CN101613809A - 制备颗粒增强金属基复合材料的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及制备颗粒增强金属基复合材料的装置，包括基体合金搅拌熔炼铸造系统和颗粒预处理系统，颗粒预处理系统包括坩埚及次级搅拌器，次级搅拌器插入坩埚中，颗粒预处理系统通过粉料输送装置与下方的基体合金熔炼系统相衔接；在基体合金熔炼系统的搅拌器升降支架上安装主级搅拌器；在基体合金熔炼系统的坩埚熔化炉内壁周缘面设置分流板；主级搅拌器的搅拌轴的上端与电机的转轴连接，搅拌轴的下端通过键槽与搅拌叶片联接，搅拌叶片上通过联接键联接搅拌翅；次级搅拌器的搅拌轴的上端与电机的转轴连接，搅拌轴的下端设置次级搅拌桨叶。该装置在真空或惰性气体保护或真空+惰性气体保护等环境中完成增强颗粒的搅拌复合工艺与复合材料制备。
Description
技术领域
本发明涉及一种制备金属基复合材料的装置，尤其涉及一种真空气氛制备颗粒增强金属基复合材料的装置。
背景技术
颗粒增强金属基复合材料(PRMMCs)具有重量轻、高比强度、高比刚度和比模量、低热膨胀系数、热稳定性、耐腐蚀耐磨性能等特点，是近年来发展最迅速的高技术新材料之一，逐渐成为航空、航天、汽车、电子工业等领域的理想材料，应用前景广阔。PRMMCs的制备方法中，搅拌铸造法具有工艺简单、设备投入少、技术经济效果好的特点，是颗粒增强金属基复合材料大规模生产的最有效的方法之一。
液态搅拌铸造法的原理是将增强颗粒直接加入到熔融的金属基体合金中，通过一定方式的搅拌使颗粒进入并均匀分布在熔体中，然后浇注成型，或浇铸成锭坯、铸件。机械搅拌法制备PRMMCS存在的主要问题是：①颗粒与熔体之间润湿差，导致颗粒团聚，难以均匀分布，影响复合材料的综合性能；②复合材料熔体的粘度大，表面张力高，颗粒难以进入并均匀分散在熔体内；③搅拌制备过程中，易卷气，制备的复合材料孔隙率高。目前改善界面润湿性的方法主要有基体合金化、颗粒表面处理及超声处理等方法，但工艺过程复杂，周期长，成本高，难度大。为使增强颗粒顺利进入并均匀分散在基体中，可通过增加搅拌器的转速对熔体进行强力搅拌，但过高的搅拌速度将使熔体上部的颗粒飞扬或被真空系统抽走，且颗粒在搅拌离心力的作用下，逐渐堆积在坩埚壁上，致使复合材料中颗粒含量不准。另外，过高的搅拌速度也导致熔体发生裹气等现象，影响材料的致密度，造成夹渣和气孔等组织缺陷。
专利号为200510038706.8的中国专利公开了一种工业规模制备内生颗粒增强铝基复合材料的制备方法，即熔体反应法+电磁搅拌处理+半连铸成型集成技术，该方法满足工业化规模制备内生颗粒增强铝基复合材料的要求，但由于是熔体反应法+电磁搅拌技术，使工业过程控制复杂化，成本较高，难度较大。
专利号为200510011160.7的中国专利公开了制备颗粒增强铝基复合材料的真空双搅拌装置，专利号为200510011526.0的中国专利公开了一种制备颗粒增强铝基复合材料的真空机械双搅拌铸造法，均通过内外两个搅拌器实现对熔体的不同搅拌效果。但存在的主要问题有：①基体熔炼和除气、碳化硅和变质剂细化剂的加入等均须在反复抽、放掉真空过程后才能得以实施，不仅增加工序周期，工作效率低，并使熔体带来二次吸气的机会；②增强颗粒须一次性加入到熔体表面，碳化硅颗粒随后在抽真空的过程中易被抽吸到真空泵系统中，且难于短时间内复合到熔体中；③增强颗粒的预处理不能彻底，在预处理过程中颗粒易发生烧结，使其在随后的复合过程中增加分散难度。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种真空气氛环境下制备颗粒增强金属基复合材料的装置。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
