铸件。
本发明将差压铸造的方法应用到原位铝基复合材料零件的制备中，解决了目前铝基复合材料存在的成型问题，该方法可以用于制备薄壁、复杂、高精度的铝基复合材料零件，铸件的表面和内部质量大大提高。复合材料差压铸造方法改善了由于增强体的引入造成的金属液粘度增大而带来的成型困难，提高了金属液的成型性能。在惰性气体下搅拌，避免氧化。用真空精炼除气替代常规除气，解决了复合材料常规方法除气时容易氧化的问题，并保护了基体中的陶瓷颗粒的含量和均匀分散。
图1为本发明方法原理中，P上是指上型腔压力，P下是指下型腔压力，P上保压是指上型腔高压保压时的压力，P下保压是指下型腔高压保压的压力，P常压是指常压(即1atm)，P同步是指充型前上、下型腔的共同压力，P同步还代表充型后，上型腔内的压力。
具体实施例方式
结合本发明的内容提供以下实施例实施例110wt.％TiB2原位颗粒增强ZL109复合材料的制备。
将10wt.％TiB2/ZL109复合材料锭料置入坩锅中重熔，通氮气进行保护，熔化后搅拌15min后，抽真空到-0.1Mpa时保持真空精炼，时间15min，精炼后，除去熔体表面的浮渣，安装铸型，盖上密封腔；在P上＝P下＝-0.1Mpa，充填铸型，在5s内压差升到0.4atm，结壳保压1s后，上、下型腔同步加压到P上保压＝8.1atm，P下保压＝8.5atm，压差恒定0.4atm，保压3min。制备出的材料T5态力学性能σb＝427Mpa；σ0.2＝399Mpa；δ＝1.5％；E＝95.9Gpa。(P上、P下、P上保压、P下保压的表示参见图1)实施例210wt.％TiC原位颗粒增强ZL101复合材料的制备。
将10wt.％TiC/ZL101复合材料锭料置入坩锅中重熔，通入氮气进行保护，熔化后搅拌50min后，抽真空到-0.1Mpa时保持真空精炼，时间45min，精炼后，除去熔体表面的浮渣，安装铸型，盖上密封腔；上、下型腔升压，在P上＝P下＝1atm时充填铸型，在18s内压差升到0.85atm，此时P上保压＝1atm，P下保压＝1.85atm，保压30min。制备出的材料的T6态力学性能σb＝372Mpa；σ0.2＝339Mpa；δ＝2.0％；E＝89.3Gpa。
实施例3(12wt.％TiB2+4wt.％TiC)原位颗粒增强ZL114复合材料的制备。
将(8wt.％TiB2+4wt.％TiC)/ZL114复合材料锭料置入坩锅中重熔，通入氮气进行保护，熔化后搅拌30min后，抽真空到-0.1Mpa时保持真空精炼，时间30min，精炼后，除去表面浮渣，安装铸型，盖上密封腔；上、下型腔升压，在P上＝P下＝P常压＝1atm时充填铸型，在50s内压差升到0.3atm，结壳保压1s后，上、下型腔同步加压到P上保压＝2.0atm，P下保压＝2.3atm，压差恒定0.3atm，保压10min。制备出的材料T5态力学性能σb＝325Mpa；σ0.2＝253Mpa；δ＝4.8％；E＝88.5Gpa。
实施例410wt.％TiB2原位颗粒增强ZL301复合材料的制备。
将10wt.％TiB2/ZL301复合材料锭料置入坩锅中重熔，通入氮气进行保护，熔化后搅拌15min后，抽真空到-0.1Mpa时保持真空精炼，时间55min，精炼后除浮渣，安装铸型，盖上密封腔；上、下升压，在P上＝P下＝1.5atm时充填铸型，在28s内压差升到0.5atm，结壳保压5s后，上、下型腔同步加压到P上保压＝3.0atm，P下保压＝3.5atm，压差恒定0.5atm，保压8min。制备出的材料T5态力学性能σb＝405Mpa；σ0.2＝337Mpa；δ＝5.5％；E＝90.5Gpa。
实施例510wt.％TiB2原位颗粒增强ZL109复合材料成形涡轮叶片的制备。
将10wt.％TiB2/ZL109复合材料锭料置入坩锅中重熔，通入氮气进行保护，熔化后搅拌25min，盖中隔板，抽真空到-0.1Mpa时保持真空精炼15min，除去熔体表面的浮渣，安装铸型，盖上密封腔；上、下型腔升压，在P上＝P下＝10atm时充填铸型，充填压力在12s时升到0.3atm，结壳保压3s后，上、下型腔同步加压到P上保压＝29.7atm，P下保压＝30atm，压差恒定0.3atm，保压1.5min，成功制备出表面光洁，尺寸精度高，最小壁厚1mm的涡轮叶片。
权利要求
1.一种原位铝基复合材料的差压铸造制备方法，其特征在于将液态金属重熔，通入惰性气体进行保护，熔化后搅拌；铸型和坩锅分别置于上、下型腔中，密封后用真空精炼除气；精炼后对上、下型腔增压到初始同步压力，然后进行差压铸造升液充填，即逐渐增加下型腔的压力，将复合材料金属液沿反重力方向压入型腔，铸型充填完成后，结壳保压，然后上、下型腔同时加压，加压过程中保持上、下型腔压差恒定，使得铸件凝固环境迅速转为高压，铸件在高压下补缩、凝固，直至凝固结束。
2.根据权利要求1所述的原位铝基复合材料的差压铸造制备方法，其特征是，在惰性气体保护下搅拌，搅拌时间15-50min。
3.根据权利要求1或者2所述的原位铝基复合材料的差压铸造制备方法，其特征是，惰性气体为N2或者Ar2。
4.根据权利要求1所述的原位铝基复合材料的差压铸造制备方法，其特征是，抽真空到-0.1Mpa时保持真空精炼，真空精炼时间15-60min。
5.根据权利要求1所述的原位铝基复合材料的差压铸造制备方法，其特征是，精炼后对上、下型腔增压到初始同步压力，上下型腔内的压力范围-0.1Mpa-10Mpa。
6.根据权利要求1所述的原位铝基复合材料的差压铸造制备方法，其特征是，差压铸造升液充填时，上下型腔内压差0.2-1atm，复合材料差压充填时间5-50s。
7.根据权利要求1所述的原位铝基复合材料的差压铸造制备方法，其特征是，充填铸型完成后，上、下型腔同时加压到1-30atm，凝固保压时间为1-30min。
8.根据权利要求1所述的原位铝基复合材料的差压铸造制备方法，其特征是，结壳保压时间1s-5s。
全文摘要
一种铸造技术领域的原位铝基复合材料的差压铸造制备方法，将液态金属重熔，通入惰性气体进行保护，熔化后搅拌；铸型和坩锅分别置于上、下型腔中，密封后用真空精炼除气；精炼后对上、下型腔增压到初始同步压力，然后进行差压铸造升液充填，即逐渐增加下型腔的压力，将复合材料金属液沿反重力方向压入型腔，充填铸型完成后，对上下型腔同时加压，加压过程中保持上、下型腔压差恒定，使得铸件凝固环境迅速转为高压，铸件在高压下补缩、凝固，直至凝固结束。本发明将差压铸造的方法应用到原位铝基复合材料铸件的制备中，解决了原位铝基复合材料薄壁、复杂和高精度铸件的成型问题。
文档编号B22D23/00GK1739893SQ200510029889
公开日2006年3月1日 申请日期2005年9月22日 优先权日2005年9月22日
发明者易宏展, 王浩伟, 马乃恒, 于敞 申请人:上海交通大学