大型低热膨胀金属模具复合电铸制造基础研究

In the areas of aviation, aerospace and others, large metal moulds with low thermal expansion coefficient are widely required for the manufacture and future development of the key large advanced composite components. In order to resolve the bottleneck problems in the machining of large metal mould,such as difficult monolithic machining, long production cycles, high cost and so on, a new composite electroforming technology is developed in this foundation to fabricate large metal matrix composite mould with low and even zero thermal expansion coefficient. In this technology, fine particles with negative thermal expansion coefficient are chosen as the reinforcing particles in the fabricated composite moulds, and bigger granules are blended with the reinforcing particles to increase the particles' performances of suspension and dispersion in the electroforming solution. The research is focused on the key scientific issues as the co-deposition mechanism of negative expansion particles and positive expansion metal, realization of steady suspension and uniform dispersion of the fine solid particles in the solution, effects of electric field on the uniform distribution of solid particles in the electroformed layers, as well as the effects of cathode movement on the process of particle co-deposition. The theoretical system will be established for the composite electroforming of metal matrix composite mould with low thermal expansion coefficient and the process laws will be comprehended. The theoretical and experimental bases will be settled for one-step integral electroforming of the large complex metal mould with high productivity and high quality.

本项目面向航空、航天等领域中大型先进复合材料关键结构件的制造和发展需求，为解决目前低热膨胀大型金属模具整体加工难度大、生产周期长、成本高等瓶颈问题，提出一种基于大颗粒混合微粒分散技术的负膨胀微粒复合电铸技术，选择具有负热膨胀系数的固体微粒与具有正热膨胀系数的金属进行复合电沉积，制备低膨胀乃至零膨胀金属基复合材料；采取大颗粒混合微粒分散技术提高电铸液中固体微粒的悬浮和分散性能，获得适用于大面积复杂形状模具型面的复合电铸技术。通过理论分析、仿真建模和试验研究，突破负热膨胀微粒与正膨胀金属的共沉积机理、电铸液中固体微粒稳定悬浮和均匀分散的实现方式、电场对固体微粒在电铸层内均匀分散的作用机理、阴极运动对固体微粒共沉积过程的影响等关键科学问题，初步建立低膨胀金属基复合材料模具复合电铸理论体系，掌握工艺规律，为实现大型、复杂金属模具型面的高效、高质量一次性整体电铸成形奠定理论和试验基础。

为满足以碳纤维增强树脂基复合材料为典型材质的大型高精度先进复合材料构件的制造需求，解决大型低热膨胀金属模具型面整体加工难题,本项目开展低热膨胀合金及金属基复合材料模具型面的电铸制造基础研究，取得了如下重要研究结果：.（1）以铜-钨酸锆（Cu/ZrW2O8）复合电铸为例，开展复合电铸基体铜材料的电铸研究，采用高酸低铜电铸液制备出抗拉强度256 MPa，延伸率31%，晶粒小于200nm的高性能铜基体材料；在此基础上，进行复合电铸方法试验研究，发现与传统复合电铸相比，冲液上砂复合、超声辅助及间歇埋砂等复合电铸方法制备的Cu/ZrW2O8复合电铸层具有微粒复合量高，显微硬度大，热膨胀系数低等优点。.（2）开展模具型面材料铁镍合金电铸研究，进行了游离微珠摩擦辅助、真空辅助及阴极旋转等电铸试验，结果表明：机械或物理辅助措施能直接影响铁镍合金电铸过程，从而改变了合金铸层的成分比、相结构、晶粒大小等，进而影响合金机械性能和热膨胀性能。通过调节温度、电流密度、真空度等工艺参数制备出热膨胀系数在6~13.3 × 10-6/℃（20~100℃）范围内可调的铁镍合金。.（3）开展模具型面材料Ni/ ZrW2O8复合电铸试验研究，发现微粒复合量的变化对镍基复合电铸层的热膨胀系数影响较大。通过调节微粒复合量可以制备出热膨胀系数宽域可调的镍基复合电铸层，低复合量时铸层的平均热膨胀系数在20~60×10-6/ ℃之间；高微粒复合量时热膨胀系数在0~40×10-6/ ℃ (25-100 ℃)之间。.（4）开展模具型面材料Fe-Ni/ZrW2O8复合电铸研究，发现第二相微粒ZrW2O8的加入可以改变复合铸层的内应力，ZrW2O8微粒收缩与基体膨胀之间相互作用可以降低热膨胀系数，电铸出试样的平均热膨胀系数4×10-6/℃ (20-100 ℃)。.本项目还开展了典型模具型面电铸成形基础研究，通过阳极优化和小间隙电铸方法提高阴极表面电场分布和电铸层厚度均匀性，制造出典型薄壁型面缩比样件。研究成果为制备复合材料成形模具型面材料和实现大型金属模具型面一次性整体电铸成形奠定理论和方法基础，在航空航天等领域复合材料关键结构件的制造中具有重要应用价值。