制备颗粒增强金属基复合材料的装置，包括基体合金熔炼系统和颗粒预处理系统，颗粒预处理系统通过粉料输送装置与下方的基体合金熔炼系统相衔接，颗粒预处理系统包括坩埚及次级搅拌器，次级搅拌器插入坩埚中；基体合金熔炼系统安装在熔炼炉倾翻转轴上，基体合金熔炼系统的炉体为坩埚熔化炉，在基体合金熔炼系统的炉盖上设有搅拌器升降支架，主级搅拌器安装在搅拌器升降支架上并插入坩埚熔化炉中；所述基体合金熔炼系统还接有抽真空系统和气体保护系统，其特征在于：在基体合金熔炼系统的坩埚熔化炉内壁周缘面设置有分流板，所述分流板沿内壁周缘面上下布置；所述主级搅拌器包含主级搅拌轴、搅拌叶片和搅拌翅，主级搅拌轴的上端与主级电机的转轴传动连接，主级搅拌轴的下端通过键槽与搅拌叶片联接，搅拌叶片上通过联接键联接有搅拌翅；所述次级搅拌器包含次级搅拌轴和次级搅拌桨叶，次级搅拌轴的上端与次级电机的转轴传动连接，次级搅拌轴的下端设置有次级搅拌桨叶。
进一步地，上述的制备颗粒增强金属基复合材料的装置，所述抽真空系统包括机械泵、一级罗茨泵、二级罗茨泵及气体净化器，所述机械泵、一级罗茨泵、二级罗茨泵、气体净化器通过真空联接管依次连接并接入基体合金熔炼系统。
更进一步地，上述的制备颗粒增强金属基复合材料的装置，在粉料输送装置的出料口设一可调节加料通道，可调节加料通道插入基体合金熔炼系统的坩埚熔化炉中，并控制其在坩埚熔化炉中的位置高度，在可调节加料通道上还设有中间合金储料箱。
更进一步地，上述的制备颗粒增强金属基复合材料的装置，所述粉料输送装置为可控调速的步进输送机，输送机的进料口通过一转向阀接在颗粒预处理系统的底部，输送机的出料口连接可调节加料通道。
再进一步地，上述的制备颗粒增强金属基复合材料的装置，所述搅拌叶片与主级搅拌轴之间的水平夹角为30～60°。
再进一步地，上述的制备颗粒增强金属基复合材料的装置，所述搅拌翅与搅拌叶片之间的水平夹角为10～20°。
再进一步地，上述的制备颗粒增强金属基复合材料的装置，所述主级电机为变频电机，变频电机与变频器电气连接。
再进一步地，上述的制备颗粒增强金属基复合材料的装置，所述次级电机为变频电机，变频电机与变频器电气连接。
再进一步地，上述的制备颗粒增强金属基复合材料的装置，在主级搅拌器的升降支架上安装有立式标尺杆。
再进一步地，上述的制备颗粒增强金属基复合材料的装置，所述的增强颗粒无需进行预处理，在真空或惰性气体保护或真空+惰性气体保护等环境中完成增强颗粒的搅拌复合工艺与复合材料制备工作。
本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：
1)主级搅拌器可以有效地促进增强颗粒在熔体中的分散均匀性，可将未预处理的增强颗粒较好地复合到基体合金熔体中，提高了工作效率，改善了增强颗粒与基体合金熔体之间的润湿性，有效防止增强颗粒的团聚、偏聚，使颗粒均匀分布在基体合金熔体中；
