CN104772448B - 一种泡沫金属材料分层浇铸‑整体成型设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种泡沫金属材料铸件和结构件的分层浇铸‑整体成型设备极其方法，其中该设备包括熔炼炉组、浆料制备炉组、多个分层浇铸装置。熔炼炉组包括多个熔炼炉，每个所述熔炼炉分别对应浆料制备炉组中的一个炉体。浆料制备炉组中的每一个炉体分别对应一个分层浇铸装置。每个所述分层浇铸装置包括浇铸驱动装置、分层浇铸炉体，该浇铸炉体上设有高压泡沫金属液输入口、金属液输入口、高压气体加入口、降压气体排放口、冷却介质进出口和浇铸口。使用本发明的设备和方法可以实现泡沫铝整体铸件或者整体结构件一次成型，直接成型具有三明治、复合三明治结构特点，多功能梯度复合泡沫铝组件，极大地简化了生产过程，节约设备投资。

Description

一种泡沫金属材料分层浇铸-整体成型设备及方法

技术领域

本发明属于冶金铸造技术领域，尤其涉及一种泡沫金属材料组件（含铸件和结构件）的分层浇铸-整体成型制备方法。

背景技术

泡沫铝合金成型件的制造成本很高。受现有工艺能力、装备能力限制，在制造泡沫铝合金铸坯时，需要采用不同的工艺和设备分别制造泡沫金属液、铸件芯模、铸件外模。作为成型产品的泡沫铝合金铸件和作为承重件使用的泡沫金属三明治结构件目前尚无法直接。泡沫铝合金三明治结构件也是采用多种工艺和设备分别制备不同的组件，再通过切割、拼装、焊接、联接的方式组装成三明治结构件。第一步是采用吹气或者发泡方式制备大块泡沫金属块体材料，采用以大切小的方式将块体材料切割成特定形状的泡沫金属芯板备用；第二步是采用熔铸-铣面-轧制-分切-热处理方式制备表面包覆用密实（致密无孔隙）铝合金板材，采用以大切小的方式将密实（致密无孔隙）铝合金板材切割成特定形状和尺寸的蒙皮包覆板备用；最后通过组合、拼装、焊接、联接的方式将特定形状的泡沫金属芯板和特定形状和尺寸的蒙皮包覆板组装成三明治结构件。由于制备泡沫金属铸件和三明治结构件需要采用不同的工艺和设备分别制备泡沫金属液、纯净的合金金属液、泡沫金属熔铸芯模、泡沫金属外模、泡沫金属块体、密实（致密无孔隙）包覆金属板材等，所需的生产设备多、生产流程长，生产过程中需要控制的工艺环节极多。制备泡沫金属液时，需要合金熔炼设备、增粘搅拌设备、合金发泡设备、吹气设备、熔体转移设备、泡沫体成型设备、泡沫体切割设备等。熔模法制备泡沫金属芯模时，需要设计并制备空隙结构合适的聚脂泡沫体、专用的耐火材料浆化设备、芯模坯体风干设备、芯模坯体煅烧设备。渗流法制备泡沫金属芯模需要专用的盐类粉碎、选分、配粒、混合设备，盐坯压制设备、盐坯加热设备、双室炉、真空吸铸设备等。制备密实（致密无孔隙）合金板材需要大型合金熔炼设备、大型铸造设备、大型铸坯铣面设备、大型锯床、大型加热炉、大型热轧机、大型冷轧机、大型退火炉、大型坯料转运设备、大型板坯分切设备等。由于工艺繁杂、工艺流程极长、需要控制的工艺环节多，产品质量不稳定，成材率极低。生产线所需的设备繁多，占地面积大，固定资产投资极大，生产成本极高。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术存在的问题，提供一种泡沫金属材料分层浇铸-整体成型设备及方法。

