CN104232954A - 一种半固态搅拌制备复合材料的制备装置及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种半固态搅拌制备复合材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：首先将基体合金坯料放入制备坩埚内，加热使基体合金坯料熔化，打渣；熔化到预定温度后，加大惰性气体压力，利用惰性气体对合金熔体进行除气处理；再降低合金温度到液相线温度以上10-30℃，开启电磁搅拌器，调整参数；将增强体粉末材料放入储存罐内，开启存储罐开关；送粉完毕后，关闭存储罐开关；复合材料制备完毕后，关闭电磁搅拌器，将制备的复合材料倾倒入模具中，获得合格的复合材料；然后关闭气瓶开关。
Description
技术领域
本发明属于金属材料加工技术领域，涉及一种半固态搅拌制备复合材料的装置及方法。
背景技术
复合材料由于具有高比强、高比刚、高耐磨、低热膨胀及优良的减震性能尺寸稳定性等优异的综合性能，是航空航天、汽车制造等领域关键零部件轻量化、高性能化的理想材料，具有巨大的应用潜力广阔和广阔的市场前景。
目前，复合材料的制备方法主要有固态制备技术、液态制备技术以及半固体制备技术。
固态制备技术主要包括粉末冶金法、热压和热等静压技术，以及热轧/热挤压技术。固态制备技术制备的铝基复合材料综合性能良好，可以实现体积质量差大的金属与粒子的复合，可制备高体分颗粒增强的复合材料，但是该方法工艺复杂，流程长，制备成本较高。
液态制备技术主要包括液态金属搅拌制备技术、喷射沉积技术以及挤压铸造技术等。喷射沉积法制备的复合材料中增强相体积分数可任意调节，增强体粒度也不用限制，可获得晶粒细小的复合材料，但是该方法制备的复合材料制品尺寸受限，制备成本也较高。液态金属机械搅拌法是通过搅拌器的旋转运动使增强材料均匀分布在金属熔体中，然后浇注成型。此法所用设备简单，操作方便，但增强颗粒不易与基体材料混合均匀，且材料的吸气较严重。挤压铸造技术是将增强材料制成预制件，放入型腔中，然后利用压力机将液态金属压入其中，凝固后得到所需的复合材料，挤压铸造技术所需设备低廉、工艺简单、生产周期短，但是由于挤压铸造压力很大，因此需要所制的预制件承受很高的强度，且需保证预制件的空隙度。
半固态搅拌技术就是把基体金属加入到液相线和固相线之间的适当温度进行搅拌。利用半固态合金熔体的触变性，在粘度不大的固液二相熔体中，一边搅拌一边加入增强相，利用半固态合金熔体的包裹和夹带作用，使增强相颗粒得到均匀的分散。然后升高到适当温度进行浇注，就可得到增强相分布均匀的复合材料。此方法工艺简单、操作方便。被认为是一种很有发展前途的复合材料制备方法。但是，该方法也必须解决增强体颗粒与铝熔体的润湿性和增强体颗粒在铝熔体中的均匀分散等技术问题，且搅拌装置污染合金熔体等难题。
发明内容
针对半固态搅拌技术存在的上述关键技术问题。本方案提出了一种半固态搅拌制备复合材料的装置及方法。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种半固态搅拌制备复合材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：
（1）将基体合金坯料放入制备坩埚内，加热使基体合金坯料熔化，熔化温度在合金液相线温度以上30-100℃，打渣，为防止铝合金堵塞送粉器喷嘴，在合金熔体熔化之前，打开气瓶，调整惰性气体压力，使合金熔体惰性气体的保护下熔化，有效防止其氧化；
（2）熔化到预定温度后，加大惰性气体压力，利用惰性气体对合金熔体进行除气处理；
（3）降低合金温度到液相线温度以上10-30℃，开启电磁搅拌器，调整参数，使合金熔体在电磁搅拌力作用搅动，同时下降挡板至熔体中，使熔体液面平整；
（4）将增强体粉末材料放入储存罐内，开启存储罐开关，调整惰性气体压力，增强体粉末材料通过送粉器喷嘴高速喷入合金熔体中；
（5）送粉完毕后，关闭存储罐开关，此时，合金熔体温度处于半固态温度区间，调整惰性气体压力和电磁搅拌器参数，使合金熔体内部继续在电磁搅拌力和惰性气体共同作用下发生强烈的搅拌，促进颗粒增强相的分散和均匀分布；
