CN105689718A - 一种复相增强金属基复合材料的成形系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种复相增强金属基复合材料的成形系统和方法，所述成形系统包括气-固两相雾化喷射成形装置和热挤压装置两部分；所述气-固两相雾化喷射成形装置包括真空室、中频电源、粉仓、球阀、气体减速器、储气瓶、控制器、过喷粉末收集器、接收器、雾化喷嘴、感应线圈、止通棒、直线电机、温度传感器、坩埚、电机控制器、温度显示终端、固定支架、隔板以及真空机；所述热挤压装置包括凸模、挤压筒、挤压垫、凹模、垫板、感应电源、保温体、加热线圈以及温度探头。本发明的喷射成形装置和方法，可直接生产陶瓷颗粒和金属晶须复相增强金属基复合材料，晶须增强相的产生采用热挤压致密化的方式，在去除沉积孔隙的同时，获得了晶须增强相。

Description

一种复相增强金属基复合材料的成形系统和方法

技术领域

本发明属于高性能金属材料制备技术领域，具体涉及一种复相增强金属基复合材料的成形系统和方法。

背景技术

喷射成形是一种快速凝固成形工艺，其过程是将熔融金属雾化成10～200微米的金属熔滴，然后在高速气流的带动下，微小熔滴直接喷射在较冷的接收器上形成对应产品。与铸造工艺相比，所成形的材料具有细小等轴晶、均质无偏析的微观结构；与快速凝固粉末冶金工艺相比，喷射成形坯件具有氧含量低、综合力学性能优越、成形所需工序少及生产成本低等特点。此外，喷射坯件也不存在堆焊或热喷涂等液态表面加工技术中不可避免的表面缺陷，近年来喷射成形技术也被逐渐引入到制备金属基复合材料的领域。

喷射沉积技术最早由Lavernia(E.J.Laverniaetal,Mater.Sci.Eng.,A,1988,98:381)等率先引入到制备金属基复合材料的领域，提出了雾化共沉积技术，其基本原理是将增强相颗粒在气体带动下吹入到金属雾化锥中，增强颗粒与雾化熔滴一起在接收器上沉积成形，上述工艺存在问题主要是增强颗粒注入雾化锥过程中会对金属熔滴的沉积产生影响，同时颗粒分布的均匀性很难保证，从而影响材料的性能。同时当前对于喷射共沉积技术的研究主要集中于非连续增强体金属基复合材料，对连续增强体增强金属基复合材料的研究较少，而通过喷射成形技术制备颗粒和晶须复相增强未见报导。

发明内容

本发明的目的是提供一种复相增强金属基复合材料的成形系统和方法，其能够有效提高喷射成形过程中金属熔体的雾化效率，提高增强相在基体中分布均匀性，同时能够降低晶须与基体材料的结合缺陷。本发明提供成形系统和方法的技术路线先进可靠、生产成本低、产品质量易于控制。

实现本发明的技术方案如下：

一种复相增强金属基复合材料的成形系统，包括气-固两相雾化喷射成形装置和热挤压装置两部分；

所述气-固两相雾化喷射成形装置包括真空室、中频电源、粉仓、球阀、气体减速器、储气瓶、控制器、过喷粉末收集器、接收器、雾化喷嘴、感应线圈、止通棒、直线电机、温度传感器、坩埚、电机控制器、温度显示终端、固定支架、隔板以及真空机；其中隔板设置于真空室内，将真空室隔成上下两部分；雾化喷嘴、感应线圈、止通棒、直线电机、温度传感器、坩埚及固定支架位于真空室的上半部分，其中坩埚通过其底部的螺纹通孔与雾化喷嘴相连，雾化喷嘴中心开有一金属导流通孔，感应线圈缠绕于坩埚的外侧，且与中频电源相连；直线电机固定于所述固定支架上，并与电机控制器相连；止通棒与直线电机连接，且止通棒与雾化喷嘴的中心导流通孔以及坩埚底部的螺纹通孔共轴，在直线电机的控制下能够沿其轴线上下移动，通过控制其锥形端与坩埚底部的螺纹通孔分离或贴合控制熔融金属的流下与否；温度传感器固定于所述固定支架上，并与温度显示终端相连，且温度传感器的感应端伸入到坩埚内；所述雾化喷嘴与置于真空室外部的储气瓶通过管路相连，气体减速器位于所述储气瓶的出口处，所述连接管路上设有粉仓，球阀位于所述粉仓的出口处；接收器置于真空室的下半部分，所述接收器具有绕轴线转动及沿轴向上下运动两个自由度，接收器与控制器相连，可以调节熔滴的飞行距离，使得到达沉积坯的熔滴的固相分数保持在60％～70％范围，过喷粉末收集器位于真空室的底部，真空机与所述真空室连通。