上述目的是通过下述方案实现的：

一种泡沫金属材料铸件和结构件的分层浇铸-整体成型设备，其特征在于，所述设备包括：熔炼炉组、浆料制备炉组、多个分层浇铸装置；所述熔炼炉组包括多个熔炼炉，每个所述熔炼炉分别对应浆料制备炉组中的一个炉体；所述浆料制备炉组中的每一个炉体分别对应一个分层浇铸装置；每个所述分层浇铸装置包括浇铸驱动装置、分层浇铸炉体，该浇铸炉体上设有高压泡沫金属液输入口、金属液输入口、高压气体加入口、降压气体排放口、冷却介质进出口和浇铸口；所述多个分层浇铸装置并列放置。

一种使用上述的设备进行浇铸-整体成型的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

第一步：由组件设计与制备控制系统进行泡沫金属组件形状设计、结构设计、合金成分设计，合金熔炼、制备浆料、熔体增粘、熔体增压、熔体吹气、熔体发泡、定量浇铸、同步浇铸-同步冷却-同步降压、整体成型工艺设计；

第二步：熔炼炉组根据第一步提供的设计方案，进行合金配料，在每一个熔炼炉中制备纯铝铝液或纯金属合金液；

第三步：将第二步得到的纯铝铝液或合金液转入浆料制备炉组，将熔炼的各种纯铝液或合金液制备成半固态浆料，或者加入增粘剂增粘；

第四步：将半固态浆料或增粘后的合金增压，往增压后的半固态浆料或增粘后的合金中通入中高压气体，或者加入钛化氢发泡剂发泡；

第五步：分层浇铸装置以纯铝铝液或者纯金属合金液，或者半固态浆料－增压－吹气合金液，或者增粘－增压－吹气合金液，或者增粘－增压－钛化氢发泡的合金液为原料，进行泡沫金属组件分层浇铸-整体成型，一次成型整体泡沫金属组件。

本发明的有益效果：本发明可以实现泡沫铝整体铸件或者整体结构件一次成型，直接成型具有三明治、复合三明治结构特点，多功能梯度复合泡沫铝组件，极大地简化了生产过程，节约设备投资。

附图说明

图1是本发明的原理示意图；

图2是本发明的设备结构示意图；

图3是分层浇铸装置的结构示意图；

图4是使用本发明制备的三明治结构件示意图；

图5是使用本发明制备的一种多层铸件结构示意图；

图6是使用本发明制备的另一种多层铸件结构示意图；

图7是使用本发明制备的另一种多层铸件结构示意图。

具体实施方式

一种泡沫金属材料铸件和结构件的分层浇铸-整体成型制备方法，参见图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7。

本发明所述的分层浇铸-整体成型方法，是集泡沫金属组件形状设计、结构设计、合金成分设计、合金配制、半固态浆料制备、合金液增粘、合金熔体增压、合金熔体吹气或者发泡、纯铝或合金浇铸、泡沫体合金液同步浇铸-同步降压-同步冷却，通过分层浇铸-整体成型，实现整体泡沫金属组件的近终成型制造技术。

本发明所述的分层浇铸-整体成型方法共分五步完成，见图２。

第一步：由组件设计与制备控制中心２ａ进行泡沫金属组件形状设计、结构设计、合金成分设计，合金熔炼、制备浆料、熔体增粘、熔体增压、熔体吹气、熔体发泡、定量浇铸、同步浇铸-同步冷却-同步降压、整体成型工艺设计。

第二步：熔炼炉组２ｂ根据２ａ提供的设计方案，进行合金配料，制备纯铝铝液和纯金属合金液。分别在熔炼炉２ｂ１、２ｂ２、２ｂ３中熔炼合金１、合金２、合金３，依次类推，熔炼合金４、合金５等等。

第三步：将纯铝铝液和合金液转入浆料制备炉组２ｃ，在２ｃ１炉中制备合金１半固态浆料，分别在２ｃ２、２ｃ３炉中进行合金２和合金３增粘，依次类推，将熔炼的各种合金制备成半固态浆料，或者加入增粘剂增粘。