2)主搅拌叶片和搅拌翅实现基体合金熔体不同方向的流动，主搅拌叶片的高速正向搅拌，保证熔体表面的平稳性，并在熔体中心部产生负压旋涡，将增强颗粒卷入熔体中，具有强烈的破碎颗粒团并使颗粒在熔体之均匀分散的作用；搅拌翅搅拌时可使熔体避免产生过大的旋涡或熔体流，并将底部熔体输送到熔体表面，增强复合力度，同时将熔体内的气体带出；此外，搅拌叶片和搅拌翅上合理的过渡平阶面设计增强了搅拌器对熔体的剪切力，增强了颗粒的复合水平和效果；
3)分流板可以避免熔体长时间的单一轴向运动，增加基体合金熔体的紊流运动效果，有效阻止了颗粒被旋涡排斥而堆积在坩埚壁上的倾向，减少了增强颗粒的损失，增加了颗粒的实收率和复合强化效果；
4)采用搅拌器在增强颗粒加入基体合金熔体时进行搅拌，通过立式标尺杆和变频器可较准确地改变搅拌器在熔体中的位置、转速，使增强颗粒迅速搅入基体合金熔体中，并均匀分布；
5)搅拌器可以实现正、反向的变速旋转搅拌，与分流板相互作用，在合理的搅拌速度、方向和温度配合下，大大提高颗粒的复合水平和均匀分散效果，及熔体脱气除气效果；
6)装置密封性好，在真空或真空和惰性气体或惰性气体保护等不同环境中实现增强颗粒的搅拌复合过程，较好地解决氧化夹杂的问题，提高了金属基复合材料的综合机械性能，并使工业过程控制简单化，大大降低成本，该设备广泛应用于制备铝、镁及其合金等金属基复合材料的制备与生产。
附图说明
下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：
图1：本发明装置的结构示意图；
图2：次级搅拌器的结构示意图；
图3：中间合金储料箱的结构示意图；
图4：保护气体进入装置的结构示意图；
图5：主级搅拌器的结构示意图。
图中各附图标记的含义见下表：
| 附图标记 | 含义 | 附图标记 | 含义 | 附图标记 | 含义 |
| 1 | 防漏窗 | 2 | 基体合金熔炼系统 | 3 | 坩埚熔化炉 |
| 4 | 主级搅拌器 | 5 | 熔炼炉倾翻轴 | 6 | 可调节送料通道 |
| 7 | 炉体绝热板 | 8 | 分流板 | 9 | 自测温系统 |
| 10 | 搅拌器升降支架 | 11 | 中间合金储料箱 | 12 | 联轴器 |
| 13 | 1#电机 | 14 | 2#电机 | 15 | 坩埚主体 |
| 16 | 颗粒预处理系统 | 17 | 次级搅拌器 | 18 | 立式标尺杆 |
| 19 | 转向阀 | 20 | 粉料输送装置 | 21 | 3#电机 |
| 22 | 手柄机构 | 23 | 炉盖 | 24 | 流槽 |
| 25 | 金属锭坯浇注机 | 26 | 铸锭模 | 27 | 金属履带 |
| 28 | 履带驱动轮 | 29 | 接口 | 30 | 气体净化器 |
| 附图标记 | 含义 | 附图标记 | 含义 | 附图标记 | 含义 |
| 31 | 真空联接器 | 32 | 二级罗茨泵 | 33 | 一级罗茨泵 |
| 34 | 真空联接管 | 35 | 机械泵 | 36 | 次级电机转轴 |
| 37 | 轴承座 | 38 | 轴承紧锁套 | 39 | 次级搅拌轴 |
| 40 | 次级搅拌桨叶 | 41 | 手柄 | 42 | 真空腔 |
| 43 | 中间合金放置区 | 44 | 联轴器 | 45 | 旋转手柄 |
| 46 | 放气口 | 47 | 进气通道 | 48 | 螺纹孔 |
| 49 | 紧固台阶面 | 50 | 键槽 | 51 | 搅拌叶片 |