本发明为保证雾化沉积过程的顺利进行，熔体应保持一定的过热度，根据成形材料性质而有所不同，一般范围为30℃～200℃；喷嘴出气口形状可为Laval型，以加速气流。

所述热挤压装置包括凸模、挤压筒、挤压垫、凹模、垫板、感应电源、保温体、加热线圈以及温度探头。其中挤压筒固定于垫板上，凹模位于挤压筒内，且夹持于挤压筒与垫板之间；保温体环绕在挤压筒外部，加热线圈预封装于保温体内部，加热线圈通过导线与感应电源相连，温度探头深入到挤压筒内部，对其温度进行实时监控并向感应电源发出反馈信号控制感应电源的开关。

本发明挤压筒与垫板固连在一起且可拆卸，方便更换夹持在两者之间的凹模，通过更换具有不同直径挤压孔的凹模可以调节热挤压的挤压比，控制材料的变形程度；保温体环绕在挤压筒外部，保温体内部预封装有加热线圈，加热线圈通过导线与感应电源相连。温度探头深入到挤压筒内部对其温度进行实时监控并向感应电源发出反馈信号控制感应电源的开关。

一种基于复相增强金属基复合材料的成形系统的成形方法，用于在密封真空室中喷射成形颗粒增强金属基复合材料，并经过后续热挤压工艺获得颗粒和晶须复相增强金属基复合材料，具体步骤为：

步骤1：喷射沉积前真空室首先抽真空至小于50Pa，然后回充惰性保护气体(一般为氩气)至70～90kPa；

步骤2：将陶瓷颗粒和金属粉末按照设定比均匀混合放入粉仓备用，开启中频加热电源，对坩埚中的金属熔炼至一定过热度；

步骤3：启动直线电机拉起止通棒，使熔融金属沿雾化喷嘴的中心导流通孔流下进入雾化区域，同时启动储气瓶中的雾化气体，雾化气体与粉仓中流下的粉末混合后一起运动形成气-固两相均匀流，经过雾化喷嘴加速后对具有一定过热度的金属进行雾化，形成混合了增强颗粒和金属熔滴的雾化锥；

步骤4：控制器控制接收器绕竖直轴线转动并缓慢下移，保持接收距离和角度，雾化锥中的增强颗粒和雾化熔滴在雾化气体的带动下在接收器上沉积成形，形成增强相均布的沉积坯；

步骤5：将沉积坯加工成柱状的挤压件，在热挤压装置上进行挤压致密化，挤压过程中，金属粉末在强烈三向应力作用下被拉长，形成晶须增强体，同时挤压过程中陶瓷颗粒在基体中的分布规律也被进一步被均匀化。

本发明具有如下的有益效果：

(1)本发明采用气-固两相均匀流作为雾化介质，在提高雾化效率的同时可以提高增强相分布的均匀性。

(2)本发明的喷射成形装置和方法，可直接生产陶瓷颗粒和金属晶须复相增强金属基复合材料，晶须增强相的产生采用热挤压致密化的方式，在去除沉积孔隙的同时，获得了晶须增强相。

