一種半固態攪拌製備複合材料的製備裝置及製備方法
2023-06-02 09:46:26 3
一種半固態攪拌製備複合材料的製備裝置及製備方法
【專利摘要】本發明提供一種半固態攪拌製備複合材料的製備方法，所述方法包括以下步驟：首先將基體合金坯料放入製備坩堝內，加熱使基體合金坯料熔化，打渣；熔化到預定溫度後，加大惰性氣體壓力，利用惰性氣體對合金熔體進行除氣處理；再降低合金溫度到液相線溫度以上10-30℃，開啟電磁攪拌器，調整參數；將增強體粉末材料放入儲存罐內，開啟存儲罐開關；送粉完畢後，關閉存儲罐開關；複合材料製備完畢後，關閉電磁攪拌器，將製備的複合材料傾倒入模具中，獲得合格的複合材料；然後關閉氣瓶開關。
【專利說明】一種半固態攪拌製備複合材料的製備裝置及製備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於金屬材料加工【技術領域】，涉及一種半固態攪拌製備複合材料的裝置及方法。
【背景技術】
[0002]複合材料由於具有高比強、高比剛、高耐磨、低熱膨脹及優良的減震性能尺寸穩定性等優異的綜合性能，是航空航天、汽車製造等領域關鍵零部件輕量化、高性能化的理想材料，具有巨大的應用潛力廣闊和廣闊的市場前景。
[0003]目前，複合材料的製備方法主要有固態製備技術、液態製備技術以及半固體製備技術。
[0004]固態製備技術主要包括粉末冶金法、熱壓和熱等靜壓技術，以及熱軋/熱擠壓技術。固態製備技術製備的鋁基複合材料綜合性能良好，可以實現體積質量差大的金屬與粒子的複合，可製備高體分顆粒增強的複合材料，但是該方法工藝複雜，流程長，製備成本較聞。
[0005]液態製備技術主要包括液態金屬攪拌製備技術、噴射沉積技術以及擠壓鑄造技術等。噴射沉積法製備的複合材料中增強相體積分數可任意調節，增強體粒度也不用限制，可獲得晶粒細小的複合材料，但是該方法製備的複合材料製品尺寸受限，製備成本也較高。液態金屬機械攪拌法是通過攪拌器的旋轉運動使增強材料均勻分布在金屬熔體中，然後澆注成型。此法所用設備簡單，操作方便，但增強顆粒不易與基體材料混合均勻，且材料的吸氣較嚴重。擠壓鑄造技術是將增強材料製成預製件，放入型腔中，然後利用壓力機將液態金屬壓入其中，凝固後得到所需的複合材料，擠壓鑄造技術所需設備低廉、工藝簡單、生產周期短，但是由於擠壓鑄造壓力很大，因此需要所制的預製件承受很高的強度，且需保證預製件的空隙度。
[0006]半固態攪拌技術就是把基體金屬加入到液相線和固相線之間的適當溫度進行攪拌。利用半固態合金熔體的觸變性，在粘度不大的固液二相熔體中，一邊攪拌一邊加入增強相，利用半固態合金熔體的包裹和夾帶作用，使增強相顆粒得到均勻的分散。然後升高到適當溫度進行澆注，就可得到增強相分布均勻的複合材料。此方法工藝簡單、操作方便。被認為是一種很有發展前途的複合材料製備方法。但是，該方法也必須解決增強體顆粒與鋁熔體的潤溼性和增強體顆粒在鋁熔體中的均勻分散等技術問題，且攪拌裝置汙染合金熔體等難題。
【發明內容】
[0007]針對半固態攪拌技術存在的上述關鍵技術問題。本方案提出了一種半固態攪拌製備複合材料的裝置及方法。