(6）复合材料制备完毕后，关闭电磁搅拌器，快速升高熔体温度到合适的浇注温度，在惰性气体的保护下，将制备的复合材料倾倒入模具中，获得合格的复合材料；然后关闭气瓶开关。
完成上述方法所采用的制备装置，它包括有温控器、保温系统、加热器、制备室、送粉器、电磁搅拌器、挡板、制备室盖、气瓶、储存罐、气瓶阀门、管道、喷嘴，其中，制备室套装在保温系统内，制备室与保温系统之间预留一定距离形成加热腔，加热腔内设有加热器，制备室与保温系统顶部设有制备室盖，制备室盖一侧设有延伸至制备室内的挡板，另一侧设有延伸至制备室内的温控器；保温系统外周面上设有电磁搅拌器，制备室内腔底部设有送粉器，所述的送粉器内部为中空，外壁为螺旋形状，其外壁螺旋壁上设有喷嘴，喷嘴随外壁形状呈螺旋形分布，并与送粉器内部相通，送粉器底部穿过保温系统与管道一端连接，管道另一端分别与气瓶、储存罐相连接，气瓶、储存罐出口处分别设有气瓶阀门和储存罐阀门。
所述的送粉器外壁形状也呈螺旋形分布，螺距20mm，螺纹深20mm，在螺纹底部、螺纹侧壁、螺纹顶部分别呈圆周排列设置六个喷嘴，喷嘴之间均匀分布，且螺纹底部、螺纹侧壁、螺纹顶部的喷嘴交错设置。
所述的电磁搅拌器为螺旋式结构，缠绕在保温系统外周面上。
所述的气瓶盛放的气体为氩气、氦气、氖气、氪气、氙气惰性气体。
所述的存储罐内为粉状SiC粉末，粒度为10-25微米。
上述装置和方法适合于铝基复合材料、镁基复合材料、铜基复合材料、铁基复合材料、锌基复合材料、镍基复合材料、钴基复合材料、钛基复合材料等复合材料的制备。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
（1）采用电磁力作为搅拌外力，可有效避免机械搅拌导致的搅拌杆材料污染合金熔体的不利影响，制备的复合材料纯净，质量高。
（2）送粉器的设计可显著促进增强体材料在合金熔体中的均匀分布，避免增强体材料在液面上漂浮、粘附制备室内壁、分布不均匀等现象。
（3）环形制备室的设计可大大改善合金熔体的搅拌效果，强化紊流流动，促进增强体的分散和均匀分布。
（4）结构简单，投资成本低。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2、图3为本发明的送粉器结构示意图。
具体实施方式
下面结合所有附图对本发明作进一步说明，本发明的较佳实施例为：半固态搅拌制备复合材料的制备装置包括有温控器 1、保温系统2、加热器3、制备室4、送粉器5、电磁搅拌器6、 挡板7、制备室盖8、气瓶9、储存罐10、气瓶阀门11、管道13、喷嘴14，其中，制备室4套装在保温系统2内，制备室4与保温系统2之间预留一定距离形成加热腔，加热腔内设有加热器3，制备室4与保温系统2顶部设有制备室盖8，制备室盖8一侧设有延伸至制备室4内的挡板7，另一侧设有延伸至制备室4内的温控器 1；保温系统2外周面上设有电磁搅拌器6，本实施例的电磁搅拌器6为螺旋式结构，缠绕在保温系统2外周面上。制备室4内腔底部设有送粉器5，所述的送粉器5内部为中空，外壁为螺旋形状，其外壁螺旋壁上设有喷嘴14，喷嘴14随外壁形状呈螺旋形分布，并与送粉器5内部相通，本实施例的送粉器5外壁螺距为20mm，螺纹深20mm，在螺纹底部、螺纹侧壁、螺纹顶部分别呈圆周排列设置六个喷嘴14，喷嘴14之间均匀分布，且螺纹底部、螺纹侧壁、螺纹顶部的喷嘴交错设置。送粉器5底部穿过保温系统2与管道13一端连接，管道13另一端分别与气瓶9、储存罐10相连接，气瓶9、储存罐10出口处分别设有气瓶阀门11和储存罐阀门12。气瓶盛放的气体为氩气、氦气、氖气、氪气、氙气惰性气体。存储罐10内为粉状SiC粉末，粒度为10-25微米。
基于上述装置制备复合材料的方法，该方法的主要工作原理是：在惰性气体压力作用下，复合材料增强体呈粉末状被弥散吹入熔体中，在电磁搅拌力和惰性气体压力的共同作用下，夹裹着增强体粉末材料的合金熔体在环状制备区域进行强烈的搅拌，颗粒增强体被包裹入合金熔体中，然后继续在半固态温度区间进行长时间的剧烈搅拌，增强相颗粒弥散均匀分布在合金熔体中。惰性气体在保护合金熔体防止氧化的同时，可对合金熔体中的气体进行除气处理，合金熔体纯净。下面举例说明：