(3)晶须增强相的成本较低，能够避免增强体与基体合金的界面反应，有很好的结合强度。

附图说明

图1是为本发明提供的气-固两相雾化喷射成形装置结构示意图。

图2是为本发明提供的热挤压装置结构示意图。

图中：1为真空室，2为中频电源，3为粉仓，4为球阀，5为气体减速器，6为储气瓶，7为控制器，8为过喷粉末收集器，9为接收器，10为雾化喷嘴，11为感应线圈，12为止通棒，13为直线电机，14为温度传感器，15为坩埚，16为电机控制器，17为温度显示终端，18为固定支架，19为隔板，20为真空机，21为凸模，22为挤压筒，23为挤压垫，24为挤压件，25为凹模，26为垫板，27为感应电源，28为保温体，29为线圈，30为温度探头。

具体实施例

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

为实现上述目的，本发明按照喷射成形将金属液流雾化成细小颗粒并沉积成形的基本原理，结合挤压致密化后处理工艺，提出了一种复相增强金属基复合材料坯件的成形方法，基本原理是：(1)利用具有一定压力的惰性气体与增强颗粒混合并对其进行加速，利用混合了增强颗粒的高速惰性气体作为雾化介质，即为对金属熔体进行气-固两相雾化，与单独采用惰性气体雾化相比提高了雾化介质的密度、动量和冲击力，同时改变普通雾化的破碎机理，实现多种破碎模式，能够起到提高雾化效率、降低惰性气体的消耗量的效果。雾化完成后，增强颗粒均匀弥散在雾化熔滴中，最后增强颗粒与雾化熔滴一起在接收器上沉积凝固，获得增强颗粒均匀分布金属基复合材料坯体；(2)上述增强颗粒是陶瓷颗粒和金属粉末(如Al、Ni、Ti等)的混合体，由于喷射成形本身工艺特点，成形材料一般具有1～10％的孔隙，需要进行后续的致密化工艺才能作为功能材料使用，本发明选用热挤压方式进行致密化处理。热挤压过程中材料流经凹模中心孔时，金属粉末在强烈三向应力作用下被拉长为细长晶须，获得了连续纤维增强体，该过程中晶须材料一直包裹在基体材料内部，与外界环境无接触，因此不存在界面反应和氧化现象。

本实施例复相增强金属基复合材料的成形系统包括气-固两相雾化喷射成形装置和热挤压装置两部分。

如图1所示，气-固两相雾化喷射成形装置包括真空室1、中频电源2、粉仓3、球阀4、气体减速器5、储气瓶6、控制器7、过喷粉末收集器8、接收器9、雾化喷嘴10、感应线圈11、止通棒12、直线电机13、温度传感器14、坩埚15、电机控制器16、温度显示终端17、固定支架18、隔板19以及真空机20。真空罐1内部空间被隔板19分为相互贯通的上下两部分，上部是金属熔炼室，下部是雾化沉积室。其中雾化喷嘴10，感应线圈11、止通棒12，直线电机13，温度传感器14、坩埚15以及固定支架18位于真空室1的上半部分的熔炼室，坩埚2位于真空罐1上半部分的中心位置，并通过其底部的螺纹通孔与雾化喷嘴10相连，雾化喷嘴10中心开有一金属导流通孔，感应线圈11缠绕于坩埚15的外侧，且与中频电源2相连；直线电机13固定于所述固定支架18上，并与电机控制器16相连；止通棒12与雾化喷嘴10的中心导流通孔以及坩埚15底部的螺纹通孔共轴。止通棒12的另外一端通过联轴器与直线电机13相连，启动直线电机13带动止通棒12一起向上移动，可以使金属熔体从坩埚15流出进入雾化喷嘴10的中心导流通孔，所述雾化喷嘴9与置于真空罐1外部的储气瓶6通过管路相连，直线电机13与温度传感器14通过滑块连杆机构固定在固定支架18上，连接稳定且可调，温度传感器14与温度显示终端17相连；所述雾化喷嘴10与置于真空罐1外部的储气瓶6通过管路相连，气体减速器5位于所述储气瓶6的出口处，所述连接管路上设有粉仓3，球阀4位于所述粉仓3的出口处；接收器9置于真空室1的下半部分，所述接收器9具有绕轴线转动及沿轴向上下运动两个自由度，接收器9与控制器7相连，可以调节熔滴的飞行距离，使得到达沉积坯的熔滴的固相分数保持在60％～70％范围，过喷粉末收集器8位于真空室1的底部，真空机20与所述真空室1连通。