| 52 | 联接键 | 53 | 搅拌翅 | 54 | 过渡平阶面 |
具体实施方式
如图1所示，制备颗粒增强金属基复合材料的装置，包括基体合金熔炼系统2和颗粒预处理系统16，颗粒预处理系统16包括坩埚主体15及次级搅拌器17，次级搅拌器17插入坩埚主体15中，颗粒预处理系统16通过粉料输送装置20与基体合金熔炼系统2相衔接；粉料输送装置20为可控调速的步进输送机，粉料输送装置20的进料口通过一转向阀19接在颗粒预处理系统16的底部，在粉料输送装置20的出料口设一可调节加料通道6，可调节加料通道6插入基体合金熔炼系统的坩埚熔化炉3中，并控制其在坩埚熔化炉中的位置高度，在可调节加料通道6上还设有中间合金储料箱11。基体合金熔炼系统2安装在熔炼炉倾翻轴5上，基体合金熔炼系统2的炉体为坩埚熔化炉3，在基体合金熔炼系统的炉盖23上设有搅拌器升降支架10，主级搅拌器4安装在搅拌器升降支架10上并插入坩埚熔化炉3中；在坩埚熔化炉3的内壁周缘面设置有分流板8，分流板8沿内壁周缘面上下布置，分流板8较好地促进增强颗粒在熔体中的分散均匀性；炉盖23上还安装有手柄机构22。另外，在基体合金熔炼系统的炉底设有防漏窗1，炉顶设有炉体绝热板7，在基体合金熔炼系统的炉盖上设有自测温系统9。基体合金熔炼系统2还接有抽真空系统，抽真空系统包括机械泵35、一级罗茨泵33、二级罗茨泵32及气体净化器30，并通过真空联接管34和真空联接器31依次连接，在接口29处接入基体合金熔炼系统。
如图2，次级搅拌器17包含次级搅拌轴39和次级搅拌桨叶40，次级搅拌轴39的上端与次级电机的转轴传动连接，即由2#电机14驱动旋转，2#电机为变频电机，与变频器电气连接，次级电机(2#电机)的转轴36穿过坩埚主体15空腔通过轴承座37固定在坩埚主体15上，次级搅拌轴39与次级电机转轴36通过轴承紧锁套38联接，次级搅拌轴39的下端设置次级搅拌桨叶40。
如图3所示，中间合金储料箱11包含手柄41、真空腔42、中间合金放置区43和端盖，端盖通过联轴器44与真空腔42联接。
如图4所示保护气体进入装置，进气通道47的侧部开有放气口46，通过操作旋转手柄45控制放气口46的开闭程度。保护气体采用高纯氩气等惰性气体。
如图5，主级搅拌器4包含主级搅拌轴、搅拌叶片51和搅拌翅53，主级搅拌轴的上端通过螺纹孔48由联轴器12与1#电机13的转轴驱动连接，1#电机13为变频电机，与变频器电气连接，通过紧固台阶面49啮合；主级搅拌轴的下端通过键槽50与搅拌叶片51联接，搅拌叶片51上通过联接键52联接有搅拌翅53；搅拌翅53上的过渡平阶面54可以减少熔体过度翻转与其粘结。搅搅拌叶片51与主级搅拌轴之间的水平夹角为30～60°，搅拌翅53与搅拌叶片51之间的夹角为10～20°。此外，在搅拌复合过程中，利用搅拌器升降支架10上设置的立式标尺杆18精确确定主级搅拌器4在基体合金熔炼系统的坩埚熔化炉3中位置高度，并在分流板8的配合下，促进增强颗粒的均匀分散性，提高复合水平和工作效率。主级搅拌器实现了对金属熔体的高效复合搅拌，及未预处理增强颗粒的有效复合加入，大大增强了颗粒的复合水平、均匀分散性和脱气能力，缩短了工作周期，提高了工作效率，降低增强颗粒的损失和复合材料内部缺陷。