第四步：将２ｃ１、２ｃ２、２ｃ３炉组中的半固态浆料和增粘后的合金增压，往增压后的浆料和增粘后的合金中通入中高压气体，或者加入钛化氢发泡剂发泡。

第五步：分层浇铸装置２ｄ以纯铝铝液或者纯金属合金液，或者半固态浆料－增压－吹气合金液，或者增粘－增压－吹气合金液（吹气气体介质可以是H2、N2、CO2、H2O、惰性气体或者上述气体的混合物，下同），或者增粘－增压－钛化氢发泡的合金液为原料，其中，一号浇铸机２ｄ１以经过增压－吹气的半固态浆料为原料，二号浇铸机２ｄ２以增粘－增压－吹气的合金液为原料，三号浇铸机２ｄ３以增粘－增压－发泡的合金液为原料，进行泡沫金属组件（含铸件和结构件，下同）分层浇铸-整体成型，一次成型整体泡沫金属组件。分层浇铸-整体成型泡沫金属组件工艺过程见图２。

泡沫金属材料组件的分层浇铸-整体成型过程，由专用的分层浇铸装置完成，分层浇铸装置示意图见图3，该装置通过定量浇铸、同步浇铸－同步降压－同步冷却工艺控制泡沫体孔型和泡沫体孔隙率。分层浇铸-整体成型装置由浇铸驱动装置３ａ和浇铸装置3ｂ两部分组成，浇铸装置3ｂ由高压泡沫金属液输入口（３ｂ１）、金属液输入口（３ｂ２）、高压气体加入口（３ｂ３）、降压气体排放口（３ｂ４）、半固态高压泡沫金属（３ｂ５）、冷却介质进出口（３ｂ６）、分层浇铸口（３ｂ７）等部分组成。浆料制备－增粘与增压－吹气－发泡炉组２ｃ中制备的泡沫金属液，由高压泡沫金属液输入口（３ｂ１）输入浇注装置3b中，由高压气体加入口（３ｂ３）向半固态高压泡沫金属（３ｂ５）中鼓入二次中高压气体（鼓入气体压力0.0３－１５ＭＰａ，气体介质可以是H2、N2、CO2、H2O、惰性气体或者上述气体的混合物），冷却介质通过冷却介质进出口（３ｂ６）对半固态高压泡沫金属（３ｂ５）进行冷却，进一步提高半固态高压泡沫金属（３ｂ５）中固相份数，提高固液泡沫粘度，打开降压气体排放口（３ｂ４）给高压固液泡沫（３ｂ５）降压，同时，高压气体加入口（３ｂ３）再次向高压固液泡沫（３ｂ５）施压，将高压固液泡沫（３ｂ５）从分层浇铸口（３ｂ７）中吹出，形成降压后的半固态泡沫（３ｂ８），半固态泡沫（３ｂ８）喷涂于分层浇铸铸件３ｃ表面实现分层浇铸，凝聚于半固态泡沫（３ｂ８）中的高压气泡压力得到释放，体积迅速膨胀，形成高孔隙率泡沫体。通过控制高压固液泡沫（３ｂ５）中气体压力、固液泡沫粘度和降压速率，可以得到开孔泡沫体2e1或者闭孔泡沫体2e2，见图3中的3c。当气体压力较高、固液泡沫粘度较低和降压速率较快时，得到开孔泡沫体，见图5。当气体压力较低、固液泡沫粘度较高和降压速率较慢时，得到闭孔泡沫体，见图4。熔炼炉组２ｂ制备的纯铝铝液和纯金属合金液通过金属液输入口（３ｂ２）进入分层浇铸装置3ｂ，由分层浇铸口（３ｂ７）中吹出直接浇铸表面密实（致密无孔隙）层（见图4中的4a、图5中的5a）或者泡沫体密实（致密无孔隙）加强层（见图7中的7ｄ）。

实施例1：

一种铝合金泡沫三明治盘件，要求抗拉强度达到８ＭＰａ，延伸率达到３％，密度为０．３５－０．４５ｋｇ／ｃｍ^３，圆盘周边为均匀密实且耐蚀性能优良的包覆层，包覆层厚度不超过2.5mm，三明治盘件芯材为开孔泡沫铝结构，泡沫基体中无异质非金属夹杂。

