摘要：在航空航天、国防等高端领域，轻质高强的复合材料是关键。西北工业大学齐乐华教授团队的最新研究成果，为我们带来了一种全新的液固浸渗挤压成形工艺，制备出性能卓越的Cf/Al复合材料环形薄板件。本文将带您一探究竟，了解这项技术的革新之处。
导读
在航空航天、国防等高端领域，轻质高强的复合材料是关键。西北工业大学齐乐华教授团队的最新研究成果，为我们带来了一种全新的液固浸渗挤压成形工艺，制备出性能卓越的Cf/Al复合材料环形薄板件。本文将带您一探究竟，了解这项技术的革新之处。
铝合金在汽车、通信、电子、船舶、航天、航空等领域应用广泛。2020年，国内所使用的各种铝材料中，铝板材占比达到28.15%，其被广泛用于制造发动机叶片、机翼、蒙皮板以及大型整体壁板件等结构件。科技进步对装备性能提出了高速化、轻量化的要求，对板材的轻质、高强需求日益增加。铝基复合材料具有良好的高温性能、低密度、高强度以及简便的制备工艺，成为广泛应用的金属基复合材料。连续纤维增强铝基复合材料（Cf/Al）具有高强度、高比模量、低热膨胀系数等特点，在航空航天、国防等领域被用作战机、卫星等装备中小尺寸零部件的结构材料。大型Cf/Al复合材料板材的制备工艺复杂、成本高，限制了其推广应用。
目前，连续碳纤维增强铝基复合材料板件的制备工艺主要有真空压力浸渗、液固挤压浸渗、挤压铸造等。李阳等、李志文等以真空压力浸渗工艺为基础，在尺寸为ϕ250 mm×400 mm的浸渗室内制备了150 mm×150 mm的M50J/Al复合材料板件和高度为113 mm的T型结构的Cf/Al复合材料板件。陈宝林等采用直径为ϕ140 mm的挤压头进行液固浸渗挤压，制备了尺寸为73.5 mm×52.5 mm的异形板件。ROCHER J P等通过挤压铸造工艺将熔融的铝合金液压入碳纤维制成的预制体中，制成了连续碳纤维增强铝基复合材料。一些较为常见的合金材料制备工艺也被用来制备复合材料板件，如辊轧、热等静压。真空压力浸渗、辊铸、热等静压、挤压铸造和液固挤压浸渗等工艺方法在制备板件过程中，腔体、滚轮、挤压头的横截面积与板件的横截面积之比几乎都≥1，这表明现有的工艺方法制备的板件尺寸都较为依赖设备的尺寸，制备大尺寸板件时具有局限性。
本研究针对大型复合材料板材的制备难题提出新的解决思路，采用一种挤压头横截面积和板件横截面积比小于1的挤压工艺来制备连续碳纤维增强铝基复合材料的薄板环形件，为制备更大尺寸的复合材料板件提供新方法。
【研究亮点】
创新工艺：提出一种挤压头与板件截面积之比小于1的复合材料制备工艺方法，为大型复合材料板材的制备提供了新思路。
性能卓越：所制备的复合材料密度比基体合金降低了14.8%，抗拉强度提高了58%，达到了125 MPa。
工艺优化：通过试验优选了理想的复合制备工艺参数，包括浇注温度950℃，预热温度560℃，挤压力35 MPa。
【文章来源】
西北工业大学齐乐华教授团队在2024年第44卷第10期《特种铸造及有色合金》期刊上发表了题为“液固浸渗挤压成形Cf/Al复合材料环形薄板件工艺研究”的文章，作者提出一种挤压头与板件截面积之比小于1的复合材料制备工艺方法，对浸渗过程进行了分析，并探究了不同工艺参数对浸渗质量的影响。优选的工艺参数：浇注温度为950 ℃，预热温度为560 ℃、挤压压力为35 MPa。采用此参数制备了浸渗良好的环形薄板件。所制备的复合材料密度比基体合金降低了14.8%，抗拉强度为125 MPa，比基体提高了58%。
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【图文解析】
选取ZL111铝合金为基体，T700-12K碳纤维编制碳布作为增强体制备Cf/Al复合材料板件。挤压头直径为ϕ40 mm，下模内腔直径为ϕ100 mm。复合材料的制备工艺方法见图1。打开模具的上模，将熔融的Al液浇注到下模内，将上下模合紧后向上移动压头，使铝合金液向纤维预制体内进行浸渗，冷却之后形成复合材料。合金采用感应加热熔炼，浇注前手动扒渣，浇注过程中合金液沿着挤压筒壁倒入，降低浇注过程中的卷气程度。
图1复合材料环形薄板制备工艺流程
1.下模板2.压头3.支撑桶4.下模5.上模6.电加热棒7.铝合金液8.预制体9.石墨坩埚10.Cf/Al复合材料11.加热圈
采用CMT-5304电子万能试验机，按照ASTM D3552-96（07）标准测试材料力学性能，拉伸速率为0.5 mm/min。试样打磨抛光后，采用VEGA3-TESCAN型钨丝扫描电镜对材料的微观组织进行观察表征。碳纤维的体积通过排水法来进行测量。电子秤型号为幸运 FA2204N，精度为0.000 1 g。
图2液态合金的浸渗过程
图3不同浇注温度的实物图和微观组织
图4不同模具预热温度的实物图和微观组织
图5不同挤压力时实物图和微观组织
图6优化工艺参数制备的复合材料构件
图7复合材料性能
【主要结论】
新工艺方法：成功提出了一种压头面积与板件面积之比小于1的挤压工艺方法，并利用该方法制备了复合材料环形薄板件，制件内部组织浸渗良好。
性能提升：利用理想工艺参数制备的复合材料致密度达到了98%，密度相比基体合金降低了14.8%，抗拉强度达到了125 MPa，相比基体合金提高了58%。
【本文引用格式】
中文：贠康, 李小博, 周计明, 等.液固浸渗挤压成形Cf/Al复合材料环形薄板件工艺研究[J].特种铸造及有色合金，2024，44（10）：1 297-1 301.
英文：YUN K, LI X B, ZHOU J M, et al.Liquid-solid infiltration and extrusion of ring-shaped thin plate parts of Cf/Al composites[J].Special Casting & Nonferrous Alloys，2024，44（10）：1 297-1 301.
来源：特铸杂志
