CN220099145U - 一种连续SiC纤维增强Al基复合丝材的制造设备 - Google Patents

Abstract

一种连续SiC纤维增强Al基复合丝材的制造设备，包括机架及沿垂直方向从上到下依次安装在机架上的放丝机、超声波发生装置、加热装置、收丝机，所述加热装置包括熔铝炉、热电偶、超声波入口、纤维入口、纤维出口，所述放丝机和收丝机的右侧均设有定滑轮，所述放丝机右侧的定滑轮、纤维入口、纤维出口、收丝机右侧的定滑轮在垂直方向呈直线布设，所述待处理的SiC纤维的从放丝机右侧定滑轮导入，经加热装置的纤维入口穿过熔铝炉与熔铝炉中的铝液进行反应、再从纤维出口导出，经收丝机右侧的定滑轮收丝。本制造设备，采用垂直布局的方式布设，结构紧凑，能实现连续SiC纤维增强Al基复合丝材的制备。

Description

一种连续SiC纤维增强Al基复合丝材的制造设备

技术领域

本实用新型属于复合纤维制备领域，涉及一种连续SiC纤维增强Al基复合丝材的制造设备。

背景技术

SiC纤维增强Al基复合材料是以铝或铝合金为基体、SiC纤维为增强相的复合材料，具有高强度、高模量等优异的性能。现有技术中，SiC纤维增强Al基复合材料一般采用液相复合工艺制造，主要的方法有：熔融浸润法和压力浸渍法。由于碳化硅纤维与铝合金基体浸润性较差且发生界面反应，因此采用熔融浸润法和压力浸渍法制备碳化硅纤维增强铝基复合材料时，需要先在碳化硅纤维预制体表面进行镀层处理。由于镀层工艺效率低下，且熔融浸润法和压力浸渍法工艺对设备要求极高，成本高昂，且这两种方法只适合制备小尺寸的短切碳纤维增强铝基复合材料，难以实现连续SiC纤维增强Al基复合材料的制备。

现有技术中的SiC纤维增强Al基复合材料的制造设备也有采用超声辅助，利用液相浸渗法制备SiCf/Al预制丝，再用预制丝进行缠绕成型、热压成型等工艺可以实现大尺寸、复杂结构零件的制造。此设备及工艺可以较好地解决熔融浸润法和压力浸渍法存在的问题，实现连续SiC纤维增强Al基复合材料的制造，但仍存在以下问题：

1.制造设备采用水平结构布局，纤维需要外加预紧力实现较高的张力，维持纤维保持直线状态；在较小的张力状态下纤维处于松散状态在穿过各个部件时易与路线上的孔壁边缘发生剐蹭导致断丝。

2.由于高温和铝液对发射头的侵蚀作用，超声波频率随时间衰减且无法实时监控，导致采用该方法制备的预制丝质量不稳定，难以满足规模化生产的需求。

3.采用超声辅助法制备的预制丝的强度较低，只有1.0GPa。通过热压法制备成复合型材后，其强度只有800MPa。

实用新型内容

本实用新型为解决现有技术的不足，提供一种能实现碳化硅纤维与铝基良好结合，改善SiC纤维增强Al基复合丝材质量的连续SiC纤维增强Al基复合丝材的制造设备。

为实现上述目的，本实用新型提出了一种连续SiC纤维增强Al基复合丝材的制造设备，包括机架、放丝机、超声波发生装置、加热装置、收丝机，所述放丝机、超声波发生装置、加热装置、收丝机沿垂直方向按从上到下的顺序依次安装在机架上，所述加热装置包括熔铝炉、热电偶、超声波入口、纤维入口、纤维出口，所述熔铝炉内盛放有铝液，所述放丝机和收丝机的右侧均设有定滑轮，所述放丝机右侧定滑轮、纤维入口、纤维出口、收丝机右侧定滑轮在垂直方向呈直线布设，所述待处理的SiC纤维的从放丝机右侧定滑轮导出，从加热装置的纤维入口导入、穿过熔铝炉与熔铝炉中的铝液进行反应、经收丝机右侧的定滑轮收丝。

本实用新型提供的一种连续SiC纤维增强Al基复合丝材的制造设备，各部分结构采用垂直布局的方式布设，结构更加紧凑，SiCf/Al预制丝制备过程中，

SiC纤维在不施加外力的情况下便可处于自然垂直状态，可以有效避免水平结构纤维弯折带来的损伤，SiC纤维容易通过垂直布设的纤维入口进入熔铝炉内与铝液进行反应，能实现在较小的拉力下通过铝液；同时垂直布局能使制造过程中SiC纤维张力更容易控制，既不会因为张力过小，纤维弯曲；也可避免张力过大，导致纤维间隙小使得铝液渗入不充分；制备的复合材料满足沿单一方向发生冷却凝固，在重力和表面张力的协同作用下，下部铝液凝固收缩时可以得到上部铝液的补充，有效减少了凝固缩孔的产生，从而制备出组织均匀，增强纤维与基体结合良好的碳化硅纤维增强铝基复合材料，可以提高SiC纤维增强Al基复合丝材的强度。