将泡沫铝合金三明治盘件设计要求输入设计与制备控制中心２ａ，控制中心根据设计要求，选定三明治芯材材质为６０６３合金，合金化学成分为：Ｓｉ０.20－０.60％,Ｍｇ０.45－０．9％,Ｆｅ≦0.35％，Cu≦0.10％, Mn≦0.10％, Cr≦0.10％, Zn≦0.10％, Ti≦0.10％,其它杂质元素单个≦0.05％，其它杂质元素总量≦0.15％。表面包覆层材质选定为纯铝1060，化学成分要求为：Ｓｉ≦0.25％,Ｆｅ≦0.35％，Cu≦0.05％,Mn≦0.03％ ,Mg≦0.03，Zn≦0.05％,Ti≦0.03％,其它杂质元素单个≦0.03％，Al≧99.60%。在2b1炉中熔炼1060合金，熔炼温度730-740℃，在2b2炉中熔炼6063合金，熔炼温度740-750℃。1060和6063合金采用半固态浆料化工艺提高粘度，不添加任何增粘介质。1060合金半固态浆料温度控制在648-656℃，6063合金半固态浆料温度控制在640-650℃。制备的1060合金半固态浆料备用。给6063合金半固态浆料炉密封，通入1.5MPa增压空气，向半固态浆料6063合金吹气，吹入1.5-1.6MPa高压氮气，在吹气的过程中，充分混合氮气与浆料，使高压氮气充分分散并均匀滞留于浆料中。分层浇铸装置一号浇铸机以增压-吹气的6063浆料为原料，进行泡沫金属组件分层浇铸-整体成型浇铸，一号浇铸机通过定量浇铸、同步浇铸－同步降压－同步冷却工艺控制泡沫体孔型和泡沫体孔隙率。控制较高的气体压力（1.6MPa），浆料合金中较低的固液比（43:57）获得相对较低的粘度，较快的降压速率（15-20MPa/s），按此工艺进行浇铸得到开孔泡沫体。二号浇铸机以增压的1060合金浆料为原料，在一号浇铸机浇铸的开孔泡沫体周边，浇铸厚度为2mm的密实金属层。分层浇铸-整体成型泡沫金属组件，一次成型开孔整体泡沫金属组件见图4（图中，４为闭孔泡沫铝铸件，４a为表面密实金属层，４b为泡沫金属层，４c为闭孔泡沫胞孔）。

实施例2：

一种铝合金泡沫三明治块体件，要求抗拉强度达到12ＭＰａ，延伸率达到2％，密度为０．40－０．50ｋｇ／ｃｍ^３，块体表面为均匀密实且耐蚀性能优良的包覆层，包覆层厚度不超过2mm，三明治块体芯材为闭孔泡沫铝结构，泡沫基体允许添加不超过5%异质非金属夹杂增粘。