本发明所述气-固两相雾化喷射成形装置中所有进出真空罐1的管路都是通过法兰盘与罐体连接。

如图2所示，热挤压装置包括凸模21、挤压筒22、挤压垫23、凹模25、垫板26、感应电源27、保温体28、加热线圈29以及温度探头30。其中挤压筒22固定于垫板26上，凹模25位于挤压筒内，且夹持于挤压筒22与垫板26之间；挤压筒22与垫板26固连在一起且可拆卸，方便更换夹持在两者之间的凹模25，通过更换具有不同直径挤压孔的凹模25可以调节热挤压的挤压比，控制材料的变形程度；保温体28环绕在挤压筒22外部，保温体28内部预封装有加热线圈29，加热线圈29通过导线与感应电源27相连。温度探头30深入到挤压筒22内部，对其温度进行实时监控并向感应电源27发出反馈信号控制感应电源27的开关。

本发明热挤压装置在作用过程中，首先将挤压筒22并挤压件24一起加热到预定温度，通过压力计对凸模21施加压力并通过挤压垫23传递给挤压垫24，在挤压力作用下材料发生塑性变形流过凹模25。

以Al-2.2Mg-9.8Zn-2.4Cu(质量分数，％)作为基体合金喷射成形SiC颗粒和Ti晶须复相增强金属基复合材料为例说明本发明复相增强金属基复合材料的喷射成形方法：

(1)按照图1所示连接好各装置，并将真空室1抽真空至5kPa，然后回充氩气至90kPa；

(2)将SiC颗粒和Ti粉末按照1：1的比例均匀混合，粉末总重1kg，装入粉仓3中备用。

(3)开启中频加热电源2，对坩埚15中的合金进行加热。保持合金溶液的过热度100℃，保温30min。

(4)启动直线电机13拉起止通棒12，熔融金属流经雾化喷嘴10的中心导流通孔进入雾化区域。同时开启储气瓶6上的气体减速器5和球阀4，压强P₀＝0.6MPa的气体与粉仓3流下的粉末混合形成气-固两相均匀流，经喷嘴10加速后对熔融金属进行雾化；

(5)控制雾化喷嘴10到接收器9的距离h＝600mm，金属液滴在高速气流带动下撞击接收器9，控制器7控制接收器9绕竖直轴线转动并缓慢下移，保持接收距离和角度，逐渐凝固成圆柱形颗粒增强铝合金沉积坯；

(6)将沉积坯加工成圆柱形挤压件，在400℃挤压比为6.25的条件下，在热挤压装置中进行热挤压处理，挤压过程中Ti粉末被拉长形成晶须，最终得到SiC颗粒和Ti晶须复相增强铝基复合材料。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种复相增强金属基复合材料的成形系统，其特征在于，包括气-固两相雾化喷射成形装置和热挤压装置两部分；