优选的，所述纤维出口处安装有氧化铝陶瓷塞，所述氧化铝陶瓷塞能实现碳化硅纤维从纤维出口顺利导出，而不会导致铝液从熔铝炉内流出。

优选的，所述超声波发生装置由超声波控制电源、超声波换能器、超声波变幅杆和超声波发射头组成，所述超声波发射头经超声波入口进入熔铝炉盛放的铝液内。

由于铝液对超声波发射头的侵蚀作用，超声波实际输出频率将随时间逐渐衰减，从而影响铝液浸润效果。本实用新型设置的超声波发生装置设置超声波换能器、超声波变幅杆、超声波发射头组成，可以实时监控超声装置的震动频率，通过超声波变幅杆能提供频率稳定可控的超声波，在当超声波发射头受铝液侵蚀而使频率衰减时，可以通过超声波变幅杆调节电信好，实现频率补偿，确保铝液对纤维浸润效果更好，提高SiCf/Al预制丝的质量。

优选的，所述加热装置上还设有氮气入口、氮气出口。

通过在加热装置上设置氮气入口、氮气出口，可以实现对对SiCf/Al预制丝制备时的熔铝炉内通入氮气，形成氮气微正压，有利于增强铝液对SiC纤维的浸润效果。

优选的，在加热装置熔铝炉内通入氮气，形成的压力范围为0.12MPa-3MPa。

优选的，在加热装置熔铝炉内通入氮气，形成氮气微正压的压力范围为0.12MPa-0.22MPa。

通过氮气微正压实现大气压略高的炉内气压，可以既起到保护作用也有加压促浸润效果。

优选的，超声波发射头深入熔铝炉内盛放的铝液液面下，实现超声搅拌铝液，增加铝液对纤维浸润效果。

优选的，所述放丝机上设有多个旋转轴，SiC纤维安装于放丝机旋转轴上，经过定位定滑轮垂直向下穿过熔铝炉，进入铝液中。

本实用新型提供的一种连续SiC纤维增强Al基复合丝材的制造设备，在超声液相浸渗法的基础上，加入氮气微正压的方法，可以增强铝液浸渗效果。

有益效果

(1)垂直方向安置设备各组件，结构紧凑，有效利用空间。纤维依靠自身重力便可保持笔直，可减少制造过程对纤维的损伤。相比于现有水平结构设置的SiC纤维增强Al基复合丝材制造设备，本实用新型采用垂直布局结构更加紧凑，纤维可自然垂直，可避免水平结构中纤维弯折带来的损伤。此外，垂直布局使得制造过程中纤维张力更容易控制，既不会因为张力过小，纤维弯曲；也可避免张力过大，纤维间隙小，而使得铝液渗入不充分。

(2)变频超声波发生装置，能够实时监控超声装置的震动频率，使得铝液对纤维浸润效果更好，且输出频率可控。

(3)熔铝炉内可施加0.12MPa-3 MPa的氮气正压。正压有助于提升纤维与铝合金的界面结合，从而进一步提升丝材的质量。

(4)通过此制造设备制备的复合材料满足沿单一方向发生冷却凝固，在重力和表面张力的协同作用下，下部铝液凝固收缩时可以得到上部铝液的补充，有效减少了凝固缩孔的产生，从而制备出组织均匀，增强纤维与基体结合良好的碳化硅纤维增强铝基复合材料。

附图说明

图1为一种连续SiC纤维增强Al基复合丝材制造设备的结构示意图；

图2为超声波发生装置的结构示意图；

图3为加热装置的结构示意图；

图4为加热装置的俯视图；

图5为纤维出口处氧化铝陶瓷塞的结构示意图。

附图标记：

1、放丝机；2、超声波控制电源；2-1、功率旋钮；3、超声波换能器；4、机架；5、超声波变幅杆；5-1、超声波发射头；6、加热装置；6-1、熔铝炉；6-2、氮气入口；6-3、热电偶；6-4、氮气出口；6-5、铝液；6-6、超声波入口；6-7、保温层；6-8、发热体；6-9、纤维出口；6-10、纤维入口；7、支撑架；8、收丝机。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1至图4所示，一种连续SiC纤维增强Al基复合丝材的制造设备，包括机架4、放丝机1、超声波发生装置、加热装置6、收丝机8；放丝机1、超声波发生装置、加热装置6、收丝机8沿垂直方向按从上到下的顺序依次安装在机架4上，加热装置6包括熔铝炉6-1、热电偶6-3、超声波入口6-6、纤维入口6-10、纤维出口6-9、发热体6-8、保温层6-7，加热装置至于机架4的支撑架7上，熔铝炉内盛放有铝液6-5，超声波发生装置由超声波控制电源2、超声波换能器3、超声波变幅杆5和超声波发射头5-1组成，超声波发射头5-1经超声波入口6-6进入熔铝炉盛放的铝液6-5内，并置于铝液液面下；放丝机1和收丝机8的右侧均设有定滑轮，放丝机右侧定滑轮、纤维入口6-10、纤维出口6-9、收丝机右侧定滑轮在垂直方向呈直线布设，机架4最上方固定放丝机1，放丝机上设有旋转轴，SiC纤维安装于放丝机旋转轴上，经过定滑轮垂直向下穿过机架，经熔铝炉6-1进入纤维入口6-10穿过熔铝炉6-1的铝液6-5进行反应、再从纤维出口6-9导出，纤维出口处安装有氧化铝陶瓷塞如图5所示，纤维穿过陶瓷塞上的通孔后，经收丝机8右侧的定滑轮收丝。