将泡沫铝合金三明治块体设计要求输入设计与制备控制中心２ａ，控制中心根据设计要求，选定三明治芯材材质为６０６1合金，合金化学成分为：Ｓｉ０.40－０.80％,Cu0.15-0.4％, Ｍｇ０.80－1.2％,Ｆｅ≦0.70％，Mn≦0.15％, Cr≦0.04-0.35％, Zn≦0.25％, Ti≦0.15％, 其它杂质元素单个≦0.05％，其它杂质元素总量≦0.15％，余量为铝。表面包覆层材质选定为纯铝1060，化学成分要求为：Ｓｉ≦0.25％,Ｆｅ≦0.35％，Cu≦0.05％,Mn≦0.03％ ,Mg≦0.03， Zn≦0.05％,Ti≦0.03％,其它杂质元素单个≦0.03％，Al≧99.60%。在2b1炉中熔炼1060合金，熔炼温度730-740℃，在2b2炉中熔炼6061合金，熔炼温度740-760℃。1060合金采用半固态浆料化工艺提高粘度，6061合金采用半固态浆料化工艺提高粘度，6061合金浆料化增粘后，再添加4%增粘介质碳化硅混合、搅拌均匀。1060合金半固态浆料温度控制在648-653℃，6061合金半固态浆料温度控制在655-660℃。制备的1060合金半固态浆料备用。给6061合金半固态浆料炉密封，通入1.0MPa增压空气，向半固态浆料6061合金吹气，吹入1.0-1.1MPa高压空气，在吹气的过程中，充分混合空气与浆料，使高压空气充分分散并均匀滞留于浆料中。分层浇铸装置一号浇铸机以增压-吹气的6061浆料为原料，进行泡沫金属组件分层浇铸-整体成型浇铸，一号浇铸机通过定量浇铸、同步浇铸－同步降压－同步冷却工艺控制泡沫体孔型和泡沫体孔隙率。控制较低的气体压力（1.1MPa），浆料合金中较高的固液比（如65:35）获得相对较高的粘度，相对较慢的降压速率（如8-12MPa/s），按此工艺进行浇铸得到闭孔泡沫体。二号浇铸机以增压的1060合金浆料为原料，在一号浇铸机浇铸的闭孔泡沫体周边及上下表面，浇铸厚度为1.5mm的密实金属层。分层浇铸-整体成型泡沫金属组件，一次成型闭孔整体泡沫金属组件见图5（图中，5为开孔泡沫铝铸件，５a为表面密实金属层，５b为泡沫金属层，５c为开孔泡沫胞孔）。

实施例3：

一种铝合金泡沫复合三明治结构，多功能梯度复合整体块体浇铸件，要求抗拉强度达到5ＭＰａ，延伸率达到2％，密度为０．30－０．40ｋｇ／ｃｍ^３，复合三明治块体芯材为闭孔泡沫铝填充结构，要求块体芯材四周为开孔泡沫铝结构，开孔泡沫体周边为均匀密实且耐蚀性能优良的包覆层，包覆层厚度不超过2mm，开孔泡沫铝应具有较好的耐蚀性能，不允许添加异质非金属夹杂增粘剂，闭孔泡沫基体允许添加不超过6%异质非金属夹杂增粘。