所述气-固两相雾化喷射成形装置包括真空室(1)、中频电源(2)、粉仓(3)、球阀(4)、气体减速器(5)、储气瓶(6)、控制器(7)、过喷粉末收集器(8)、接收器(9)、雾化喷嘴(10)、感应线圈(11)、止通棒(12)、直线电机(13)、温度传感器(14)、坩埚(15)、电机控制器(16)、温度显示终端(17)、固定支架(18)、隔板(19)以及真空机(20)；其中隔板(19)设置于真空室(1)内，将真空室(1)隔成上下两部分；雾化喷嘴(10)、感应线圈(11)、止通棒(12)、直线电机(13)、温度传感器(14)、坩埚(15)及固定支架(18)位于真空室(1)的上半部分；坩埚(15)通过其底部的螺纹通孔与雾化喷嘴(10)相连，雾化喷嘴(10)中心开有一金属导流通孔，感应线圈(11)缠绕于坩埚(15)的外侧，且与中频电源(2)相连；直线电机(13)固定于所述固定支架(18)上，并与电机控制器(16)相连；止通棒(12)与直线电机(13)连接，且止通棒(12)与雾化喷嘴(10)的中心导流通孔以及坩埚(15)底部的螺纹通孔共轴，在直线电机(13)的控制下能够沿其轴线上下移动，通过控制其锥形端与坩埚(15)底部的螺纹通孔分离或贴合控制坩埚(15)中熔融金属的流下与否；温度传感器(14)固定于所述固定支架(18)上，并与温度显示终端(17)相连，且温度传感器(14)的感应端伸入到坩埚(15)内；所述雾化喷嘴(10)与置于真空室(1)外部的储气瓶(6)通过管路相连，气体减速器(5)位于所述储气瓶(6)的出口处，粉仓(3)设置于所述连接管路上，球阀(4)位于所述粉仓(3)的出口处；接收器(9)置于真空室(1)的下半部分，所述接收器(9)具有绕轴线转动及沿轴向上下运动两个自由度，接收器(9)与控制器(7)相连，过喷粉末收集器(8)位于真空室(1)的底部，真空机(20)与所述真空室(1)连通；

所述热挤压装置包括凸模(21)、挤压筒(22)、挤压垫(23)、凹模(25)、垫板(26)、感应电源(27)、保温体(28)、加热线圈(29)以及温度探头(30)；其中挤压筒(22)固定于垫板(26)上，凹模(25)位于挤压筒内，且夹持于挤压筒(22)与垫板(26)之间；保温体(28)环绕在挤压筒(22)外部，加热线圈(29)预封装于保温体(28)内部，加热线圈(29)通过导线与感应电源(27)相连，温度探头(30)深入到挤压筒(22)内部，对其温度进行实时监控并向感应电源(27)发出反馈信号控制感应电源(27)的开关。

2.根据权利要求1所述复相增强金属基复合材料的成形系统，其特征在于，雾化喷嘴(10)出气口形状为Laval型。

3.根据权利要求1所述复相增强金属基复合材料的成形系统，其特征在于，直线电机(13)与温度传感器(14)通过滑块连杆机构固定在固定支架(18)上。

4.一种基于复相增强金属基复合材料的成形系统的成形方法，其特征在于，具体步骤为：

步骤1：喷射沉积前真空室(1)先抽真空，然后回充惰性保护气体；

步骤2：将陶瓷颗粒和金属粉末按照设定比均匀混合放入粉仓(3)备用，开启中频加热电源(2)，对坩埚(15)中的金属熔炼至一定过热度；

步骤3：启动直线电机(13)拉起止通棒(12)，使熔融金属沿雾化喷嘴(10)的中心导流通孔流下进入真空室(1)下部的雾化区域，同时启动储气瓶(6)中的雾化气体，雾化气体与粉仓(3)中流下的粉末混合后一起运动形成气-固两相均匀流，经过雾化喷嘴(10)加速后对具有一定过热度的金属进行雾化，形成混合了增强颗粒和金属熔滴的雾化锥；

步骤4：控制器(7)控制接收器(9)绕竖直轴线转动并缓慢下移，保持接收距离和角度，雾化锥中的增强颗粒和雾化熔滴在雾化气体的带动下在接收器(9)上沉积成形，形成增强相均布的沉积坯；

步骤5：将沉积坯加工成柱状的挤压件，将挤压件在热挤压装置上进行挤压致密化。

5.根据权利要求4所述基于复相增强金属基复合材料的成形系统的成形方法，其特征在于，喷射沉积前真空室抽真空至小于5kPa，回充惰性保护气体为氩气，压强70～90kPa。