本发明涉及一种超高强度复合材料结构件的制备装置与工艺，属于超高强度复合材料在电场辅助下的扩散连接装置及工艺技术领域。
背景技术：
一般的扩散连接是在一定的温度和压力下使待扩散表面相互接触，通过微观的塑性变形或通过两个面的紧密接触达到相互原子间的引力范围，形成金属件，达到扩散连接的作用。扩散连接一般分为三个阶段：物理接触阶段，接触表面的激活阶段，形成可靠接头的阶段。上述三个阶段是扩散连接过程的主要特征，其过程是相互交叉进行，最终在连接界面由于扩散、再结晶等形成固溶体及共晶体，从而形成可靠的连接。但是此过程应同时考虑界面生成物的性质，例如两种性能差别较大的金属，在加热的情况下长时间扩散时，界面极易生成脆性金属间化合物，从而影响连接件的质量。
扩散连接一般是在加热的情况下通过原子的相互扩散达到连接的目的，但加热时温度过高与温度不均匀等会造成连接件的质量较差的现象。因此如何保证相对较低温度的情况下，达到金属件的扩散连接的目的是如今研究的重点。
本发明提供了一种超高强度复合材料结构件的制备装置与工艺，根据扩散连接的原理以及电塑性的特征，改善了其扩散连接工艺；本发明装置结构简单、绝缘性好，成形稳定精确，同时利用冷却水套使得温度平衡，降低温度波动对材料的影响，得到优等的超高强度复合材料，从而提高产品的表面质量、力学性能以及使用寿命。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种超高强度复合材料结构件的制备装置与工艺，以提高两种材料在不同情况下扩散连接的可能性，制备出超高强度的结构件，进而达到减少工程上螺栓的使用。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种超高强度复合材料结构件的制备装置，包括轴和分别固定材料i和材料ⅱ、且能够开合的上模和下模，所述上模通过上垫板与上座固定连接，所述下模通过下垫板与底座固定连接；所述上垫板的下端中心设有放置铜电极的孔，所述铜电极与脉冲电源的正极相连；所述底座中部设有通孔且通孔的下部设有推力球轴承、上部设有下垫板，所述下垫板设置为t型且其垂直端部分设置于底座的通孔中，所述下垫板的垂直端中部设有轴孔、水平端中心设有铜电极孔，且铜电极孔内设有与脉冲电源负极相连的铜电极；所述轴的一端穿过推力球轴承通过键与下垫板的轴孔连接，且其另一端与动力装置连接；所述上垫板、上模、下垫板和下模外套设有冷却水套。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述下垫板上方设有下模并通过塑料螺钉固定连接，且二者之间设有绝缘纸，所述下模上端中心设有放置试验材料的型腔且其内部装有材料ⅱ，所述材料ⅱ的上表面与材料i的下表面紧密贴合，所述材料i设置于上模的型腔中。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述上模的一侧内部设有放置热电偶的通孔，所述热电偶连接有监测扩散连接工作时温度的温度传感器；所述上模的上方设有上垫板并通过塑料螺钉固定连接，且二者之间设有绝缘纸，所述上垫板的上方设有上座且通过螺钉固定连接。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述下垫板内的铜电极外围套有高强度陶瓷套筒且高强度陶瓷套筒与下垫板之间设有用于铜电极与下垫板绝缘的绝缘纸，所述高强度陶瓷套筒与材料ⅱ之间设有能够通电和防止铜电极与材料ⅱ扩散的石墨纸；所述下垫板内设有容纳电极导线的通道。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述上垫板内的铜电极外围套有高强度陶瓷套筒且高强度陶瓷套筒与上垫板之间设有绝缘纸，所述绝缘纸上设置有连接压力传感器的应变片，所述高强度陶瓷套筒与材料i之间设有石墨纸，所述上垫板内设有容纳电极导线的通道。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述上模和下模的型腔根据实际生产的需要进行设置。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述动力装置包括锥齿轮，所述锥齿轮通过减速器与电机连接。
一种超高强度复合材料结构件的制备工艺，包括如下步骤：
a、将扩散连接的材料i、材料ⅱ表面进行精密加工；
b、超高强度复合材料结构件的制备装置起始处于开模状态，将上座、上垫板和上模装在压力机活动横梁的上模面上，同时将下模、下垫板和底座装在压力机的工作台面上；