将复合三明治整体块体浇铸件设计要求输入设计与制备控制中心２ａ，控制中心根据设计要求，选定三明治芯材闭孔泡沫铝材质为６０６1合金，合金化学成分为：Ｓｉ０.40－０.80％,Cu0.15-0.4％, Ｍｇ０.80－1.2％,Ｆｅ≦0.70％，Mn≦0.15％, Cr≦0.04-0.35％,Zn≦0.25％, Ti≦0.15％, 其它杂质元素单个≦0.05％，其它杂质元素总量≦0.15％，余量为铝。选定三明治芯材四周开孔泡沫铝材质为3A21合金，合金化学成分为：Mn1.0-1.6％,Ｓｉ≦０.60％,Cu≦0.20％, Ｍｇ≦0.05％, Zn≦0.10％, Ti≦0.15％, 其它杂质元素单个≦0.05％，其它杂质元素总量≦0.10％，余量为铝。开孔泡沫铝表面包覆层材质选定为纯铝1070A，化学成分要求为：Ｓｉ≦0.20％,Ｆｅ≦0.25％，Cu≦0.03％,Mn≦0.03％ ,Mg≦0.03，Zn≦0.07％,Ti≦0.03％,其它杂质元素单个≦0.03％，Al≧99.70%。在2b1炉中熔炼1070A合金，熔炼温度720-740℃，在2b2炉中熔炼6061合金，熔炼温度740-760℃，在2b3炉中熔炼3A21合金，熔炼温度730-760℃。1070A合金采用半固态浆料化工艺提高粘度，3A21合金采用半固态浆料化工艺提高粘度，3A21合金浆料化增粘后，再添加1%的金属钙增粘，在加入金属钙时要对合金液充分搅拌、混合，使金属钙在铝液中分散均匀。6061合金采用半固态浆料化工艺提高粘度，6061合金浆料化增粘后，再添加4%增粘介质氧化铝混合、搅拌均匀。1070A合金半固态浆料温度控制在648-653℃，3A21合金半固态浆料温度控制在648-652℃，6061合金半固态浆料温度控制在655-660℃。制备的1060合金半固态浆料备用。给3A21合金半固态浆料炉密封，通入1.6MPa增压空气，向半固态浆料3A21合金吹气，吹入1.7-1.8MPa高压空气，在吹气的过程中，充分混合空气与浆料，使高压空气充分分散并均匀滞留于浆料中。给6061合金半固态浆料炉密封，通入1.0MPa增压空气，向半固态浆料6061合金吹气，吹入1.0-1.1MPa高压空气，在吹气的过程中，充分混合空气与浆料，使高压空气充分分散并均匀滞留于浆料中。分层浇铸装置一号浇铸机以增压-吹气-增粘的6061浆料为原料，进行泡沫金属组件分层浇铸-整体成型浇铸，一号浇铸机通过定量浇铸、同步浇铸－同步降压－同步冷却工艺控制泡沫体孔型和泡沫体孔隙率。控制较低的气体压力（1.1MPa），浆料合金中较高的固液比（如65:35）获得相对较高的粘度，相对较慢的降压速率（如8-12MPa/s），按此工艺进行浇铸得到闭孔泡沫体芯材。二号浇铸机以增压-吹气-增粘的3A21合金泡沫为原料，进行泡沫金属组件分层浇铸-整体成型浇铸，二号浇铸机通过定量浇铸、同步浇铸－同步降压－同步冷却工艺控制泡沫体孔型和泡沫体孔隙率。控制较高的气体压力（1.7MPa），浆料合金中较低的固液比（如45:55）获得相对较低的粘度，相对较快的降压速率（如18-30MPa/s），按此工艺进行浇铸得到开孔泡沫体。三号浇铸机以增压的1070A合金浆料为原料，在二号浇铸机浇铸的开孔泡沫体周边，浇铸厚度为1.8mm的密实金属层。分层浇铸-整体成型泡沫铝复合三明治-多功能梯度复合整体块体浇铸件，一次成型闭孔整体泡沫金属铸件见图6（图中，6为分层浇注整体成型泡沫铝铸件，６a为第一层开孔泡沫金属层，６b为第二层闭孔泡沫金属层，６c为第三层闭孔泡沫金属层，６d为第四层闭孔泡沫金属层，６e为第五层闭孔泡沫金属层，６f为第六层闭孔泡沫金属层，６g为第七层开孔泡沫金属层，６h为第八层纵向开孔泡沫金属层,６i为第九层纵向开孔泡沫金属层，６ｊ为表面密实层）。

实施例4：

一种铝合金泡沫复合三明治-多功能梯度复合整体浇铸结构件，要求抗拉强度达到10ＭＰａ，延伸率达到5％，密度为０．60－０．90ｋｇ／ｃｍ^３，结构件周边为均匀密实且耐蚀性能优良的包覆层，包覆层厚度30mm，复合三明治结构件芯材为开孔泡沫铝与闭孔泡沫铝交替填充层状结构，或者在同一层中开孔泡沫体与闭孔泡沫体交替出现，且要求最上层为加强层，最底层为开孔泡沫铝结构，开孔泡沫铝应具有较好的耐蚀性能，不允许添加异质非金属夹杂增粘剂，闭孔泡沫基体允许添加不超过6%异质非金属夹杂增粘。

