一种具有预制缺陷的铝基复合材料无损检测标样的制备方法 |
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| 申请号 | CN202410048074.6 | 申请日 | 2024-01-12 | 公开(公告)号 | CN118045978A | 公开(公告)日 | 2024-05-17 |
| 申请人 | 哈尔滨工业大学; | 发明人 | 陈国钦; 杜虹宾; 王平平; 修子扬; 赵旗旗; 马媛媛; 武高辉; | ||||
| 摘要 | 一种具有预制 缺陷 的 铝 基 复合材料 无损检测 标样的制备方法，涉及一种无损检测标样制备方法。为了解决现有制备的复合材料的无损检测标样难以精确 定位 缺陷 位置 或易产生不可控制的缺陷的问题。制备方法：在 钢 模具底部铺SiC粉体振动夯实得到坯体，放置缺陷材料，然后重复数次铺SiC粉体、振动夯实和放置缺陷材料，进行压 力 浸渗。本 发明 无损检测标样能够用于根据缺陷材料与铝基复合材料的声速差异来体现缺陷的大小、形状信息。无损检测标样中的模拟缺陷精确模拟复刻了复合材料中存在的真实缺陷，缺陷的深度与大小可调控，采用GCr15钢珠便于精确定位缺陷位置，不会生成不可控制的缺陷，应用于复合材料缺陷的类型识别、缺陷大小的判定以及无损检测设备的标定。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种具有预制缺陷的铝基复合材料无损检测标样的制备方法，其特征在于：具有预制缺陷的铝基复合材料无损检测标样的制备方法按照以下步骤进行： |
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| 说明书全文 | 一种具有预制缺陷的铝基复合材料无损检测标样的制备方法技术领域[0001] 本发明涉及一种具有预制缺陷的铝基复合材料无损检测标样的制备方法。 背景技术[0002] 铝基复合材料具有低密度、高比刚度、热膨胀系数可调等特点，以及具有良好的的导电、导热性能、热稳定性等诸多优点，在航空、航天等领域展现了广阔的应用前景。高体份(45～60％)碳化硅增强铝基复合材料由于具有极高的比刚度、比强度、与轴承钢匹配的热膨胀系数、良好的热导率和低的密度、良好耐磨性和较高的尺寸稳定性，已在空间光学遥感器和惯性导航系统的精密零件中广泛应用，因此要求材料必须具有较高的可靠性。 [0003] 对于高体分碳化硅铝基复合材料，气孔、缩松与夹杂等缺陷对材料性能如强度和尺寸稳定性等有着重要影响，气孔、缩松等是铝基复合材料中常见的缺陷，其尺寸在微米至毫米级之间。因此开展无损检测研究将进一步提升对该新型材料缺陷的认识才能使其质量和可靠性得到保证。同时发展适用于碳化硅增强铝基复合材料的无损检测方法，对此种新型材料的优化设计、制备工艺优化、成品及服役期质量等具有重要意义。 [0004] 由于高体份碳化硅增强铝基复合材料的碳化硅含量高达45～60％，其材料内部碳化硅‑铝界面较多，且方向不一致，故而超声波在材料内部衰减较大，进而使得超声检测灵敏度较低。此外，高体份复合材料的声速变化范围较大，与市面上现有标准试样有一定差异，使用现有标准试样难以精确定位缺陷位置。 [0005] 国内外采用预埋塑料薄膜、聚四氟乙烯或石墨纸等制备无损检测标样，但对于使用挤压浸渗工艺制备的铝基复合材料来说，预埋的缺陷在高温下会分解或碳化，同时，在高温条件下，铝与碳反应生成有害相Al4C3，进而产生其它不可控制的缺陷，因此，对于铝基复合材料，需要一种新型的无损检测标样制备方法。 发明内容[0006] 本发明为了解决现有方法制备的碳化硅增强铝基复合材料的无损检测标样难以精确定位缺陷位置或易产生不可控制的缺陷的问题，提供一种具有预制缺陷的铝基复合材料无损检测标样的制备方法。 [0007] 本发明具有预制缺陷的铝基复合材料无损检测标样的制备方法按照以下步骤进行： [0008] 一、在钢模具的底部铺一层SiC粉体，然后对SiC粉体进行振动夯实得到坯体，在坯体的上表面放置若干缺陷材料，得到一层含有缺陷的预制体；以上一层含有缺陷的预制体为底，然后重复数次铺SiC粉体、振动夯实和放置缺陷材料，并在最上层覆盖SiC粉体并冷压，得到得到含有缺陷的预制体，将含有缺陷的预制体预热； [0009] 所述缺陷材料为不同粒径的GCr15钢珠； [0010] 二、将铝材料熔炼得到铝液； [0011] 所述熔炼工艺为：在温度为690～850℃的条件下熔炼2～8h，得到铝液； [0012] 三、采用压力浸渗的方法，将步骤二所得的铝液浇铸到盛有含有缺陷的预制体的模具中并进行压力浸渗，得到碳化硅体分数为40～55％的碳化硅增强铝基复合材料的无损检测标样； [0013] 所述浸渗工艺为：在压力为50～200MPa的条件下保压5～20min，空冷后，将材料脱模。 [0014] 本发明的原理和有益效果： [0015] 1、本发明的无损检测标样工艺简单且易实现。制备的碳化硅增强铝基复合材料无损检测标样缺陷大小、位置与深度可根据需求进行设计，且制备的标样与无缺陷的产品的致密度、声速等指标保持一致性，可重复性好。能够用于根据缺陷材料与铝基复合材料的声速差异来体现缺陷的大小、形状等信息。本发明制备的碳化硅增强铝基复合材料无损检测标样中的模拟缺陷精确模拟复刻了复合材料中广泛存在的真实缺陷，为对材料性能具有重要影响的缺陷。 [0016] 2、本发明的无损检测标样中缺陷的深度与大小可调控，采用GCr15钢珠便于精确定位缺陷位置，并且不会与铝反应生成其它不可控制的缺陷，能够应用于航空、航天等领域中碳化硅增强铝基复合材料缺陷的类型识别、缺陷大小的判定以及无损检测设备的标定。附图说明 [0017] 图1为实施例一碳化硅增强铝基复合材料的无损检测标样中预制缺陷示意图； [0018] 图2为实施例二碳化硅增强铝基复合材料的无损检测标样中预制缺陷示意图； [0019] 图3为实施例二碳化硅增强铝基复合材料的标样无损检测结果。 具体实施方式[0020] 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。 [0021] 具体实施方式一：本实施方式具有预制缺陷的铝基复合材料无损检测标样的制备方法按照以下步骤进行： [0022] 一、在钢模具的底部铺一层SiC粉体，然后对SiC粉体进行振动夯实得到坯体，在坯体的上表面放置若干缺陷材料，得到一层含有缺陷的预制体；以上一层含有缺陷的预制体为底，然后重复数次铺SiC粉体、振动夯实和放置缺陷材料，并在最上层覆盖SiC粉体并冷压，得到得到含有缺陷的预制体，将含有缺陷的预制体预热； [0023] 所述缺陷材料为不同粒径的GCr15钢珠； [0024] 二、将铝材料熔炼得到铝液； [0025] 所述熔炼工艺为：在温度为690～850℃的条件下熔炼2～8h，得到铝液； [0026] 三、采用压力浸渗的方法，将步骤二所得的铝液浇铸到盛有含有缺陷的预制体的模具中并进行压力浸渗，得到碳化硅体分数为40～55％的碳化硅增强铝基复合材料的无损检测标样； [0027] 所述浸渗工艺为：在压力为50～200MPa的条件下保压5～20min，空冷后，将材料脱模。 [0028] 本实施方式的原理和有益效果： [0029] 1、本实施方式的无损检测标样工艺简单且易实现。制备的碳化硅增强铝基复合材料无损检测标样缺陷大小、位置与深度可根据需求进行设计，且制备的标样与无缺陷的产品的致密度、声速等指标保持一致性，可重复性好。能够用于根据缺陷材料与铝基复合材料的声速差异来体现缺陷的大小、形状等信息。本实施方式制备的碳化硅增强铝基复合材料无损检测标样中的模拟缺陷精确模拟复刻了复合材料中广泛存在的真实缺陷，为对材料性能具有重要影响的缺陷。 [0030] 2、本实施方式的无损检测标样中缺陷的深度与大小可调控，采用GCr15钢珠便于精确定位缺陷位置，并且不会与铝反应生成其它不可控制的缺陷，能够应用于航空、航天等领域中碳化硅增强铝基复合材料缺陷的类型识别、缺陷大小的判定以及无损检测设备的标定。 [0031] 具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一所述振动夯实的工艺为：以10G的加速度下振动15次。 [0032] 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：步骤一所述冷压的压力为100～350MPa。 [0033] 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：步骤一所述预热工艺为：在550～680℃的条件下保温2～6h。 [0034] 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：步骤一所述SiC粉和钢珠在放置在钢模具内之前进行干燥处理。 [0035] 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：步骤二所述铝材料为1xxx系铝合金、2xxx系铝合金、3xxx系铝合金、4xxx系铝合金、5xxx系铝合金或6xxx系铝合金。 [0036] 具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤二所述熔炼工艺为：在温度为850℃的条件下熔炼3h，得到铝液。 [0037] 具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤三所述浸渗工艺为：在压力为100MPa的条件下保压10min，空冷后，将材料脱模。 [0038] 具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤三所述浸渗工艺为：在压力为200MPa的条件下保压5min，空冷后，将材料脱模。 [0039] 具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤一所述GCr15钢珠的直径为1.2～3.2mm。 [0040] 实施例1： [0041] 本实施例具有预制缺陷的铝基复合材料无损检测标样的制备方法按照以下步骤进行： [0042] 一、在钢模具的底部铺一层厚度50mm的SiC粉体，然后对SiC粉体进行振动夯实得到坯体，在坯体的上表面放置缺陷材料，得到一层含有缺陷的预制体；所述缺陷材料为直径3.2mm的GCr15钢珠； [0043] 在上一层含有缺陷的预制体为底，铺一层厚度20mm的SiC粉体，然后对SiC粉体进行冷压得到坯体，在坯体的上表面放置缺陷材料，得到一层含有缺陷的预制体；所述缺陷材料为直径2mm的GCr15钢珠； [0044] 在上一层含有缺陷的预制体为底，铺一层厚度20mm的SiC粉体，然后对SiC粉体进行冷压得到坯体，在坯体的上表面放置缺陷材料，得到一层含有缺陷的预制体；所述缺陷材料为直径1.2mm的GCr15钢珠； [0045] 最后在最上层覆盖厚度30mm的SiC粉体并冷压，得到含有缺陷的预制体，将含有缺陷的预制体预热； [0046] 所述振动夯实的工艺为：以10G的加速度下振动15次； [0047] 所述冷压的压力为150MPa； [0048] 所述预热工艺为：在550℃的条件下保温2h； [0049] 所述SiC粉、GCr15钢珠等在放置在钢模具内之前进行干燥处理； [0050] 二、将铝材料熔炼得到铝液； [0051] 所述熔炼工艺为：在温度为850℃的条件下熔炼4h，得到铝液； [0052] 所述的铝材为2024铝合金； [0053] 三、采用压力浸渗的方法，将步骤二所得的铝液浇铸到盛有含有缺陷的预制体的模具中并进行压力浸渗，得到高体分碳化硅增强铝基复合材料的无损检测标样； [0054] 所述浸渗工艺为：在压力为150MPa的条件下保压20min，空冷后，将材料脱模，得到碳化硅体分数为45％的复合材料的无损检测标样； [0055] 图1为实施例一碳化硅增强铝基复合材料的无损检测标样中预制缺陷示意图；本实施例制备的复合材料标样中人工模拟缺陷的形状、大小和位置均基本不变，与设计的缺陷完全一致。表1为实施例一制备的有缺陷复合材料力学性能，标样中缺陷以外的部分(人工缺陷标样中非缺陷位置)的致密度、均匀性、硬度和强度与采用相同工艺制备的无缺陷材料一致，没有受到预制缺陷的影响。 [0056] 表1 [0057] [0058] 实施例二： [0059] 本实施例具有预制缺陷的铝基复合材料无损检测标样的制备方法按照以下步骤进行： [0060] 一、在钢模具的底部铺一层厚度50mm的SiC粉体，然后对SiC粉体进行振动夯实得到坯体，再在坯体的上表面放置缺陷材料，得到一层含有缺陷的预制体；所述缺陷材料为直径2mm的GCr15钢珠；并在最上层覆盖70mmSiC粉体并在压力为200MPa下冷压，得到得到含有缺陷的预制体，将含有缺陷的预制体预热； [0061] 所述振动工艺为：以10G的加速度下振动15次 [0062] 所述预热工艺为：在650℃的条件下保温2h； [0063] 所述SiC粉、GCr15钢珠等在放置在钢模具内之前进行干燥处理； [0064] 二、将铝材料熔炼得到铝液； [0065] 所述熔炼工艺为：在温度为850℃的条件下熔炼2h，得到铝液； [0066] 所述铝材为纯铝棒材； [0067] 三、采用压力浸渗的方法，将步骤二所得的铝液浇铸到盛有含有缺陷的预制体的模具中并进行压力浸渗，得到高体分碳化硅增强铝基复合材料的无损检测标样； [0068] 所述浸渗工艺为：在压力为250MPa的条件下保压5min，空冷后，将材料脱模，得到碳化硅体分数为55％的复合材料的无损检测标样，预制缺陷直径为2mm，且距上表面深度为70mm。 [0069] 图2为实施例二碳化硅增强铝基复合材料的无损检测标样的预制缺陷位置示意图；图3为对所制备的标样进行超声检测结果，由图可知预制缺陷深度与超声检测结果基本吻合。表2为实施例二制备的有缺陷复合材料力学性能，标样中缺陷以外的部分(人工缺陷标样中非缺陷位置)的致密度、均匀性、硬度和强度与采用相同工艺制备的无缺陷材料基本一致，没有受到预制缺陷的影响。 [0070] 表2 [0071] |
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