未预处理的颗粒放置到颗粒预处理系统16中，在次级搅拌器17的作用下通过转向阀19流入到粉料输送装置20中，由3#电机21驱动粉料输送装置20运转将原料经可调节加料通道6加入到基体合金熔炼炉2中，颗粒加入的速度和数量由3#电机的变频器精确控制；此外，熔炼所需的中间合金等原料可预先放置到中间合金储料箱11中，在真空外腔42保持的真空环境中，转动手柄41将中间合金加入到坩埚3中熔体的指定位置。
机械泵35通过真空联接管34和真空联接器31与一级罗茨泵33、二级罗茨泵32联接，气体净化器30通过真空泵接口29与基体合金熔炼炉炉体密封联接。此外，高纯氩气等保护气体通过进气通道47注入到基体合金熔炼炉中，可解决气体卷入熔体中的问题，浇注后旋转手柄45可将气体通过放气口46卸压。该发明装置真空度可达0.01～1×10-2MPa，氩气的气氛可高达98％以上。
具体制备PRMMCs时，将金属基体放置坩埚熔化炉3中，进行熔铸、扒渣和静置工艺，熔体控温在固相线以上的某个设定温度。将增强颗粒加入到颗粒预处理系统16内，中间合金配料放置在中间合金储料箱11内，合上炉盖23。降低主级搅拌器4至熔体上方某处，进行预热。启动机械泵35，再逐步启动一级罗茨泵33、二级罗茨泵32进行系统抽真空。当真空达到某值后，通过进气通道47将氩气等保护气体通入，以最大限度排尽炉体内的空气。然后，操纵变频器驱动1#电机13控制主级搅拌器4进行正向搅动熔体，保持平稳的熔体表面；此时再操纵变频器驱动2#电机14搅拌增强颗粒，经过转向阀19在周期动作的推挤杆作用下，颗粒通过粉料输送装置20和可调节加料通道6分批进入到熔体的旋涡中，在旋涡作用力下颗粒逐渐被搅入并复合到熔体中，并通过分流板8产生的紊流作用将因离心力作用而向坩埚壁堆积的颗粒推入旋涡中心，使增强颗粒很快卷入熔体中，完成颗粒的整个加入过程。随后进行搅拌器4的反向搅拌作用，并通过立式标尺杆18合理调整搅拌器在熔体中的位置，根据熔体运动状况再适当调节搅拌器的转速，进行强力搅拌，使颗粒团破碎并均匀分散在熔体中，完成颗粒与熔体的均匀复合过程。复合结束后，熔体逐渐升温，并进行二次抽真空进行除气和除渣真空精炼，提升搅拌器至炉体绝热板7上面，卸去真空，打开紧缩栓，进行浇注，熔体经过流槽24在由履带驱动轮28驱动的金属锭坯浇注机25进行浇注，金属履带27上的铸锭模26以一定的速度匀速转动。浇注机转动的速度由变频电机控制，与熔体的浇注速度配合将复合材料熔体浇注在往复循环的锭模内，完成复合材料整个浇注工作。
综上所述，本发明真空气氛制备颗粒增强金属基复合材料的装置，凸显以下特点：
1)主级搅拌器可以有效地促进增强颗粒在熔体中的分散均匀性，所添加的颗粒无需进行预处理，既可将未预处理的颗粒较好地复合到基体熔体中，改善和提高增强颗粒与基体合金熔体之间的润湿性，有效防止增强颗粒的团聚、偏聚，使颗粒均匀分布在基体合金中；
2)主搅拌叶片和搅拌翅实现熔体不同方向的流动，主搅拌叶片的高速正向搅拌，保证熔体表面的平稳性，并在熔体中心部产生负压旋涡，将增强颗粒卷入熔体中，具有强烈的破碎颗粒团并使颗粒在熔体之均匀分散的作用；搅拌翅搅拌时可使熔体避免产生过大的旋涡或熔体流，并将底部熔体输送到熔体表面，增强复合力度，同时将熔体内的气体带出；此外，搅拌叶片和搅拌翅上合理的过渡平阶面设计提高了搅拌器对熔体的剪切力，增强了颗粒的复合水平和效果；
3)分流板可以避免熔体长时间的单一轴向运动，增加熔体的紊流运动，有效阻止了颗粒被旋涡排斥而堆积在坩埚壁上的倾向，减少了增强颗粒的损失，增加了颗粒复合强化效果；