将泡沫复合三明治-多功能梯度复合整体浇铸结构件设计要求输入设计与制备控制中心２ａ，控制中心根据设计要求，选定三明治芯材闭孔泡沫铝材质为６０６1合金，合金化学成分为：Ｓｉ０.40－０.80％,Cu0.15-0.4％, Ｍｇ０.80－1.2％,Ｆｅ≦0.70％，Mn≦0.15％,Cr≦0.04-0.35％, Zn≦0.25％, Ti≦0.15％, 其它杂质元素单个≦0.05％，其它杂质元素总量≦0.15％，余量为铝。选定三明治芯材开孔泡沫铝材质为3A21合金，合金化学成分为：Mn1.0-1.6％, Ｓｉ≦０.60％,Cu≦0.20％, Ｍｇ≦0.05％, Zn≦0.10％, Ti≦0.15％,其它杂质元素单个≦0.05％，其它杂质元素总量≦0.10％，余量为铝。每一组开孔+闭孔泡沫层之后设置一个组合层（同一层中一部分为开孔泡沫体，另一部分为闭孔泡沫体），在每一个组合层之后设置一个密实加强层以提高结构件强度，选定加强层材质为A356.2Sr合金，A356.2Sr合金化学成分为：Ｓｉ6.5-7.5%，Mg0.25-0.45%，Sr0.015-0.30%，Ti0.05-0.20％, Ｆｅ≦0.12％，Cu≦0.05％,Mn≦0.05％,Zn≦0.05％,Ni≦0.03%，Sn≦0.03%，Pb≦0.03%，Cr≦0.03%，余量为铝。表面包覆层材质选定为纯铝1070A，化学成分要求为：Ｓｉ≦0.20％,Ｆｅ≦0.25％，Cu≦0.03％,Mn≦0.03％ ,Mg≦0.03，Zn≦0.07％,Ti≦0.03％,其它杂质元素单个≦0.03％，Al≧99.70%。在2b1炉中熔炼1070A合金，熔炼温度720-740℃，在2b2炉中熔炼6061合金，熔炼温度740-760℃，在2b3炉中熔炼3A21合金，熔炼温度730-760℃。在2b4炉中熔炼A356.2Sr合金。1070A合金和A356.2Sr合金采用半固态浆料化工艺提高粘度，3A21合金采用半固态浆料化工艺提高粘度，3A21合金浆料化增粘后，再添加1.2%的金属钙增粘，在加入金属钙时要对合金液充分搅拌、混合，使金属钙在铝液中分散均匀。6061合金采用半固态浆料化工艺提高粘度，6061合金浆料化增粘后，再添加4%增粘介质氧化铝混合、搅拌均匀。1070A合金半固态浆料温度控制在648-653℃，A356.2Sr半固态浆料温度控制在578-588℃，3A21合金半固态浆料温度控制在648-652℃，6061合金半固态浆料温度控制在655-660℃。制备的1060和A356.2Sr合金半固态浆料备用。给3A21合金半固态浆料炉密封，通入1.6MPa增压空气，向半固态浆料3A21合金吹气，吹入1.7-1.8MPa高压空气，在吹气的过程中，充分混合空气与浆料，使高压空气充分分散并均匀滞留于浆料中。给6061合金半固态浆料炉密封，通入1.0MPa增压空气，向半固态浆料6061合金吹气，吹入1.0-1.1MPa高压空气，在吹气的过程中，充分混合空气与浆料，使高压空气充分分散并均匀滞留于浆料中。分层浇铸装置一号浇铸机以增压-吹气-增粘的3A21合金泡沫为原料，进行泡沫金属组件分层浇铸-整体成型浇铸，一号浇铸机通过定量浇铸、同步浇铸－同步降压－同步冷却工艺控制泡沫体孔型和泡沫体孔隙率。控制较高的气体压力（1.7MPa），浆料合金中较低的固液比（如45:55）获得相对较低的粘度，相对较快的降压速率（如18-30MPa/s），按此工艺进行浇铸得到开孔泡沫体。二号浇铸机以增压-吹气-增粘的6061浆料为原料，进行泡沫金属组件分层浇铸-整体成型浇铸，一号浇铸机通过定量浇铸、同步浇铸－同步降压－同步冷却工艺控制泡沫体孔型和泡沫体孔隙率。控制较低的气体压力（1.1MPa），浆料合金中较高的固液比（如65:35）获得相对较高的粘度，相对较慢的降压速率（如8-12MPa/s），按此工艺进行浇铸得到闭孔泡沫体。一号和二号浇铸机在浇铸一组开孔+闭孔泡沫层之后，浇铸一个组合层（同一层中一部分为开孔泡沫体，另一部分为闭孔泡沫体），三号浇铸机以增压的A356.2Sr合金浆料为原料，在每一个组合层之后浇铸一个密实加强层以提高结构件强度。四号浇铸机以增压的1070A合金浆料为原料，在一号、二号、三号浇铸机浇铸的开孔、闭孔泡沫体和密实加强层周边，浇铸厚度为2.6mm的密实金属层。分层浇铸-整体成型泡沫铝复合三明治-多功能梯度复合整体浇铸结构件，见图7（图中，7为分层浇注整体成型泡沫铝结构件，７a为第一层开孔泡沫金属层，７b为第二层闭孔泡沫金属层，７c为第三层组合层（开孔泡沫+闭孔泡沫金属层），７d为第四层密实加强金属层，７e为第五层开孔泡沫金属层，７f为第六层闭孔泡沫金属层，７g为第七层组合层（开孔泡沫+闭孔泡沫金属层），７h为第八层密实加强金属层，７i为第九层开孔泡沫金属层，７j为第十层闭孔泡沫金属层，７k为第十一层组合层（开孔泡沫+闭孔泡沫金属层），７l为第十二层密实加强金属层，７m为第十三层表面包覆密实金属层）。