超声波控制电源2安装于机架4，超声波控制电源上设有功率旋钮2-1，能对超声功率进行旋转调节；超声波换能器3、变幅杆5及连接的超声波发射头5-1安装于熔铝炉6-1的正上方。熔铝炉6-1内配备带有热电偶6-3、超声波入口6-6、氮气入口6-2、氮气出口6-4，熔铝炉底部的纤维出口6-9且与熔铝炉炉盖的纤维入口6-10处于垂直方向同一对应位置。

收丝机8安装于机架底层，包括收卷轴及其上的收卷盘，收卷轴连接于旋转电机上。

采用本制造设备，组装好全部设备系统后，将碳化硅纤维通过系统放丝机，超声波发生装置、加热装置、收丝机后，在加热装置熔铝炉中碳化硅纤维与铝液进行反应，能实现在较小的拉力下通过铝液制备质量好的SiCf/Al预制丝。

实施例1：

步骤一：将碳化硅纤维卷安装于放丝机旋转轴上，纤维经放丝机定位滑轮穿过机架，从熔铝炉上的纤维入口进入，经熔铝炉炉底的纤维出口穿出，绕过收丝机上的定滑轮，连接于收卷盘上，在固定之前，先用测力计，对纤维施加10N的径向预紧力；

步骤二：从熔铝炉中加入铝料，开启氮气正压并加热升温融化铝料，热电偶实时测温，当温度达到730℃时，进入保温状态；

步骤三：将超声波发射探头伸入铝液中，调节发射频率为20KHZ，振幅10μm；

步骤四：开启收丝机，以恒定0.46m/min的速率放丝，纤维经过炉内铝液后，铝液浸润粘附其上，通过纤维出口直径1.0mm孔径塞孔后，铝液在空气中冷却凝固，最后经过定位滑轮被收纳在收卷盘上。

由此制备的SiCf/Al预制丝，纤维与基体结合强度好，表面光洁，可实现连续生产。采用金属丝材拉伸实验方法，依据HB-5177-81标准，测试预制丝拉伸强度可达1200Mpa，为基体Al的12倍，强度也高于采用超声辅助法或采用热压法制备的预制丝的强度。

Claims (8)

1.一种连续SiC纤维增强Al基复合丝材的制造设备，其特征在于，包括机架及沿垂直方向从上到下依次安装在机架上的放丝机、超声波发生装置、加热装置、收丝机，所述加热装置包括熔铝炉、热电偶、超声波入口、纤维入口、纤维出口，所述熔铝炉内盛放有铝液，所述放丝机和收丝机的右侧均设有定滑轮，所述放丝机右侧定滑轮、纤维入口、纤维出口、收丝机右侧定滑轮在垂直方向呈直线布设，所述放丝机上设有旋转轴，所述SiC纤维安装于放丝机旋转轴上，经过定滑轮垂直向下穿过机架，经熔铝炉进入纤维入口，穿过熔铝炉的铝液进行反应、再从纤维出口处的氧化铝陶瓷塞孔导出，经收丝机右侧的定滑轮收丝。

2.根据权利要求1所述的一种连续SiC纤维增强Al基复合丝材的制造设备，其特征在于，所述纤维出口处还设有氧化铝陶瓷塞。

3.根据权利要求1所述的一种连续SiC纤维增强Al基复合丝材的制造设备，其特征在于，所述超声波发生装置由超声波控制电源、超声波换能器、超声波变幅杆和超声波发射头组成，所述超声波发射头经超声波入口进入熔铝炉盛放的铝液内。

4.根据权利要求3所述的一种连续SiC纤维增强Al基复合丝材的制造设备，其特征在于，所述超声波发射头深入熔铝炉内盛放的铝液液面下。

5.根据权利要求1所述的一种连续SiC纤维增强Al基复合丝材的制造设备，其特征在于，所述加热装置上还设有氮气入口、氮气出口。

6.根据权利要求5所述的一种连续SiC纤维增强Al基复合丝材的制造设备，其特征在于，在加热装置熔铝炉内通入氮气，形成的压力范围为0.12MPa-3 MPa。

7.根据权利要求6所述的一种连续SiC纤维增强Al基复合丝材的制造设备，其特征在于，在加热装置熔铝炉内通入氮气，形成的压力范围为0.12MPa-0.22MPa。

8.根据权利要求1所述的一种连续SiC纤维增强Al基复合丝材的制造设备，其特征在于，所述加热装置还包括发热体和保温层，所述发热体一侧紧挨熔铝炉壁设置，另一侧紧贴保温层。