[0008]為實現上述目的，本發明所提供的技術方案為:一種半固態攪拌製備複合材料的製備方法，所述方法包括以下步驟: (1)將基體合金坯料放入製備坩堝內，加熱使基體合金坯料熔化，熔化溫度在合金液相線溫度以上30-100°C，打渣，為防止鋁合金堵塞送粉器噴嘴，在合金熔體熔化之前，打開氣瓶，調整惰性氣體壓力，使合金熔體惰性氣體的保護下熔化，有效防止其氧化；
(2)熔化到預定溫度後，加大惰性氣體壓力，利用惰性氣體對合金熔體進行除氣處理；
(3)降低合金溫度到液相線溫度以上10-30°C，開啟電磁攪拌器，調整參數，使合金熔體在電磁攪拌力作用攪動，同時下降擋板至熔體中，使熔體液面平整；
(4)將增強體粉末材料放入儲存罐內，開啟存儲罐開關，調整惰性氣體壓力，增強體粉末材料通過送粉器噴嘴高速噴入合金熔體中；
(5)送粉完畢後，關閉存儲罐開關，此時，合金熔體溫度處於半固態溫度區間，調整惰性氣體壓力和電磁攪拌器參數，使合金熔體內部繼續在電磁攪拌力和惰性氣體共同作用下發生強烈的攪拌，促進顆粒增強相的分散和均勻分布；
(6)複合材料製備完畢後，關閉電磁攪拌器，快速升高熔體溫度到合適的澆注溫度，在惰性氣體的保護下，將製備的複合材料傾倒入模具中，獲得合格的複合材料；然後關閉氣瓶開關。
[0009]完成上述方法所採用的製備裝置，它包括有溫控器、保溫系統、加熱器、製備室、送粉器、電磁攪拌器、擋板、製備室蓋、氣瓶、儲存罐、氣瓶閥門、管道、噴嘴，其中，製備室套裝在保溫系統內，製備室與保溫系統之間預留一定距離形成加熱腔，加熱腔內設有加熱器，製備室與保溫系統頂部設有製備室蓋，製備室蓋一側設有延伸至製備室內的擋板，另一側設有延伸至製備室內的溫控器；保溫系統外周面上設有電磁攪拌器，製備室內腔底部設有送粉器，所述的送粉器內部為中空，外壁為螺旋形狀，其外壁螺旋壁上設有噴嘴，噴嘴隨外壁形狀呈螺旋形分布，並與送粉器內部相通，送粉器底部穿過保溫系統與管道一端連接，管道另一端分別與氣瓶、儲存罐相連接，氣瓶、儲存罐出口處分別設有氣瓶閥門和儲存罐閥門。
[0010]所述的送粉器外壁形狀也呈螺旋形分布，螺距20mm，螺紋深20mm，在螺紋底部、螺紋側壁、螺紋頂部分別呈圓周排列設置六個噴嘴，噴嘴之間均勻分布，且螺紋底部、螺紋側壁、螺紋頂部的噴嘴交錯設置。
[0011]所述的電磁攪拌器為螺旋式結構，纏繞在保溫系統外周面上。
[0012]所述的氣瓶盛放的氣體為氬氣、氦氣、氖氣、氪氣、氙氣惰性氣體。
[0013]所述的存儲罐內為粉狀SiC粉末，粒度為10-25微米。
[0014]上述裝置和方法適合於鋁基複合材料、鎂基複合材料、銅基複合材料、鐵基複合材料、鋅基複合材料、鎳基複合材料、鈷基複合材料、鈦基複合材料等複合材料的製備。
[0015]與現有技術相比，本發明的優點在於:
(I)採用電磁力作為攪拌外力，可有效避免機械攪拌導致的攪拌杆材料汙染合金熔體的不利影響，製備的複合材料純淨，質量高。
[0016](2)送粉器的設計可顯著促進增強體材料在合金熔體中的均勻分布，避免增強體材料在液面上漂浮、粘附製備室內壁、分布不均勻等現象。
[0017](3)環形製備室的設計可大大改善合金熔體的攪拌效果，強化紊流流動，促進增強體的分散和均勻分布。
[0018](4)結構簡單，投資成本低。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1為本發明的整體結構示意圖。