c、将材料i、材料ⅱ与上模、下模接触的部分填涂绝缘染料，并将材料i、材料ⅱ分别放置在上模、下模中；套上冷却水套，然后将水管分别与冷却水套的进水管和出水管相连；待温度稳定后，启动压力机进行合模，同时监测压力值，待加压至指定压力时，打开电机，控制下垫板先顺时针旋转90°后再逆时针转回原位，打开脉冲电源，电流由材料i流至材料ⅱ，进行二者材料的扩散连接，制备出超高强度复合材料结构件。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述材料i和材料ⅱ加工后其表面轮廓的算数平均偏差为（0.8~1.6）×10-4cm；
本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤c的扩散连接温度为20-700℃、压力为1-100gpa；
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术效果有：
本发明结构简单，同时绝缘性好，成形稳定精确，同时利用冷却水套使得温度平衡，降低温度波动对材料的影响，得到优等的超高强度复合材料，从而提高产品的表面质量、力学性能以及使用寿命。
本发明根据扩散连接的原理以及电塑性的特征，改善了其扩散连接工艺，制备出超高强度的结构件，进而达到减少工程上螺栓使用的目的。
本发明利用脉冲电流实现扩散连接的可能性，加入冷却水道使得温度平衡，降低温度波动对材料的影响；同时利用高强度陶瓷以及绝缘纸能够更好的保证模具的强度前提下，同时确保了装置的安全性；利用传动装置能够更好的使得两种材料相贴合，实现保压的前提下能更利于二者的扩散连接；加入石墨纸能够保证两种材料的导电的前提下，同时也可以防止铜电极与材料的扩散。
本发明利用加压以及电场辅助的方法，改善现有的高温扩散连接的技术手段，使得材料在较低的温度下也能够实现扩散连接的可能性。
附图说明
图1是本发明超高强度复合材料结构件制备装置结构示意图；
其中，1、底座，2、冷却水套，3、下垫板，4、塑料螺钉，5、下模，6、上模，7、上垫板，8、上座，9、应变片，10、绝缘纸，11、高强度陶瓷套筒，12、石墨纸，13、铜电极，14、热电偶，15、，16、材料ⅱ，17、平键，18、轴，19、推力球轴承，20、锥齿轮，21、压力传感器，22、温度传感器，23、脉冲电源，24、减速器，25、电机。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种超高强度复合材料结构件的制备装置，如图1所示，包括上座8、上垫板7、上模6、铜电极13、高强度陶瓷套筒11、应变片9、热电偶14、绝缘纸10、石墨纸12、下垫板3、下模5、底座1、冷却水套2、推力球轴承19、轴18、锥齿轮20、减速器24、电机25、脉冲电源23、压力传感器21和温度传感器22。
如图1所示，所述底座1的中部设有通孔且通孔的下部设有推力球轴承19、上部设有下垫板3，所述下垫板3设置为t型且其垂直端部分设置于底座1的通孔中；所述下垫板3的垂直端中部设有轴孔、水平端中心设有铜电极孔，所述轴18的一端穿过推力球轴承19通过键17与下垫板3的轴孔连接，且其另一端与锥齿轮20连接，所述锥齿轮20通过减速器24与电机25连接，电机25、减速器24与轴18通过锥齿轮20进行传动，同时带动下垫板3转动。
如图1所示，所述下垫板3的铜电极孔内设有与脉冲电源23负极相连的铜电极13，连接导线设置于下垫板3内的电极导线通道中，且铜电极13外围套有高强度陶瓷套筒11且高强度陶瓷套筒11与下垫板3之间设有绝缘纸10，以避免铜电极与下垫板3之间有导电现象。所述高强度陶瓷套筒11与材料ⅱ16之间设有石墨纸12，在扩散连接工作时，石墨纸12既可以防止铜电极13与材料ⅱ16扩散，影响复合材料的制备，同时也可以达到通电的作用；下垫板3上方设有下模5且二者通过塑料螺钉4固定连接，下垫板3和下模5之间设有绝缘纸10，以避免导电。