使用本发明的泡沫金属材料分层浇铸-整体成型制备方法，可以实现泡沫铝整体铸件或者整体结构件一次成型，直接成型具有三明治、复合三明治结构特点，多功能梯度复合泡沫铝组件，极大地简化了生产过程，节约设备投资。可以在同一铸件上的不同浇铸层或者同一浇铸层的不同浇铸部位，浇铸不同的合金或者不同的孔型（闭孔、开孔）或者不同孔隙率的泡沫体。消除了传统工艺存在的泡沫体底板无泡层和因排液作用造成的泡沫体孔洞。集组件设计、合金配制、合金增粘-增压、熔体吹气-发泡、分层浇铸-整体成型工艺于一体，实现泡沫铝组件近终成型。所生产的整体泡沫铝组件综合性能优良，具有精度高、切削加工量小、制造周期短、材料利用率高、制造成本低的优点，易于制造大型整体泡沫铝组件。可同时满足小批量、小规格、复杂形状泡沫铝组件和大批量、大规格、复杂形状组件的生产。

Claims (2)

1.一种泡沫金属材料铸件和结构件的分层浇铸-整体成型设备，其特征在于，所述设备包括：熔炼炉组、浆料制备炉组、多个分层浇铸装置；所述熔炼炉组包括多个熔炼炉，每个所述熔炼炉分别对应浆料制备炉组中的一个炉体；所述浆料制备炉组中的每一个炉体分别对应一个分层浇铸装置；每个所述分层浇铸装置包括浇铸驱动装置、分层浇铸炉体，该浇铸炉体上设有高压泡沫金属液输入口、金属液输入口、高压气体加入口、降压气体排放口、冷却介质进出口和浇铸口；所述多个分层浇铸装置并列放置。

2.一种使用如权利要求1所述的设备进行分层浇铸-整体成型的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

第一步：由组件设计与制备控制系统进行泡沫金属组件形状设计、结构设计、合金成分设计，合金熔炼、制备浆料、熔体增粘、熔体增压、熔体吹气、熔体发泡、定量浇铸、同步浇铸-同步冷却-同步降压、整体成型工艺设计；

第二步：熔炼炉组根据第一步提供的设计方案，进行合金配料，在每一个熔炼炉中制备纯铝铝液或纯金属合金液；

第三步：将第二步得到的纯铝铝液或合金液转入浆料制备炉组，将熔炼的各种纯铝液或合金液制备成半固态浆料，或者加入增粘剂增粘；

第四步：将半固态浆料或增粘后的合金增压，往增压后的半固态浆料或增粘后的合金中通入中高压气体，或者加入钛化氢发泡剂发泡；

第五步：分层浇铸装置以纯铝铝液或者纯金属合金液，或者半固态浆料－增压－吹气合金液，或者增粘－增压－吹气合金液，或者增粘－增压－钛化氢发泡的合金液为原料，进行泡沫金属组件分层浇铸-整体成型，一次成型整体泡沫金属组件。