制备复合材料为碳化硅颗粒增强铝基复合材料，碳化硅体积百分含量为20%。基体合金为A357铸造铝合金。首先，将A357铝合金铸锭表面清理干净，放入制备室4中，打开气瓶9阀门11通入氩气进行保护，熔化到670℃，然后加大氩气压力，对熔体进行除气，除气过程10分钟，静置打渣，熔体保温630℃。开启电磁搅拌器6，下降挡板7，调整气体压力，打开储存罐10开关12，在氩气压力作用下，SiC粉末以较高速度从送粉器壁上的喷嘴14喷出，在电磁搅拌力和高速氩气气流的共同作用下弥散分布在A357合金熔体中。碳化硅粉体输送完毕后，关闭储存罐10开关12，调整氩气压力，使合金熔体在电磁搅拌力作用下继续搅拌熔体到585℃，获得SiC颗粒增强铝基复合材料，关闭电磁搅拌器6，持续通入氩气，快速将合金熔体升温到650℃，快速浇注到模具中，获得合格的SiC颗粒增强铝基复合材料。
Claims (6)
1.一种半固态搅拌制备复合材料的制备方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
（1）将基体合金坯料放入制备坩埚内，加热使基体合金坯料熔化，熔化温度在合金液相线温度以上30-100℃，打渣，为防止铝合金堵塞送粉器喷嘴，在合金熔体熔化之前，打开气瓶，调整惰性气体压力，使合金熔体惰性气体的保护下熔化，有效防止其氧化；
（2）熔化到预定温度后，加大惰性气体压力，利用惰性气体对合金熔体进行除气处理；
（3）降低合金温度到液相线温度以上10-30℃，开启电磁搅拌器，调整参数，使合金熔体在电磁搅拌力作用搅动，同时下降挡板至熔体中，使熔体液面平整；
（4）将增强体粉末材料放入储存罐内，开启存储罐开关，调整惰性气体压力，增强体粉末材料通过送粉器喷嘴高速喷入合金熔体中；
（5）送粉完毕后，关闭存储罐开关，此时，合金熔体温度处于半固态温度区间，调整惰性气体压力和电磁搅拌器参数，使合金熔体内部继续在电磁搅拌力和惰性气体共同作用下发生强烈的搅拌，促进颗粒增强相的分散和均匀分布；
(6）复合材料制备完毕后，关闭电磁搅拌器，快速升高熔体温度到合适的浇注温度，在惰性气体的保护下，将制备的复合材料倾倒入模具中，获得合格的复合材料；然后关闭气瓶开关。
2.一种半固态搅拌制备复合材料的制备装置，其特征在于：它包括有温控器 （1）、保温系统（2）、加热器（3）、制备室（4）、送粉器（5）、电磁搅拌器（6）、 挡板（7）、制备室盖（8）、气瓶（9）、储存罐（10）、气瓶阀门（11）、管道（13）、喷嘴（14），其中，制备室（4）套装在保温系统（2）内，制备室（4）与保温系统（2）之间预留一定距离形成加热腔，加热腔内设有加热器（3），制备室（4）与保温系统（2）顶部设有制备室盖（8），制备室盖（8）一侧设有延伸至制备室（4）内的挡板（7），另一侧设有延伸至制备室（4）内的温控器 （1）；保温系统（2）外周面上设有电磁搅拌器（6），制备室（4）内腔底部设有送粉器（5），所述的送粉器（5）内部为中空，外壁为螺旋形状，其外壁螺旋壁上设有喷嘴（14），喷嘴（14）随外壁形状呈螺旋形分布，并与送粉器（5）内部相通，送粉器（5）底部穿过保温系统（2）与管道（13）一端连接，管道（13）另一端分别与气瓶（9）、储存罐（10）相连接，气瓶（9）、储存罐（10）出口处分别设有气瓶阀门（11）和储存罐阀门（12）。
3.根据权利要求2所述的一种半固态搅拌制备复合材料的制备装置，其特征在于：送粉器（5）外壁形状呈螺旋形，其螺距为20mm，螺纹深20mm，在螺纹底部、螺纹侧壁、螺纹顶部分别呈圆周排列设置六个喷嘴（14），喷嘴（14）之间均匀分布，且螺纹底部、螺纹侧壁、螺纹顶部的喷嘴交错设置。
4.根据权利要求2所述的一种半固态搅拌制备复合材料的制备装置，其特征在于：电磁搅拌器（6）为螺旋式结构，缠绕在保温系统（2）外周面上。
5.根据权利要求2所述的一种半固态搅拌制备复合材料的制备装置，其特征在于：气瓶（9）内的气体为高纯氩气。
6.根据权利要求2所述的一种半固态搅拌制备复合材料的制备装置，其特征在于：存储罐（10）内为粉状SiC粉末，粒度为10-25微米。
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