所述下模5上端中心设有放置试验材料的型腔且其内部装有材料ⅱ16，所述材料ⅱ16的上表面与材料i15的下表面紧密贴合，所述材料i15设置于上模6的型腔中；所述上模6的一侧内部设有放置热电偶14的通孔，所述热电偶14连接温度传感器22，用于监测扩散连接工作时的温度。所述上模6的上方设有上垫板7且二者之间通过塑料螺钉4固定连接并设有避免导电现象的绝缘纸10。所述上垫板7的下端中心设有放置铜电极13的孔，所述铜电极13与脉冲电源23的正极相连，连接导线设置于上垫板7内的电极导线通道中。所述铜电极13外围套有高强度陶瓷套筒11且高强度陶瓷套筒11与上垫板7之间设有绝缘纸10，所述绝缘纸10上设置有连接压力传感器21的应变片9，用于测定扩散工作时的压力大小。所述高强度陶瓷套筒11与材料i15之间设有石墨纸12，用于防止铜电极13与材料i15扩散，影响复合材料的制备，同时也可以达到通电的作用。所述上垫板7的上方设有上座8且二者通过螺钉固定连接。
如图1所示，所述上垫板7、上模6、下垫板3和下模5外套设有冷却水套2使得温度平衡，降低温度波动对材料的影响，且冷却水套2套的一侧下端设有进水口，另一侧上端设有出水口。
本实施例超高强度复合材料结构件的制备工艺步骤如下：
本实施例超高强度复合材料结构件的制备装置起始处于开模状态，将上座8、上垫板7、上模6装在压力机活动横梁的上模面上，同时将下模5、下垫板3、下座1装在压力机上的工作台面。将扩散连接材料i15、材料ⅱ16表面进行精密加工，使其表面轮廓算数平均偏差为（0.8~1.6）×10-4cm，将材料i15、材料ⅱ16与上模6、下模5接触的部分填涂绝缘染料，将材料i15、材料ⅱ16分别放置在上模6、下模5中；套上冷却水套2，然后将水管分别与冷却水套2的进水管和出水管相连；待温度稳定后，启动压力机进行合模，同时监测压力值，待加压至指定压力时，打开电机，控制下垫板3先顺时针旋转90°后再逆时针转回原位，打开脉冲电源，电流由材料15流至材料16，进行二者材料的扩散连接，制备出超高强度复合材料结构件。
实施例1：
步骤一：试验材料为mo合金以及ti6al4v合金，毛坯尺寸为φ20×50mm；将连接表面依次用150#、400#、800#、1500#、2000#的砂纸磨亮，然后用al2o3粉末抛光，获得近镜面平面。
步骤二：将上座8、上垫板7、上模6装在压力机活动横梁的上模面上，同时将下模、下垫板、下座部分装在压力机的工作台面上；
步骤三：将材料mo合金、ti6al4v合金与上模、下模接触的部分填涂绝缘染料，将材料分别放置在上模、下模中；套上冷却水套，然后将水管分别与冷却水套的进水管和出水管相连；
利用热电偶进行测温，待温度稳定为20℃，启动压力机进行合模，速度为10mm/s，同时利用应变片监测压力值，计算得出压力为1.2gpa。
打开电机，控制下垫板先顺时针旋转90°后再逆时针转回原位，反复进行3次后关闭电机，保持压力机压力为1.2gpa；
打开脉冲电源，设置脉冲电源参数，峰值电流5000a，电流密度为25a/mm2，频率800hz，通电保持30min；
压力电辅助扩散连接结束后，关闭脉冲电源、冷却水循环装置以及压力机设备。
最终实验结果表明，其扩散层可达到6.1μm，并且没有微裂纹的产生，获得了质量良好的超高强度连接接头。
实施例2：
步骤一：试验材料为60si2mn钢以及wcu10钨铜合金，毛坯尺寸为φ15×50mm；将连接表面依次用150#、400#、800#、1500#、2000#的砂纸打磨并且抛光，之后再对其进行酸洗，最后将其置于酒精溶液中利用超声波进行清洗，并且吹干，获得近镜面平面。
步骤二：将上座8、上垫板7、上模6装在压力机活动横梁的上模面上，同时将下模、下垫板、下座部分装在压力机的工作台面上；
步骤三：将材料60si2mn钢、wcu10钨铜合金与上模、下模接触的部分填涂绝缘染料，将材料分别放置在上模、下模中；套上冷却水套，然后将水管分别与冷却水套的进水管和出水管相连；
利用热电偶进行测温，待温度稳定为20℃，启动压力机进行合模，速度为10mm/s，同时利用应变片监测压力值，计算得出压力为2gpa。
打开电机，控制下垫板先顺时针旋转90°后再逆时针转回原位，反复进行2次后关闭电机，保持压力机压力为2gpa；
打开脉冲电源，设置脉冲电源参数，峰值电流5000a，电流密度为20a/mm2，频率700hz，通电保持1h；
压力电辅助扩散连接结束后，关闭脉冲电源、冷却水循环装置以及压力机设备。
最终实验结果表明，其扩散层可达到11μm，其硬度上升了150hv，各接头结合紧密，无开裂等缺陷，获得了质量良好的超高强度连接接头。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“内”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须就具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明指示用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