4)采用搅拌器在增强颗粒加入铝熔体时搅拌，通过立式标尺杆和变频器可准确地改变搅拌器在熔体中的位置、转速，使增强颗粒迅速搅入基体合金熔体，并均匀分布；
5)搅拌器可以实现正、反向的变速旋转搅拌，与分流板相互作用，在合理的搅拌速度、方向和温度配合下，大大增强颗粒的复合水平和均匀分散效果，及熔体脱气效果；
6)装置密封性好，功能性强，可以在真空或惰性气体保护或真空+惰性气体等多环境中完成增强颗粒的搅拌复合工艺与复合材料制备工作，较好地解决氧化夹杂等问题，提高了金属基复合材料的综合机械性能，并使工业过程控制简单化，降低成本。
需要理解到的是：上述说明并非是对本发明的限制，在本发明构思范围内，所进行的添加、变换、替换等，也应属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.制备颗粒增强金属基复合材料的装置，包括基体合金熔炼系统和颗粒预处理系统，颗粒预处理系统通过粉料输送装置与下方的基体合金熔炼系统相衔接，颗粒预处理系统包括坩埚及次级搅拌器，次级搅拌器插入坩埚中；基体合金熔炼系统安装在熔炼炉倾翻转轴上，基体合金熔炼系统的炉体为坩埚熔化炉，在基体合金熔炼系统的炉盖上设有搅拌器升降支架，主级搅拌器安装在搅拌器升降支架上并插入坩埚熔化炉中；所述基体合金熔炼系统还接有抽真空系统和气体保护系统，其特征在于：在基体合金熔炼系统的坩埚熔化炉内壁周缘面设置有分流板，所述分流板沿内壁周缘面上下布置；所述主级搅拌器包含主级搅拌轴、搅拌叶片和搅拌翅，主级搅拌轴的上端与主级电机的转轴传动连接，主级搅拌轴的下端通过键槽与搅拌叶片联接，搅拌叶片上通过联接键联接有搅拌翅；所述次级搅拌器包含次级搅拌轴和次级搅拌桨叶，次级搅拌轴的上端与次级电机的转轴传动连接，次级搅拌轴的下端设置有次级搅拌桨叶。
2.根据权利要求1所述的制备颗粒增强金属基复合材料的装置，其特征在于：所述抽真空系统包括机械泵、一级罗茨泵、二级罗茨泵及气体净化器，所述机械泵、一级罗茨泵、二级罗茨泵、气体净化器通过真空联接管依次连接并接入基体合金熔炼系统。
3.根据权利要求1所述的制备颗粒增强金属基复合材料的装置，其特征在于：在颗粒送料机构的出料口设一可调节加料通道，控制可调节加料通道在基体合金熔炼系统坩埚熔化炉中的位置高度，在可调节加料通道上还设有中间合金储料箱。
4.根据权利要求1或3所述的制备颗粒增强金属基复合材料的装置，其特征在于：所述颗粒送料机构为可控调速的步进输送机，步进输送机的进料口通过一转向阀接在颗粒预处理系统的底部，步进输送机的出料口连接可调节加料通道。
5.根据权利要求1所述的制备颗粒增强金属基复合材料的装置，其特征在于：所述搅拌叶片与主级搅拌轴之间的水平夹角为30～60°。
6.根据权利要求1所述的制备颗粒增强金属基复合材料的装置，其特征在于：所述搅拌翅与搅拌叶片之间的水平夹角为10～20°。
7.根据权利要求1所述的制备颗粒增强金属基复合材料的装置，其特征在于：所述主级电机为变频电机，变频电机与变频器电气连接。
8.根据权利要求1所述的制备颗粒增强金属基复合材料的装置，其特征在于：所述次级电机为变频电机，变频电机与变频器电气连接。
9.根据权利要求1所述的制备颗粒增强金属基复合材料的装置，其特征在于：在主级搅拌器的升降支架上安装有立式标尺杆。
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