[0020]圖2、圖3為本發明的送粉器結構示意圖。
【具體實施方式】
[0021]下面結合所有附圖對本發明作進一步說明，本發明的較佳實施例為:半固態攪拌製備複合材料的製備裝置包括有溫控器1、保溫系統2、加熱器3、製備室4、送粉器5、電磁攪拌器6、擋板7、製備室蓋8、氣瓶9、儲存罐10、氣瓶閥門11、管道13、噴嘴14，其中，製備室4套裝在保溫系統2內，製備室4與保溫系統2之間預留一定距離形成加熱腔，加熱腔內設有加熱器3，製備室4與保溫系統2頂部設有製備室蓋8，製備室蓋8 一側設有延伸至製備室4內的擋板7，另一側設有延伸至製備室4內的溫控器I ;保溫系統2外周面上設有電磁攪拌器6，本實施例的電磁攪拌器6為螺旋式結構，纏繞在保溫系統2外周面上。製備室4內腔底部設有送粉器5，所述的送粉器5內部為中空，外壁為螺旋形狀，其外壁螺旋壁上設有噴嘴14，噴嘴14隨外壁形狀呈螺旋形分布，並與送粉器5內部相通，本實施例的送粉器5外壁螺距為20mm，螺紋深20mm，在螺紋底部、螺紋側壁、螺紋頂部分別呈圓周排列設置六個噴嘴14，噴嘴14之間均勻分布，且螺紋底部、螺紋側壁、螺紋頂部的噴嘴交錯設置。送粉器5底部穿過保溫系統2與管道13 —端連接，管道13另一端分別與氣瓶9、儲存罐10相連接，氣瓶9、儲存罐10出口處分別設有氣瓶閥門11和儲存罐閥門12。氣瓶盛放的氣體為氬氣、氦氣、氖氣、氪氣、氙氣惰性氣體。存儲罐10內為粉狀SiC粉末，粒度為10-25微米。
[0022]基於上述裝置製備複合材料的方法，該方法的主要工作原理是:在惰性氣體壓力作用下，複合材料增強體呈粉末狀被彌散吹入熔體中，在電磁攪拌力和惰性氣體壓力的共同作用下，夾裹著增強體粉末材料的合金熔體在環狀製備區域進行強烈的攪拌，顆粒增強體被包裹入合金熔體中，然後繼續在半固態溫度區間進行長時間的劇烈攪拌，增強相顆粒彌散均勻分布在合金熔體中。惰性氣體在保護合金熔體防止氧化的同時，可對合金熔體中的氣體進行除氣處理，合金熔體純淨。下面舉例說明:
製備複合材料為碳化矽顆粒增強鋁基複合材料，碳化矽體積百分含量為20%。基體合金為A357鑄造鋁合金。首先，將A357鋁合金鑄錠表面清理乾淨，放入製備室4中，打開氣瓶9閥門11通入氬氣進行保護，熔化到670°C，然後加大氬氣壓力，對熔體進行除氣，除氣過程10分鐘，靜置打渣，熔體保溫630°C。開啟電磁攪拌器6，下降擋板7，調整氣體壓力，打開儲存罐10開關12，在氬氣壓力作用下，SiC粉末以較高速度從送粉器壁上的噴嘴14噴出，在電磁攪拌力和高速IS氣氣流的共同作用下彌散分布在A357合金熔體中。碳化娃粉體輸送完畢後，關閉儲存罐10開關12，調整氬氣壓力，使合金熔體在電磁攪拌力作用下繼續攪拌熔體到585 °C，獲得SiC顆粒增強鋁基複合材料，關閉電磁攪拌器6，持續通入氬氣，快速將合金熔體升溫到650°C，快速澆注到模具中，獲得合格的SiC顆粒增強鋁基複合材料。
【權利要求】