1.一种超高强度复合材料结构件的制备装置，其特征在于：包括轴（18）和分别固定材料i（15）和材料ⅱ（16）、且能够开合的上模（6）和下模（5），所述上模（6）通过上垫板（7）与上座（8）固定连接，所述下模（5）通过下垫板（3）与底座（1）固定连接；所述上垫板（7）的下端中心设有放置铜电极（13）的孔，所述铜电极（13）与脉冲电源（23）的正极相连；所述底座（1）中部设有通孔且通孔的下部设有推力球轴承（19）、上部设有下垫板（3），所述下垫板（3）设置为t型且其垂直端部分设置于底座（1）的通孔中，所述下垫板（3）的垂直端中部设有轴孔、水平端中心设有铜电极孔，且铜电极孔内设有与脉冲电源（23）负极相连的铜电极（13）；所述轴（18）的一端穿过推力球轴承（19）通过键（17）与下垫板（3）的轴孔连接，且其另一端与动力装置连接；所述上垫板（7）、上模（6）、下垫板（3）和下模（5）外套设有冷却水套（2）。
2.根据权利要求1所述的一种超高强度复合材料结构件的制备装置，其特征在于：所述下垫板（3）上方设有下模（5）并通过塑料螺钉（4）固定连接，且二者之间设有绝缘纸（10），所述下模（5）上端中心设有放置试验材料的型腔且其内部装有材料ⅱ（16），所述材料ⅱ（16）的上表面与材料i（15）的下表面紧密贴合，所述材料i（15）设置于上模（6）的型腔中。
3.根据权利要求1所述的一种超高强度复合材料结构件的制备装置，其特征在于：所述上模（6）的一侧内部设有放置热电偶（14）的通孔，所述热电偶（14）连接有监测扩散连接工作时温度的温度传感器（22）；所述上模（6）的上方设有上垫板（7）并通过塑料螺钉（4）固定连接，且二者之间设有绝缘纸（10），所述上垫板（7）的上方设有上座（8）且通过螺钉固定连接。
4.根据权利要求1所述的一种超高强度复合材料结构件的制备装置，其特征在于：所述下垫板（3）内的铜电极（13）外围套有高强度陶瓷套筒（11）且高强度陶瓷套筒（11）与下垫板（3）之间设有用于铜电极（13）与下垫板（3）绝缘的绝缘纸（10），所述高强度陶瓷套筒（11）与材料ⅱ（16）之间设有能够通电和防止铜电极（13）与材料ⅱ（16）扩散的石墨纸（12）；所述下垫板（3）内设有容纳电极导线的通道。
5.根据权利要求1所述的一种超高强度复合材料结构件的制备装置，其特征在于：所述上垫板（7）内的铜电极（13）外围套有高强度陶瓷套筒（11）且高强度陶瓷套筒（11）与上垫板（7）之间设有绝缘纸（10），所述绝缘纸（10）上设置有连接压力传感器（21）的应变片（9），所述高强度陶瓷套筒（11）与材料i（15）之间设有石墨纸（12），所述上垫板（7）内设有容纳电极导线的通道。
6.根据权利要求1所述的一种超高强度复合材料结构件的制备装置，其特征在于：所述上模（6）和下模（5）的型腔根据实际生产的需要进行设置。
7.根据权利要求1所述的一种超高强度复合材料结构件的制备装置，其特征在于：所述动力装置包括锥齿轮（20），所述锥齿轮（20）通过减速器（24）与电机（25）连接。
8.一种超高强度复合材料结构件的制备工艺，其特征在于：包括如下步骤：
a、将扩散连接的材料i（15）、材料ⅱ（16）表面进行精密加工；
b、超高强度复合材料结构件的制备装置起始处于开模状态，将上座（8）、上垫板（7）和上模（6）装在压力机活动横梁的上模面上，同时将下模（5）、下垫板（3）和底座（1）装在压力机的工作台面上；
c、将材料i（15）、材料ⅱ（16）与上模（6）、下模（5）接触的部分填涂绝缘染料，并将材料i（15）、材料ⅱ（16）分别放置在上模（6）、下模（5）中；套上冷却水套（2），然后将水管分别与冷却水套（2）的进水管和出水管相连；待温度稳定后，启动压力机进行合模，同时监测压力值，待加压至指定压力时，打开电机，控制下垫板（3）先顺时针旋转90°后再逆时针转回原位，打开脉冲电源，电流由材料i（15）流至材料ⅱ（16），进行二者材料的扩散连接，制备出超高强度复合材料结构件。
9.根据权利要求7所述的一种超高强度复合材料结构件的制备工艺，其特征在于：所述材料i（15）和材料ⅱ（16）加工后其表面轮廓的算数平均偏差为（0.8~1.6）×10-4cm。
10.根据权利要求7所述的一种超高强度复合材料结构件的制备工艺，其特征在于：所述步骤c的扩散连接温度为20-700℃、压力为1-100gpa。
技术总结