1.一種半固態攪拌製備複合材料的製備方法，其特徵在於:所述方法包括以下步驟: (1)將基體合金坯料放入製備坩堝內，加熱使基體合金坯料熔化，熔化溫度在合金液相線溫度以上30-100°C，打渣，為防止鋁合金堵塞送粉器噴嘴，在合金熔體熔化之前，打開氣瓶，調整惰性氣體壓力，使合金熔體惰性氣體的保護下熔化，有效防止其氧化； (2)熔化到預定溫度後，加大惰性氣體壓力，利用惰性氣體對合金熔體進行除氣處理； (3)降低合金溫度到液相線溫度以上10-30°C，開啟電磁攪拌器，調整參數，使合金熔體在電磁攪拌力作用攪動，同時下降擋板至熔體中，使熔體液面平整； (4)將增強體粉末材料放入儲存罐內，開啟存儲罐開關，調整惰性氣體壓力，增強體粉末材料通過送粉器噴嘴高速噴入合金熔體中； (5)送粉完畢後，關閉存儲罐開關，此時，合金熔體溫度處於半固態溫度區間，調整惰性氣體壓力和電磁攪拌器參數，使合金熔體內部繼續在電磁攪拌力和惰性氣體共同作用下發生強烈的攪拌，促進顆粒增強相的分散和均勻分布； (6)複合材料製備完畢後，關閉電磁攪拌器，快速升高熔體溫度到合適的澆注溫度，在惰性氣體的保護下，將製備的複合材料傾倒入模具中，獲得合格的複合材料；然後關閉氣瓶開關。
2.一種半固態攪拌製備複合材料的製備裝置，其特徵在於:它包括有溫控器(I)、保溫系統(2)、加熱器(3)、製備室(4)、送粉器(5)、電磁攪拌器(6)、擋板(7)、製備室蓋(8)、氣瓶(9)、儲存罐(10)、氣瓶閥門(11)、管道(13)、噴嘴(14)，其中，製備室(4)套裝在保溫系統(2)內，製備室(4)與保溫系統(2)之間預留一定距離形成加熱腔，加熱腔內設有加熱器(3)，製備室(4)與保溫系統(2)頂部設有製備室蓋(8)，製備室蓋(8)—側設有延伸至製備室(4)內的擋板(7)，另一側設有延伸至製備室(4)內的溫控器(I);保溫系統(2)外周面上設有電磁攪拌器(6)，製備室(4)內腔底部設有送粉器(5)，所述的送粉器(5)內部為中空，外壁為螺旋形狀，其外壁螺旋壁上設有噴嘴(14)，噴嘴(14)隨外壁形狀呈螺旋形分布，並與送粉器(5)內部相通，送粉器(5)底部穿過保溫系統(2)與管道(13) —端連接，管道(13)另一端分別與氣瓶(9)、儲存罐(10)相連接，氣瓶(9)、儲存罐(10)出口處分別設有氣瓶閥門(11)和儲存罐閥門(12 )。
3.根據權利要求2所述的一種半固態攪拌製備複合材料的製備裝置，其特徵在於:送粉器(5)外壁形狀呈螺旋形，其螺距為20mm，螺紋深20mm，在螺紋底部、螺紋側壁、螺紋頂部分別呈圓周排列設置六個噴嘴(14)，噴嘴(14)之間均勻分布，且螺紋底部、螺紋側壁、螺紋頂部的噴嘴交錯設置。
4.根據權利要求2所述的一種半固態攪拌製備複合材料的製備裝置，其特徵在於:電磁攪拌器(6)為螺旋式結構，纏繞在保溫系統(2)外周面上。
5.根據權利要求2所述的一種半固態攪拌製備複合材料的製備裝置，其特徵在於:氣瓶(9)內的氣體為高純氬氣。
6.根據權利要求2所述的一種半固態攪拌製備複合材料的製備裝置，其特徵在於:存儲罐(10)內為粉狀SiC粉末，粒度為10-25微米。
【文檔編號】C22C21/00GK104232954SQ201410479192
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月19日 優先權日:2014年9月19日
【發明者】白月龍, 徐駿, 湯孟歐, 李獻清, 李大普, 李詩, 劉振, 劉旭華 申請人:湖南文昌科技有限公司